隨著更強大的新望遠鏡在未來將閃耀登場，天文學家們將能夠將巨型望遠鏡對準附近的系外行星，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，確實發(fā)現(xiàn)了外星生物，但沒有認出它們是真實的生命，這該怎么破？這便是像麻省理工學院1941屆行星科學、物理學和航空航天教授、天文學家薩拉·西格爾等科學家希望避免的事情。
西格爾等天文學家正在超越“以陸地為中心”的生命觀點，撒下更大的網，尋找除了地球之外的哪些環(huán)境實際上可能適合居住。在現(xiàn)在發(fā)表在《自然天文學》期刊上的一項研究中，研究人員在實驗室研究中觀察到，微生物可以在以氫為主導的大氣中生存并茁壯成長，這是一個與地球富含氮氣和氧氣大氣截然不同的環(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大的望遠鏡發(fā)現(xiàn)和研究。研究結果顯示，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·韋伯太空望遠鏡等下一代望遠鏡開始運行，天文學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，我們已經證實，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
當想到其他星球上的生命，并真的試圖找到它時，我們絕對應該把這些類型的行星添加到選項菜單中。在數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甲烷?？茖W家們經常研究在實驗室條件下生長含80%氫氣的產甲烷菌活性，但很少有研究探討其他微生物對富氫環(huán)境的耐受性。而西格爾團隊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
研究小組實驗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（一種更復雜的真核生物），它們都沒有在氫氣主導，甚至純氫的環(huán)境中被研究過。這兩種微生物都是科學家們長期研究和表征的標準模式生物，這有助于研究人員設計他們的實驗并理解其研究結果。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，因為可以在將它們轉移到富氫環(huán)境之前，在露天準備實驗。在實驗中，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)地搖晃，以促進微生物和營養(yǎng)素之間的混合。
每小時，一名團隊成員從每個瓶子中收集樣本，并對活微生物進行計數，研究繼續(xù)采樣長達80小時。其研究結果代表了一條經典的生長曲線：在試驗開始時，微生物數量迅速增長，以營養(yǎng)物質為食，并在培養(yǎng)物中大量繁殖，最終微生物的數量趨于平穩(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：生物學家并不覺得這一結果令人驚訝，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，如果沒有人在氫氣占主導地位的環(huán)境中研究過它們，特別是真核生物，你會愿意做實驗來相信它嗎？該實驗并不是為了證明微生物是否可以依賴氫氣，相反，重點更多的是證明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，研究人員希望這項研究將鼓勵天文學家和生物學家之間的交流，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，用目前可用的望遠鏡無法探測到。雖然科學家們假設行星應該擁有富含氫的大氣層，但目前沒有一臺工作的望遠鏡能夠分辨出。但是，如果新一代天文臺確實有能力和技術可以發(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，試圖徒步登頂的徒步旅行者空氣耗盡，這是因為所有大氣的密度隨著高度呈指數下降，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過來，理解上述的事情，但那些輕質氣體只會讓大氣層更加“膨脹”。
對于望遠鏡來說，與行星恒星的背景相比，大氣越大，就越容易探測到。如果科學家有機會對這樣一個富含氫的行星進行采樣，可能會發(fā)現(xiàn)一個與地球不同，但并不是無法辨認的表面。設想，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，因為基于地球，我們認為所有的生命都需要某種液體（水），你可能仍然可以看到藍天。目前研究人員，還沒有考慮到氫主導的整個生態(tài)系統(tǒng)，但它不一定非得是一個不同的世界。
博科園｜研究/來自：麻省理工學院
研究發(fā)表期刊《自然天文學》
DOI：10.1038 / s41550-020-1069-4
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