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麻省理工學(xué)院系外行星天文學(xué)家 Sara Seager 如是說道。
水和氧氣，是生命生存的條件，也是一直以來天文學(xué)家判斷系外行星是否存在生命的依據(jù)之一。但近日，來自麻省理工學(xué)院地球大氣與行星系、物理系、航空航天系、化學(xué)系的一組研究人員卻發(fā)現(xiàn)，一些微生物能在 100% 純氫氣的環(huán)境中生存繁衍！
當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 5 月 4 日， 該團隊題為 Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres（在以氫氣為主的系外行星大氣中生命生存能力的實驗室研究）的論文在線發(fā)表于《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志。
歷史上，天文學(xué)家傾向于相信太陽系外存在其它行星，直到 1990 年代，人類終于首次確認了系外行星的存在。
【NASA 斯皮策太空望遠鏡首次直接觀測到系外行星】
此后，天文學(xué)家對系外行星的研究重心之一便是探究系外行星之中是否存在生命。
為探究系外行星上是否有生命存在，分析其大氣的成分至關(guān)重要。
雷鋒網(wǎng)了解到，巖質(zhì)系外行星由富含鐵的原始物質(zhì)（如球粒隕石）和水冰堆積而成。那么，該團隊認為，在行星形成的過程中，水、鐵發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，將其釋放到大氣層中，也不是不可能。
在化學(xué)課上，我們都曾學(xué)過，氫氣是世界上已知的密度最小的氣體——在 1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和 0℃ 的條件下，氫氣的密度為 0.089g/L，其密度只有空氣的 1/14。也正是因為密度，地球早期大氣層中的氫氣含量很少，比 90 億年前少了 1000 倍。如今地球上產(chǎn)生的氫氣主要是被微生物消耗、在大氣中被氧化或是消失在太空中。
因此，理論上以氫氣為主或由 100% 氫氣組成的行星大氣層最多可比地球的大氣層厚 14 倍，這樣天文學(xué)家探測、觀察起來也將十分容易。
那么，如果有朝一日真的探測到了這樣的系外行星，我們能發(fā)現(xiàn)生命嗎？
抱著這個問題，團隊提出了一個大膽的猜想：以氫氣主導(dǎo)的環(huán)境中可以存在生命。
有了假設(shè)，實驗便開始了。
該團隊設(shè)計了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由具有 30ml 培養(yǎng)基（用于大腸桿菌和酵母細胞培養(yǎng)生長培養(yǎng)基的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基）和頂部空間為 126ml 的小硼硅酸鹽瓶組成。
研究團隊把大腸桿菌和酵母放在瓶子里，瓶子里分別裝有純氫氣、純氦氣，以及 20% 二氧化碳和 80% 氮氣的混合物（100% H2、100% He、20% CO2+80% N2），進行厭氧實驗（另外還有一個瓶子作為對照，裝了空氣）。
研究團隊將瓶子置于 28 °C 的培養(yǎng)箱搖動器中，利用精準(zhǔn)的氧氣傳感器進行連續(xù)測量，保證氣體濃度穩(wěn)定、培養(yǎng)物保持缺氧狀態(tài)。
同時，通過特殊的照相機連續(xù)監(jiān)測，快速評估細胞培養(yǎng)物的濁度；周期性地對培養(yǎng)物取樣，評估培養(yǎng)物的生長情況。這里主要包括兩個指標(biāo)——大腸桿菌的光密度（OD，optical density）和酵母的血細胞計數(shù)。
上圖是大腸桿菌的光密度，表明高濃度的純氫氣和其他氣體不損害大腸桿菌的存活和細胞分裂。其中黑色、藍色、紅色、綠色曲線分別代表空氣、純氦氣、純氫氣、20% 二氧化碳和 80% 氮氣的混合物。
上圖是酵母的血細胞計數(shù)，同樣表明高濃度的純氫氣和其他氣體不損害酵母的存活和細胞分裂。黑色、藍色、紅色、綠色曲線分別代表空氣、純氦氣、純氫氣、20% 二氧化碳和 80% 氮氣的混合物。
不難看出，上述微生物在空氣中生存、繁衍的態(tài)勢最佳，但同時，它們也能在 100% 氫氣的環(huán)境下生存、繁殖。
此外，該團隊還根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，在論文中展示了大腸桿菌產(chǎn)生的氣體的光譜特征，上圖便是吸光度與波長的關(guān)系。
其中，研究人員仍然無法確定光譜特征圖中的甲烷 CH4 和磷化氫 PH3 是由大腸桿菌產(chǎn)生的，另外很多光譜特征也難以區(qū)分。
實際上，這一光譜也有著重要意義——在富含氫氣的系外行星大氣層中，上述很多氣體可以作為可探測的生物標(biāo)記，比如二甲基硫醚 C2H6S（圖中的 DMS），這在某種程度上也能增加天文學(xué)家在系外行星識別到生命跡象的機會。
對此，NASA 太空生物學(xué)家 Giada Arney 表示：
大腸桿菌是如此簡單的一種生物，但卻會產(chǎn)生令人難以置信的氣體。了解生命可以產(chǎn)生哪些氣體，是確定系外行星上可能的生物標(biāo)記的第一步。
可見，這項研究對于探索系外行星上的生命而言，具有特別的意義。不過華盛頓大學(xué)天體生物學(xué)家 John Baross 也認為：
僅僅尋找富含氫的大氣層是不夠的。生命要想生存，還需要其他一些物質(zhì)，就像實驗中瓶子里的培養(yǎng)基，比如能與巖石表面交換化學(xué)物質(zhì)的液態(tài)水。
將富含氫氣的行星加入到對地外生命的探索區(qū)間之中，無疑是在另辟蹊徑。也許，跳脫固有思維，我們能更快地證明，在浩渺宇宙中，地球不是一顆孤獨星球。
引用來源：
[1]https://www.nature.com/articles/s41550-020-1069-4
[2]https://www.sciencenews.org/article/planets-hydrogen-rich-atmosphere-alien-life
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/hj04IwcOunFCpiH1tXvfaw
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