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尽管天体生物学的概念在20世纪90年代才问世，关于我们在宇宙中是否孤独的思考却可以追溯到几千年以前。约公元前600年，西方哲学之父泰勒斯已经开始赞同生命的 多世界论 的观点。后来，希腊原子论学派（认为物质是由不可再分的原子构成的）的拥趸，从留基伯到德谟克里特和伊壁鸠鲁，也支持这种“多元主义”。约公元前400年，德谟克里特的追随者迈特罗多鲁斯曾写道：“在一望无垠的宇宙中只有一个拥有生命的世界，好比在一片辽阔的原野上只有一株小麦—多么反常而不自然啊！”不过，将古代哲学家的多元主义直接等同于现代设想的火星或者系外行星上存在生命可能并不正确。迈特罗多鲁斯全然不知天上的星星只不过是极远的类似于太阳的物体，而认为它们是由地球大气层中的水汽造成的日常现象。原子论学者们想象中的生命世界存在于一个抽象空间中，与现代的平行宇宙观点很类似。与这些相反，柏拉图（公元前427—前347）和亚里士多德（公元前384—前322）认为地球是唯一有生命的天体且居于宇宙中心，这一观点最终还是占了上风并盛行了一千多年。
文艺复兴时期，天文学家们终于证明了地球是围绕太阳运行的。而随着人们逐渐认识到地球也不过是太阳系诸多行星中的一员，很快就出现了对其他行星上存在地外生命的猜测。例如，德国天文学家约翰尼斯·开普勒（1571—1630，提出行星运动三定律）欣然提出其他星球上可能存在生命的观点。随后，在17世纪末，丹麦天文学家克里斯蒂安·惠更斯（1629—1695）在他的著作《被发现的天上的世界》（1968）中想象太阳系 之外 的生命：“那无数恒星周围环绕着的所有行星啊—它们一定也有自己的植物和动物，不仅如此，还会有智慧生物！”彼时，地外生命论一度非常流行，以至于哲学家伊曼努尔·康德（1724—1804）在1755年写过聪慧的木星人和多情的金星人。
与之相对立的是，一些学者囿于宗教认识，仍然坚持认为地球是独一无二的。一个例子就是剑桥大学的威廉·休厄尔（1794—1866），他在《论世界的多样性》一书中反对其他行星上有生命的观点。从某种程度上来说，这是现代 “稀有地球”假说 的先驱。我们将在第八章讨论这一假说。
到了19世纪末，地球外是否有生命的问题已经被视为一个纯粹的科学问题，但科学研究很快走进了死胡同。乔范尼·夏帕雷利（1835—1910）和帕西瓦尔·罗威尔（1855—1916）通过天文望远镜观测了火星表面，这大大激发了人们对火星上可能存在智慧生命的兴趣。遗憾的是，罗威尔所看到的火星运河，只不过是由于心理因素将模糊图像中的小点连起来而造成的错觉，而他关于火星文明的想法也都仅仅是幻想。随着天文学家更多地开始使用诸如行星光谱分析等更精细的观测技术，大家越来越清晰地认识到，太阳系中许多行星上的物理条件可能并不利于生命存活。局势开始不可避免地向相反的方向发展—到20世纪中叶几乎没有天文学家对行星感兴趣了。这一旧时的好奇心直到太空时代到来才被重新点燃。
尽管天体生物学研究的基本问题有悠久的历史，但是“天体生物学”这一专业术语一直都是偶尔现身，直到20世纪90年代才开始变得常见。1941年，纽约市立大学布鲁克林学院的哲学家劳伦斯·拉弗勒的一篇题为《天体生物学》的短文对该词的解释比现代的诠释狭隘一些，仅仅考虑了地球之外的生命。1955年，加利福尼亚大学伯克利分校的天文学家奥托·斯特鲁维也将“天体生物学”描述为对地外生命的搜寻。而俄罗斯天体物理学家加夫里尔·季科夫（1875—1960）和德国天文学家约阿希姆·赫尔曼则分别于1953年和1974年出版了名为《天体生物学》的书，涵盖了当时关于地外生命的流行观点。
现代意义上的“天体生物学”一词是由韦斯利·亨特里斯于1995年在位于华盛顿特区的NASA总部首次使用的。当时，NASA的科学家们认为，对生命进行从微生物到宇宙尺度的研究是理解宇宙中生命的必由之路。亨特里斯出于这一愿景而喜欢上 天体生物学 一词，并最终敲定这一术语。
实际上，天体生物学确实是 太空生物学 的重塑与扩展，而太空生物学研究可以追溯到几十年前。1960年，乔舒亚·莱德伯格（1925—2008）首次使用了这个词，指“地球之外生命的演化”。莱德伯格—因在细菌遗传学方面的发现而荣获诺贝尔奖—认为寻找生命是太空探索必不可少的一部分。随后，从20世纪60年代开始，NASA遵循了莱德伯格的建议，为太空生物学研究提供资金支持。但是，批评太空生物学的声音也随之而出现。例如，1964年，哈佛大学的生物学家乔治·盖洛德·辛普森曾讥讽道：“这门所谓的‘科学’甚至尚未证实其研究对象是存在的！”
现代的天体生物学则无须担忧如何回应辛普森的指责了，因为它的核心内容涵盖了对地球上生命的起源与演化的研究。天体生物学同样强调作为生命存在环境的行星的起源与演化，因此相比于太空生物学，天体生物学更加明确地涉及了天文学家们的研究。
太空生物学并不是唯一一个与天体生物学相近的术语。自1982年开始，天文学家已经正式使用 生命天文学 这一术语，指天文学研究中涉及地外生命搜寻的部分。更早些时候，德斯蒙德·J.贝尔纳（1901—1971，著名爱尔兰裔英国物理化学家）曾青睐 宇宙生物学 。不过，它们都未曾被广泛使用。