麻省理工：生命可以在100%的純氫中生存，尋找外星生命更容易了！

隨著更強(qiáng)大的新望遠(yuǎn)鏡在未來將閃耀登場，天文學(xué)家們將能夠?qū)⒕扌屯h(yuǎn)鏡對準(zhǔn)附近的系外行星，窺視它們的大氣層，以破譯它們的組成，并尋找外星生命的跡象。但想象一下，如果在搜索中，確實(shí)發(fā)現(xiàn)了外星生物，但沒有認(rèn)出它們是真實(shí)的生命，這該怎么破？這便是像麻省理工學(xué)院1941屆行星科學(xué)、物理學(xué)和航空航天教授、天文學(xué)家薩拉·西格爾等科學(xué)家希望避免的事情。

西格爾等天文學(xué)家正在超越“以陸地為中心”的生命觀點(diǎn)，撒下更大的網(wǎng)，尋找除了地球之外的哪些環(huán)境實(shí)際上可能適合居住。在現(xiàn)在發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊上的一項(xiàng)研究中，研究人員在實(shí)驗(yàn)室研究中觀察到，微生物可以在以氫為主導(dǎo)的大氣中生存并茁壯成長，這是一個與地球富含氮?dú)夂脱鯕獯髿饨厝徊煌沫h(huán)境。氫是一種比氮或氧輕得多的氣體，富含氫的大氣層會延伸到離巖石行星更遠(yuǎn)的地方。

因此，與擁有更致密、類似地球大氣層的行星相比，它可以更容易地被強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)和研究。研究結(jié)果顯示，簡單形式的生命，可能居住在富含氫大氣的行星上，這表明美國宇航局（NASA）詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等下一代望遠(yuǎn)鏡開始運(yùn)行，天文學(xué)家可能會希望首先尋找以氫為主的系外行星，以尋找生命跡象。西格爾說：那里有各種各樣的宜居世界，我們已經(jīng)證實(shí)，地球上的生命可以在富含氫氣的大氣層中生存。

不斷演變的大氣

當(dāng)想到其他星球上的生命，并真的試圖找到它時，我們絕對應(yīng)該把這些類型的行星添加到選項(xiàng)菜單中。在數(shù)十億年前的早期地球，大氣看起來與我們今天呼吸的空氣有很大不同。這顆幼小的行星還沒有氧氣，它由一大堆氣體組成，包括二氧化碳、甲烷和非常少量的氫。氫氣可能在大氣中徘徊了數(shù)十億年，直到所謂的大氧化事件和氧氣的逐漸積累。

今天剩下的少量氫氣，被某些古老的微生物品系消耗，包括產(chǎn)甲烷菌（生活在極端氣候中的生物），如冰下深處或沙漠土壤中的微生物，并與二氧化碳一起吞噬氫氣來生產(chǎn)甲烷?？茖W(xué)家們經(jīng)常研究在實(shí)驗(yàn)室條件下生長含80%氫氣的產(chǎn)甲烷菌活性，但很少有研究探討其他微生物對富氫環(huán)境的耐受性。而西格爾團(tuán)隊(duì)則想要證明生命可以在氫氣大氣中生存和生長。

在100%純氫中生存

研究小組實(shí)驗(yàn)室研究了兩種微生物在100%氫氣環(huán)境中的生存能力，選擇的生物體是大腸桿菌（一種簡單的原核生物）和酵母（一種更復(fù)雜的真核生物），它們都沒有在氫氣主導(dǎo)，甚至純氫的環(huán)境中被研究過。這兩種微生物都是科學(xué)家們長期研究和表征的標(biāo)準(zhǔn)模式生物，這有助于研究人員設(shè)計他們的實(shí)驗(yàn)并理解其研究結(jié)果。更重要的是，大腸桿菌和酵母菌可以在有氧和無氧的情況下生存。

這對研究人員來說是一個好處，因?yàn)榭梢栽趯⑺鼈冝D(zhuǎn)移到富氫環(huán)境之前，在露天準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員分別培養(yǎng)酵母和大腸桿菌的培養(yǎng)物，然后將培養(yǎng)物與微生物一起注入到單獨(dú)的瓶子里，瓶子里裝滿了微生物可以賴以生存的“肉湯”或營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)物。然后把瓶子里富含氧氣的空氣排出，用某種想要被研究的氣體填充剩余“頂空”，比如100%的氫氣。然后將瓶子放入孵化器中，在那里輕輕地、持續(xù)地?fù)u晃，以促進(jìn)微生物和營養(yǎng)素之間的混合。

每小時，一名團(tuán)隊(duì)成員從每個瓶子中收集樣本，并對活微生物進(jìn)行計數(shù)，研究繼續(xù)采樣長達(dá)80小時。其研究結(jié)果代表了一條經(jīng)典的生長曲線：在試驗(yàn)開始時，微生物數(shù)量迅速增長，以營養(yǎng)物質(zhì)為食，并在培養(yǎng)物中大量繁殖，最終微生物的數(shù)量趨于平穩(wěn)。隨著新的微生物繼續(xù)增長，取代那些死亡的微生物，種群仍然蓬勃發(fā)展，是穩(wěn)定的。研究人員表示：生物學(xué)家并不覺得這一結(jié)果令人驚訝，畢竟，氫是一種生理性惰性氣體，因此對生物體本身沒有毒性。

這不像是用毒藥填滿了空間，但眼見為實(shí)，如果沒有人在氫氣占主導(dǎo)地位的環(huán)境中研究過它們，特別是真核生物，你會愿意做實(shí)驗(yàn)來相信它嗎？該實(shí)驗(yàn)并不是為了證明微生物是否可以依賴氫氣，相反，重點(diǎn)更多的是證明100%氫氣大氣，不會傷害或殺死某些形式的生命。天文學(xué)家基本上沒有想到氫環(huán)境中會有生命存在，研究人員希望這項(xiàng)研究將鼓勵天文學(xué)家和生物學(xué)家之間的交流，特別是在尋找宜居行星和地外生命的過程中。

一個氫氣世界

天文學(xué)家不能用今天可用的工具，研究小型多巖石系外行星的大氣層，研究過的少數(shù)幾顆附近巖石行星要么沒有大氣層，要么可能太小了，用目前可用的望遠(yuǎn)鏡無法探測到。雖然科學(xué)家們假設(shè)行星應(yīng)該擁有富含氫的大氣層，但目前沒有一臺工作的望遠(yuǎn)鏡能夠分辨出。但是，如果新一代天文臺確實(shí)有能力和技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)這種以氫為主的類地系外行星世界，其研究結(jié)果表明：生命有可能在其中茁壯成長。

至于一個多巖石行星富含氫氣的星球會是什么樣子，研究人員想出了一個與地球最高峰珠穆朗瑪峰，試圖徒步登頂?shù)耐讲铰眯姓呖諝夂谋M，這是因?yàn)樗写髿獾拿芏入S著高度呈指數(shù)下降，而且是基于地球以氮和氧為主的大氣下降距離。如果徒步旅行者在氫氣占主導(dǎo)地位的大氣中攀登珠穆朗瑪峰，她將能夠在空氣耗盡之前攀登到更高的高度。這很難讓你的腦袋轉(zhuǎn)過來，理解上述的事情，但那些輕質(zhì)氣體只會讓大氣層更加“膨脹”。

對于望遠(yuǎn)鏡來說，與行星恒星的背景相比，大氣越大，就越容易探測到。如果科學(xué)家有機(jī)會對這樣一個富含氫的行星進(jìn)行采樣，可能會發(fā)現(xiàn)一個與地球不同，但并不是無法辨認(rèn)的表面。設(shè)想，如果你向下鉆到地表，它可能會有富含氫的礦物，而不是地球被氧化的礦物，還有海洋，因?yàn)榛诘厍?，我們認(rèn)為所有的生命都需要某種液體（水），你可能仍然可以看到藍(lán)天。目前研究人員，還沒有考慮到氫主導(dǎo)的整個生態(tài)系統(tǒng)，但它不一定非得是一個不同的世界。

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博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

研究發(fā)表期刊《自然天文學(xué)》

DOI：10.1038 / s41550-020-1069-4

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