在过去的20年里，很多学科上取得的进展已经帮助我们更好地了解了自然以及地球上生命的进化。这些科学进展也已经帮助我们为太空生物学奠定了良好的基础，也为探索太阳系中以及太阳系以外生命的存在创造了新的可能性。
对生命的新探索
1987年，伊利诺伊大学的卡尔·沃斯公开发表了第一份通用的生物演化谱系图解。这份通用的生物演化谱系图解是基于基因序列比较绘制而成，从生物演化谱系图解可以看出：存在3大域——古细菌、细菌以及真核。这3个域由许多界组成，几乎所有的界都有微生物。这与将生物界分成5个界(动物界、植物界、菌类界、原生生物界以及原核生物界，在这5个界中，多细胞植物界和动物界最重要)的观点相反。
也许我们从这个通用的生物演化谱系图解中已经认可的最基本的情况之一，就是我们生活在一个充满微生物的行星上。生物界历史的前85％几乎全被微观生物所占。
寻找古生物学痕迹
在查尔斯·达尔文时代，人们对微生物生命在生物界进化历史中的重要性认识有限。已知最古老的化石是距今5.4亿年前在寒武纪末期出现的硬壳无脊椎动物。大约在1850年，达尔文的《物种起源》问世；与此同时人们首次描述了叠层沙(古代微生物群落生成的泥沙)的结构。
在地球历史上，寒武纪之前的这段时间(称为前寒武纪)被认为是缺少化石与生命证据的时期。但是在1993年，加利福尼亚州立大学洛杉矶分校的J，威廉·舍普夫报道：在澳大利亚西部，从含叠层沙的地层中发现了大约35亿年前的细菌微生物化石。然后在1996年，科罗拉多州大学的史蒂文斯·莫伊西斯对格陵兰出土的39亿年前古老岩石中可能存在的生物的化学特征进行了描述。这两项就是目前地球上最古老生命的纪录保持者。
在前寒武纪古生物学方面取得的这些进展，已经将地球上的生命记录向后推到了地球上第一个适合生存的自然环境出现时间的5亿年之内。这说明：一旦为生命之源所需的条件成熟，生命就会很快出现。尽管我们还不能确切地知道能有多快，但是从地质年代表上可以确定的是，它比从前所认为的短得多。
初期生命受到的撞击影响
在44亿年之前，地球上的地面条件对于生命的起源是不利的。频繁出现的小行星撞击将许许多多的熔融岩石洒遍地球的表面。容易蒸发的化合物(如水)与对生物非常重要的元素(如碳、氢、氧、氮、硫以及磷)通过易挥发逸出与磨蚀的综合作用消失于空中。
大约40亿年以前，撞击的次数逐渐减少，撞击的激烈程度也逐渐减弱，地球可以保持由彗星及其他冰冷物体输送来的水与有机物。一个稳定的大气圈与海洋发展起来了，为生命提供了第一个适宜的生长环境。但是，模型研究也表明：一直到38亿年以前，正在出现的生物界也许已经历了一次或多次巨大的撞击。这些撞击已经能够将海洋里的水蒸发掉，将地面环境里的细菌全部杀死。
这个通用的生物演化谱系图解最深的分支——估计距生命的共同祖先最近的那些分支——都有一个共同有趣的特性：偏爱很高的温度。对于一些科学家而言，这意味着生命或许已经在高温(也许在深海热液喷口附近)下已经开始了。对于其他的人(包括我自己)而言，与其说我们似乎看不到生命起源的环境，还不如说是看不到上次巨大撞击以后盛行的环境了。这些形式可以简单地成为生物体的后裔，而这些后裔通过隐匿在热水环境中生存下来。
地下生物界
1979年，海洋学家罗伯特·巴拉尔与生物学家J_弗雷德里克·格拉斯勒驾驶深水潜艇“伊利斯”号下潜到海底。他们的任务是详细勘察火山口及其相关动物区系的情况。在这些部位，科学家首次看到了全部依赖化学物质生存的生态系统。
随着这次探险的继续，在几乎每个大洋盆地中都发现了复杂的热液口生物群落，证明这些生物体即使迁徙到分布范围最广的自然环境，它们也有出色的生存能力。如今，还有迹象表明：光合生物能够利用热液口发出的微弱的热发光辐射。这已经表明存在一种吸引人的可能性：光合作用在深海热液口环境下可能也有进化的基础。
近年来人们发现：水与岩石之间的相互作用产生的可用能量能够使地下深环境中的生物茁壮成长。尽管许多地下生物体利用地面生物光合作用产生的“向下过滤”的有机化合物生存，但是一些物种仍能够从纯无机环境中(由地下水与岩石之间简单的风化反应产生的)制造自己的有机分子。
极端环境下的生物
如今已知：微生物物种几乎占据pH值的全部范围，从1.4(极端酸性)到13.5(极端碱性)都有。生物也能在极端温度下生长，其中一些物种可以在高达114℃(如意大利武尔卡诺火山的热泉与深海热液口)的环境下生长，而另外一些物种可以在低至-15℃(如西伯利亚永冻土中的岩盐膜)的情况下生存。生物同样也占了盐度很宽的范围，从淡水到析出盐的氯化钠饱和环境(盐度大约达300％)都能生长。
除适应环境之外，一些微生物物种有寿命显著延长的迹象。即使在地球上最干燥的沙漠里，一些物种通过生活在多孔岩石之内也能生存下来。在多孔岩石之内，它们能够找到一个紫外线辐射照不到的安全区。只有当能够获得其生长所需的水时，它们才会突然活跃起来。微生物已经与西伯利亚永冻土隔绝，在这里，它们已经在深冷冻土中待了大约300万年。细菌已经从有3000万年历史的孢子中发育出来，而这些孢子仍为琥珀色。嗜盐微生物也已经从具有亿万年历史的岩盐中栽培出来。
探索地球外生命
在探索地球外生命中应该特别重视的是，为太阳系中其他地方的生命寻找可能的生存环境。例如，现在我们必须考虑在火星或木星卫星——木卫二上可能存在一个地下生物界。
火星的地下水范围可能很广，位于地表以下几千米。最近的探测发现，火星表面的小河槽是由地面渗流所致，更能上述说法提供了佐证。如果能证明液态水是形成这些地貌的原因，则火星上存在生物的可能性将显著增加。
地表液态水在火星表面也许已经存在了几亿年，早在行星出现之初就有了。如果在此类似地球期的火星上发展出了地面生物，则它很可能将地球化石的最高纪录远远地抛在后面。
我们都知道，冷却是保护生物体的一种有效方式。卡尔·萨根首次提出：今天，火星上早期生长的微生物仍然以永久冻结状态存在，保存在地下冰中。
木星的卫星木卫二的情况也一样吗?实施“伽利略”计划期间获得的有关木卫二磁场的测量结果。已经夯实了在水冰外壳之下存在一个咸海的观点。从上到下的水井可以运送生物体及其产物，这似乎很合情合理。这些物体最后将被冰冻起来，并保留在地面上或地面附近寒冷的冰中。
结论
有一件事情似乎是清楚的：在地球上，生命实际上占据了各个可想象的自然环境，在此自然环境中，液态水、能源以及基本的营养物同时存在。在其他星球上情况是否是这样，是当今太空生物学面对的首要问题之一。尽管我们能够有效利用已经学到的关于地球生命的知识，但是对关于地球外生命的这个问题仍然需要做进一步研究。这也许就是天体生物科学最令人注目的方面，也是我们度量我们取得进步所依据的一个标准。