研究:在氢元素的世界里,生命可能会存活并茁壮成长

未来几年,随着更强大的新望远镜的出现,天文学家们将能够将这些巨型望远镜瞄准附近的系外行星,观察它们的大气层,以破译它们的成分,并寻找外星生命的迹象。但是想象一下,如果在我们的探索中,我们确实遇到了外星生物,但却没有认出它们是真实的生命。

这是像萨拉·西格尔这样的天文学家希望避免的前景。1941年,西格尔在麻省理工学院(MIT)担任行星科学、物理学和航空航天学的教授。他正在超越“以地球为中心”的生命观,为寻找地球以外可能适合人类居住的环境而展开更广泛的研究。

在今天发表在《自然天文学》杂志上的一篇论文中,她和她的同事们在实验室研究中观察到,微生物可以在以氢为主的大气中生存和繁衍——这种环境与地球上富含氮和氧的大气有很大的不同。

氢是一种比氮或氧轻得多的气体,富含氢的大气会延伸到岩石行星更远的地方。因此,与有着更紧密的类似地球的大气层的行星相比,它更容易被强大的望远镜发现和研究。

西格尔的研究结果表明,简单形式的生命可能居住在大气中富含氢的行星上,这表明,一旦下一代望远镜(如美国国家航空航天局(NASA)的詹姆斯韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope))开始运作,天文学家们可能想要首先寻找以氢为主的系外行星,以寻找生命的迹象。

西格尔说:“外面有各种各样的宜居星球,我们已经证实,地球上的生命可以在富含氢的大气中生存。”“当我们思考其他星球上的生命,并试图找到它们的时候,我们肯定应该把这些行星添加到选项菜单中。”

西格尔在麻省理工学院的论文合著者是黄静成、雅努斯•佩特考斯基和米克尔•帕尤萨卢。

发展的氛围

在数十亿年前的地球早期,大气看起来与我们今天呼吸的空气大不相同。这颗刚刚诞生的行星还没有氧气,它是由大量气体组成的,包括二氧化碳、甲烷和非常少的氢。氢气在大气中可能停留了数十亿年,直到所谓的大氧化事件,以及氧气的逐渐积累。

今天仅存的少量氢被某些古老的微生物所消耗,其中包括产甲烷菌——一种生活在极端气候条件下的微生物,如冰下深处或沙漠土壤中,它们和二氧化碳一起吞噬氢,产生甲烷。

科学家们通常研究在实验室条件下培养的含80%氢的产甲烷菌的活性。但是很少有研究探索其他微生物对富氢环境的耐受性。

西格尔说:“我们想要证明生命能够在氢气环境中存活和成长。”

一个氢顶部空间

研究小组前往实验室,研究两种微生物在100%氢气环境下的生存能力。他们选择的生物是大肠杆菌(一种简单的原核生物)和酵母(一种更复杂的真核生物)。

这两种微生物都是科学家长期研究和鉴定的标准模式生物,这有助于研究人员设计他们的实验并理解他们的结果。更重要的是,E。大肠杆菌和酵母可以在无氧和无氧的情况下存活,这对研究人员来说是一个好处,因为他们可以在将它们转移到富含氢的环境之前,在露天对这两种微生物进行实验。

在他们的实验中,他们分别增长了文化的酵母和大肠杆菌,然后与微生物的文化注入单独的瓶子,充满了“汤”,或营养丰富的微生物能够抵制文化。然后他们冲出来的富氧空气瓶,剩下的“顶部空间”感兴趣的某些气体,如氢气体的100%。然后,他们把瓶子放在培养箱里,在那里轻轻不断地摇晃,以促进微生物和营养物质之间的混合。

每小时,一名团队成员从每个瓶子中收集样本,并计数活的微生物。他们继续采样长达80小时。他们的结果代表了一个典型的生长曲线:在试验开始时,微生物数量迅速增长,以营养物质为食,并在培养基中繁殖。最终,微生物的数量趋于稳定。随着新的微生物不断生长,取代那些已经死亡的微生物,种群数量依然兴旺,但却保持稳定。

西格尔承认,生物学家并不觉得这个结果令人惊讶。毕竟,氢是一种惰性气体,它本身对生物体并没有毒性。

西格尔说:“这并不是说我们用毒药填满了大脑。”“眼见为实,对吗?”如果没有人研究过它们,尤其是真核生物,在一个以氢为主的环境中,你会想要做实验来相信它。”

她还明确表示,这项实验的目的不是为了证明微生物是否可以依赖氢作为能量来源。更确切地说,重点是要证明一个百分之百的氢大气不会伤害或杀死某些形式的生命。

西格尔说:“我不认为天文学家会想到氢环境中可能存在生命。”他希望这项研究能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外星生命的过程中。

氢的世界

利用现有的工具,天文学家还不能很好地研究小型岩石系外行星的大气层。他们所观测到的为数不多的附近的岩石行星要么缺少大气层,要么太小,无法用现有的望远镜探测到。虽然科学家们已经假设行星应该有富含氢的大气层,但是没有一台工作中的望远镜有足够的分辨率来观测它们。

但是,如果下一代天文台确实发现了这种以氢为主导的类地行星,西格尔的结果表明,存在着生命在其中茁壮成长的机会。 

至于一颗多岩石、富含氢的行星会是什么样子,她把它比作地球上最高的山峰——珠穆朗玛峰。试图徒步走到山顶的徒步旅行者耗尽了空气,因为所有大气的密度都随高度呈指数级下降,这是基于我们以氮和氧为主的大气的下降距离。如果一个徒步旅行者在氢气(一种比氮气轻14倍的气体)占主导地位的环境中攀登珠穆朗玛峰,她就能在耗尽空气之前爬上14倍的高度。

西格尔解释说:“你的头有点晕,但这种轻气体只是让大气更加膨胀。”“而对于望远镜来说,与行星的恒星背景相比,大气越大,就越容易被探测到。”

如果科学家们有机会对这样一个富含氢的星球进行采样,西格尔想象他们可能会发现一个不同于我们地球的表面,但又不是完全不同于我们地球的表面。

西格尔说:“我们设想,如果你往下钻到火星表面,很可能会发现富含氢的矿物质,而不是我们所说的氧化矿物质,还有海洋,因为我们认为所有的生命都需要某种液体,而且你可能还能看到蓝色的天空。”“我们还没有考虑到整个生态系统。但不一定非得是一个不同的世界。”

坦普尔顿基金会提供了种子基金,而这项研究的部分资金是由麻省理工学院教授阿马尔·g·博斯研究资助计划提供的。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/study-life-hydrogen-world-0504

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