麻省理工：生命可以在100%的纯氢中生存，寻找外星生命更容易了！

随着更强大的新望远镜在未来将闪耀登场，天文学家们将能够将巨型望远镜对准附近的系外行星，窥视它们的大气层，以破译它们的组成，并寻找外星生命的迹象。但想象一下，如果在搜索中，确实发现了外星生物，但没有认出它们是真实的生命，这该怎么破？这便是像麻省理工学院1941届行星科学、物理学和航空航天教授、天文学家萨拉·西格尔等科学家希望避免的事情。

西格尔等天文学家正在超越“以陆地为中心”的生命观点，撒下更大的网，寻找除了地球之外的哪些环境实际上可能适合居住。在现在发表在《自然天文学》期刊上的一项研究中，研究人员在实验室研究中观察到，微生物可以在以氢为主导的大气中生存并茁壮成长，这是一个与地球富含氮气和氧气大气截然不同的环境。氢是一种比氮或氧轻得多的气体，富含氢的大气层会延伸到离岩石行星更远的地方。

因此，与拥有更致密、类似地球大气层的行星相比，它可以更容易地被强大的望远镜发现和研究。研究结果显示，简单形式的生命，可能居住在富含氢大气的行星上，这表明美国宇航局（NASA）詹姆斯·韦伯太空望远镜等下一代望远镜开始运行，天文学家可能会希望首先寻找以氢为主的系外行星，以寻找生命迹象。西格尔说：那里有各种各样的宜居世界，我们已经证实，地球上的生命可以在富含氢气的大气层中生存。

不断演变的大气

当想到其他星球上的生命，并真的试图找到它时，我们绝对应该把这些类型的行星添加到选项菜单中。在数十亿年前的早期地球，大气看起来与我们今天呼吸的空气有很大不同。这颗幼小的行星还没有氧气，它由一大堆气体组成，包括二氧化碳、甲烷和非常少量的氢。氢气可能在大气中徘徊了数十亿年，直到所谓的大氧化事件和氧气的逐渐积累。

今天剩下的少量氢气，被某些古老的微生物品系消耗，包括产甲烷菌（生活在极端气候中的生物），如冰下深处或沙漠土壤中的微生物，并与二氧化碳一起吞噬氢气来生产甲烷。科学家们经常研究在实验室条件下生长含80%氢气的产甲烷菌活性，但很少有研究探讨其他微生物对富氢环境的耐受性。而西格尔团队则想要证明生命可以在氢气大气中生存和生长。

在100%纯氢中生存

研究小组实验室研究了两种微生物在100%氢气环境中的生存能力，选择的生物体是大肠杆菌（一种简单的原核生物）和酵母（一种更复杂的真核生物），它们都没有在氢气主导，甚至纯氢的环境中被研究过。这两种微生物都是科学家们长期研究和表征的标准模式生物，这有助于研究人员设计他们的实验并理解其研究结果。更重要的是，大肠杆菌和酵母菌可以在有氧和无氧的情况下生存。

这对研究人员来说是一个好处，因为可以在将它们转移到富氢环境之前，在露天准备实验。在实验中，研究人员分别培养酵母和大肠杆菌的培养物，然后将培养物与微生物一起注入到单独的瓶子里，瓶子里装满了微生物可以赖以生存的“肉汤”或营养丰富的培养物。然后把瓶子里富含氧气的空气排出，用某种想要被研究的气体填充剩余“顶空”，比如100%的氢气。然后将瓶子放入孵化器中，在那里轻轻地、持续地摇晃，以促进微生物和营养素之间的混合。

每小时，一名团队成员从每个瓶子中收集样本，并对活微生物进行计数，研究继续采样长达80小时。其研究结果代表了一条经典的生长曲线：在试验开始时，微生物数量迅速增长，以营养物质为食，并在培养物中大量繁殖，最终微生物的数量趋于平稳。随着新的微生物继续增长，取代那些死亡的微生物，种群仍然蓬勃发展，是稳定的。研究人员表示：生物学家并不觉得这一结果令人惊讶，毕竟，氢是一种生理性惰性气体，因此对生物体本身没有毒性。

这不像是用毒药填满了空间，但眼见为实，如果没有人在氢气占主导地位的环境中研究过它们，特别是真核生物，你会愿意做实验来相信它吗？该实验并不是为了证明微生物是否可以依赖氢气，相反，重点更多的是证明100%氢气大气，不会伤害或杀死某些形式的生命。天文学家基本上没有想到氢环境中会有生命存在，研究人员希望这项研究将鼓励天文学家和生物学家之间的交流，特别是在寻找宜居行星和地外生命的过程中。

一个氢气世界

天文学家不能用今天可用的工具，研究小型多岩石系外行星的大气层，研究过的少数几颗附近岩石行星要么没有大气层，要么可能太小了，用目前可用的望远镜无法探测到。虽然科学家们假设行星应该拥有富含氢的大气层，但目前没有一台工作的望远镜能够分辨出。但是，如果新一代天文台确实有能力和技术可以发现这种以氢为主的类地系外行星世界，其研究结果表明：生命有可能在其中茁壮成长。

至于一个多岩石行星富含氢气的星球会是什么样子，研究人员想出了一个与地球最高峰珠穆朗玛峰，试图徒步登顶的徒步旅行者空气耗尽，这是因为所有大气的密度随着高度呈指数下降，而且是基于地球以氮和氧为主的大气下降距离。如果徒步旅行者在氢气占主导地位的大气中攀登珠穆朗玛峰，她将能够在空气耗尽之前攀登到更高的高度。这很难让你的脑袋转过来，理解上述的事情，但那些轻质气体只会让大气层更加“膨胀”。

对于望远镜来说，与行星恒星的背景相比，大气越大，就越容易探测到。如果科学家有机会对这样一个富含氢的行星进行采样，可能会发现一个与地球不同，但并不是无法辨认的表面。设想，如果你向下钻到地表，它可能会有富含氢的矿物，而不是地球被氧化的矿物，还有海洋，因为基于地球，我们认为所有的生命都需要某种液体（水），你可能仍然可以看到蓝天。目前研究人员，还没有考虑到氢主导的整个生态系统，但它不一定非得是一个不同的世界。

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博科园｜研究/来自：麻省理工学院

研究发表期刊《自然天文学》

DOI：10.1038 / s41550-020-1069-4

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