在純氫氣里也能活！我們離發(fā)現(xiàn)外星生命又近了一步嗎？

小時(shí)候仰望星空，你是不是也幻想過(guò)外星人的存在？可是，什么樣的環(huán)境才適宜生命存活呢？這樣的環(huán)境，其他星球上有可能出現(xiàn)嗎？

最新的研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)可能性，或許比我們之前認(rèn)為的更容易達(dá)到——比如，在100%氫氣的環(huán)境中，生命也可以存活。

為什么是高氫氣的環(huán)境？

氫是宇宙中最常見(jiàn)的元素，占原子總數(shù)的 90% 以上。雖然在地球的早期大氣中，氫氣所占的比例很少；但科學(xué)家相信，非?？赡艽嬖谟羞@樣的巖質(zhì)系外行星，它們的大氣層是以氫氣為主的。

例如，系外行星上如果含有鐵和水冰，這兩者發(fā)生反應(yīng)將制造出氫氣。而在年輕恒星外圍繞的濃密氣體（也就是“原行星盤(pán)”）中，氫分子也是最經(jīng)典的存在；質(zhì)量更大的系外行星，也可能從這些氣體中捕獲氫氣-氦氣——至于氦，則是宇宙中第二多的元素。

受限制于天文望遠(yuǎn)鏡的性能，觀(guān)測(cè)系外行星的大氣是很難的；目前，我們還無(wú)法找到以氫氣為主的系外行星大氣層。但隨著望遠(yuǎn)鏡的不斷升級(jí)，這越來(lái)越有可能成真。氫氣的分子質(zhì)量較低，相對(duì)于以氮?dú)狻⒍趸紴橹鞯拇髿鈱?，氫氣為主的大氣層范圍很可能更大，檢測(cè)起來(lái)也會(huì)相對(duì)容易。

過(guò)去的研究表明，氫氣本身對(duì)于生命是沒(méi)有毒性的。于是科學(xué)家好奇了起來(lái)：如果有一天，我們真的發(fā)現(xiàn)了某顆擁有以氫氣主導(dǎo)的大氣層的系外行星，那么這顆星球上可能存在生命嗎？

最近，麻省理工大學(xué)的薩拉·西格（Sara Seager）等人在《自然·天文學(xué)》上發(fā)表研究，她們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的答案是——有可能。

在100%氫氣中生長(zhǎng)繁殖

研究者選擇了最常用的大腸桿菌和酵母菌，這兩者都是單細(xì)胞生物。大腸桿菌沒(méi)有細(xì)胞核，是原核生物；酵母菌有細(xì)胞核，則屬于相對(duì)更復(fù)雜的真核生物。

在 28°C 的恒溫環(huán)境下，大腸桿菌和酵母菌分別被放進(jìn)含有四種氣體的瓶子里培養(yǎng)，這四種氣體環(huán)境分別為空氣、100% 的氫氣、100% 的氦氣、20% 的二氧化碳 + 80% 的氮?dú)狻Ｍ瑫r(shí)，為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，研究者用了精密的氧氣探測(cè)儀，持續(xù)監(jiān)測(cè)瓶子里的氧氣濃度，以確定沒(méi)有多余的氧氣混入其中。

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)圖 | 參考資料

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在氫氣濃度達(dá)到 100% 的培養(yǎng)液里，雖然生長(zhǎng)速度有所降低，但大腸桿菌和酵母菌依舊可以存活并繁殖。

和普通空氣中相比，在 100% 氫氣環(huán)境下，大腸桿菌要達(dá)到同樣的細(xì)胞濃度，所需要的時(shí)間延長(zhǎng)了大概一倍；能夠達(dá)到的最高濃度也大約只有 1/3 。大腸桿菌在氦氣里的成長(zhǎng)情況與氫氣中的相似，而在 20% 二氧化碳 + 80% 氮?dú)庵袆t生長(zhǎng)得慢一些，或許是因?yàn)槎趸既芙庠谂囵B(yǎng)液里，把培養(yǎng)液變成了酸性條件，抑制了大腸桿菌的繁殖。

相比之下，酵母菌的生長(zhǎng)受氫氣的影響則更大。生長(zhǎng)在普通空氣里的酵母菌，能夠達(dá)到的最高濃度比氫氣環(huán)境下的高了 300 多倍，達(dá)到數(shù)量峰值的時(shí)間也更短。這樣的生長(zhǎng)速度和細(xì)胞總量，與另外兩種氣體條件中的幾乎一致，大概是因?yàn)榻湍妇纳L(zhǎng)并不會(huì)被稍顯酸性的培養(yǎng)液所影響。

我們離外星生命還有多遠(yuǎn)？

當(dāng)氧氣濃度較低時(shí)，大腸桿菌和酵母都會(huì)轉(zhuǎn)而使用無(wú)氧呼吸——我們平時(shí)所說(shuō)的酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵，也是無(wú)氧呼吸的過(guò)程。無(wú)氧呼吸利用能量的效率比較低，也許是這個(gè)原因，導(dǎo)致了氫氣環(huán)境中大腸桿菌和酵母的繁殖都比正?？諝饫锏穆?/p>

而酵母菌之所以受氫氣影響更明顯，可能是因?yàn)檠鯕鈱?duì)它的生長(zhǎng)更重要。它們需要氧氣來(lái)合成一些物質(zhì)，例如不飽和脂肪酸、固醇、血紅素等。但研究者認(rèn)為，在沒(méi)有氧氣的條件下，有些真核生物也能合成替代物。因而，酵母菌在氫氣中的低生長(zhǎng)速度，或許不能推及到所有的真核生物中。

不過(guò)，實(shí)驗(yàn)并不能模擬出完全一致的太空條件，這也讓研究有了局限性。例如，研究者選取的是 100% 氫氣環(huán)境，然而在實(shí)際的氫氣主導(dǎo)的大氣里，一定還會(huì)有其它的氣體成分。除此之外，研究是在 28°C 的恒溫箱里進(jìn)行的；但是，如果想要維持一個(gè)由氫氣主導(dǎo)的大氣環(huán)境，巖質(zhì)系外行星一定比地球冷得多，或是有著遠(yuǎn)高于地球的重力

盡管如此，這項(xiàng)研究仍然說(shuō)明，以氫氣為主的大氣層不會(huì)損害或殺死某些生命，生命或許可以存活于其中。對(duì)于生命來(lái)說(shuō)，由氫氣主導(dǎo)的大氣環(huán)境是有利而非有害的。在這種還原性氣氛中，一些生命所必需的物質(zhì)（比如核酸和氨基酸），都比在氧化性氣體里更容易合成——這對(duì)于行星表面所形成的生命非常重要。更有趣的是，大腸桿菌和酵母所釋放的一些氣體，被認(rèn)為是非常有可能的生物標(biāo)志，有可能提供生命存在的證據(jù)；在合適的環(huán)境下，這些氣體都可以存在于高氫氣的環(huán)境里。

換句話(huà)說(shuō)，無(wú)論是簡(jiǎn)單的大腸桿菌，還是更為復(fù)雜的酵母菌，都可以存活于純氫氣的環(huán)境。這預(yù)示著，適合于生命存活的系外行星環(huán)境，也許比我們之前所認(rèn)為的要豐富得多。

那么問(wèn)題來(lái)了，我們什么時(shí)候才會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的星球？什么時(shí)候能夠找到外星的生命？又是什么時(shí)候，我們才能搬到外太空去居住呢？

參考文獻(xiàn)

Seager, S., Huang, J., Petkowski, J.J. et al. Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres. Nat Astron(2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1069-4

作者：Hazel

編輯：麥麥

一個(gè)AI

某個(gè)星球上可能也進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)：研究發(fā)現(xiàn)，生命可以在80%氮?dú)?20%氧氣的環(huán)境下存活！

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