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天体生物学提出了如何定义生命的难题。换言之，我们要在地球之外寻找的究竟是什么？一个常见的办法是列举出生命的特征：繁殖、生长、通过新陈代谢来利用能量、对环境的应激、演化性适应，以及细胞层次上与解剖学上的有序结构。但是出于以下原因，这种定义生命的方式并不能令人满意。首先，枚举只是描述了生命是怎样的，而不能说明生命是什么。其次，这些特征大部分并不是生命所特有的。生命有结构秩序，例如细胞，但是盐晶体也是有序结构。我的一些朋友没有孩子，但是他们毋庸置疑是活的—我想这对于不生育的狮虎兽也是一样的道理。生长发育适用于生物体，但同样适用于蔓延的火。
所有的生命都通过新陈代谢获得能量，不过我的车也一样。生命对周围环境有所响应，然而水银温度计也可以。
还有一些科学家试图用 热力学 ，即热和能量及它们与物质的关系来定义生命。他们认为，生命的本质是通过由新陈代谢的废物和热量产生的 熵 来维持一种稳定结构，比如细胞和遗传物质。
在这里需要对熵这个术语做一些澄清。一些不考究的教师会用一个简单但具有误导性的词语“混乱度”来称呼它。熵并不是“混乱度”，而是对粒子间能量分布的精准度量—无论是原子还是分子。能量在空间上是分散的，因此一同运动的一组粒子的能量，也被称为 相干 能量，是会耗散的。因此，一个弹跳的球最终会因摩擦导致其相干能量转化为分子与原子的不相干热运动而最终停下来。相对地，一个静止的球永远不会像活物那样自发地开始弹跳，因为即使下面的地板中存在足够的热能，这个能量也是不可用的，并分散在地板原子的随机振动中。这种现象受控于热力学第二定律，即宇宙中的熵永远不会减少。熵增（或能量的分散）不改变能量的总量，却影响能量的品质。高品质的能量集中而不分散，就像聚集在一桶油中的原子核，或者像频率高、波长短的光子一样。这种光子包括可以晒伤人的紫外光和为植物生命活动供能的可见光。在物理学中，这种高品质的能量有着较低的熵。
将熵与生命联系起来的物理学家中，最著名的莫过于诺贝尔奖得主欧文·薛定谔（1887—1961）。他在《生命是什么》中曾谈道，一个生命体“倾向于接近熵最大的危险状态，也就是死亡。它只能从环境中不断获取负熵来远离这种状态，即活着……事实上，就高等动物而言，我们非常了解它们何以保持生存的秩序，即进食那些复杂程度不一但物质极度有序的有机物。在被利用完之后这些物质将回到充分分解的形式”。遗憾的是，薛定谔引入了科学中并不存在的概念“负熵”来描述食物的有序结构。此外，在一些生物体的生长过程中，熵的增加主要来自产热而非食物降解成代谢废物。被认为是20世纪最伟大化学家的莱纳斯·鲍林（1901—1994）曾直言不讳地评价：“［对于我们对生命的理解，薛定谔］没有做出丝毫贡献……他将‘负熵’的概念与生命相关联的说法反而起了消极作用。”
尽管如此，宇宙中不断增长的熵的一个不寻常的副产品就是演化出有序、低熵结构，比如说生命体。事实上，最有效的熵增过程是由所谓 耗散结构 实现的。它是一个由大量 耗散 能量的粒子形成的相干 结构 。一个简单的例子是沸水中的对流现象，即热水的抬升伴随着边缘冷却水的下沉。这种对流单体有助于能量分散，从而比没有它时更有效地增加熵。所有活的生命体都是复杂的耗散结构。然而，到目前为止，使用热力学来定义生命的尝试都无法明确地区分生命与非生命。比如，作家埃里克·施耐德曾把生命定义为“通过产生环境熵以维持局部有序的、远离平衡状态的耗散结构”。但是，一团火也能满足这个定义。
抛开鲍林的批评不谈，薛定谔正确地指出，有机体必须运行一种类似于计算机程序的机制，这就是我们现在所称的 基因组 。确实，无论是何处的生命都可能必须拥有一套基因组。这里所说的 基因组 是指会有微小复制错误的遗传蓝图，使得生物体能够从其祖先演化而来并决定了生命的其他特征，例如新陈代谢。对个体特征选择导致的连续世代种群所发生的变化，即 演化 ，也发挥了非常重要的作用，因为它是唯一能解释生物多样性和上述诸多生命特征之由来的过程。在达尔文的自然选择理论中，种群中个体的遗传变异意味着一些个体的适应能力强于其他个体，从而在繁殖上更加成功。自然选择会偏好能留下更多后代的基因，因此生物谱系不断积累遗传适应性。
考虑到演化的中心地位，天体生物学家通常把生命定义为“可以自我维持的、能够进行达尔文演化的化学系统”。很可惜，这个定义并不能帮助我们设计实验来寻找生命。难道我们一定要等到演化发生后才能检测出生命吗？一个更好的定义要用到过去时：“生命是可以自我维持的、包含基因组的化学系统，并且 已经 通过演化获得了其现有特性。”迄今为止，所有搭载在航天器上的生命探测仪器都没有设计成用来探测潜在地外生命的基因组成。例如，20世纪70年代，NASA曾发射“海盗号”着陆器寻找火星生命，主要的设计目标是在火星土壤中识别类似于地球微生物的新陈代谢现象（详见第六章）。
哲学家卡罗尔·克莱兰和科学家克里斯托弗·希巴曾经指出，我们现在定义生命的尝试很像17世纪一些科学家试图定义水。那时，水被认为是无色无味的液体，在一定温度下沸腾和结冰。没有原子理论，没人知道水是一些分子的集合，每个水分子都由两个氢原子和一个氧原子组成。这样想来，也许我们目前还缺乏定义生命所需要的生命系统理论。
我们在定义生命的过程中所遇到的许多问题都可以归结为：我们只有地球生命这一个例子。所有地球上的生物体都以核酸作为遗传物质，用蛋白质调控生化反应速率，依靠相同的含磷分子储存能量。无论是一个细菌还是一头蓝鲸，它们的基础生物化学组成都是一样的。因此，我们很难分清地球生命的哪些属性是其特有的，哪些又是“生命”所普遍适用的。如果我们真的在地球之外发现了生命，那天体生物学可以帮助我们解开这个谜题。