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研究:生命可能在氢世界中生存并繁荣发展
2020-05-08490

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在未来几年中,随着新的,功能更强大的望远镜的出现,天文学家将能够将百万倍镜对准附近的系外行星,凝视它们的大气层以解密其成分并寻找外星生命的迹象。但是想像一下,如果在我们的搜索中,我们是否确实遇到了外来生物,但未能将其识别为现实生活。

像萨拉·西格(Sara Seager)这样的天文学家希望避免这种前景。麻省理工学院1941年级的行星科学,物理学,航空航天学教授西格(Seager)的目光不再局限于“以土地为中心”的生活观,而是为我们实际可能居住的环境之外的环境投下了更广阔的网络。

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,而这种环境与地球富含氮和氧的大气环境大不相同。

氢气是一种比氮气或氧气要轻得多的气体,富含氢气的大气层将远离岩石行星。因此,与具有更紧凑的类地大气的行星相比,用强大的望远镜更容易发现和研究它。

Seager的结果表明,简单的生命形式可能居住在富含氢的大气层行星中,这表明一旦诸如NASA的James Webb太空望远镜这样的下一代望远镜开始运行,天文学家可能会首先寻找以氢为主的系外行星以寻找生命迹象。

Seager说:“那里有各种各样的可居住世界,我们已经证实,地球生命可以在富含氢的大气中生存。” “在思考其他世界的生命并试图寻找它时,我们绝对应该将这些行星添加到选项菜单中。”

Seager的MIT论文的共同作者是黄静成,Janusz Petkowski和Mihkel Pajusalu。

不断变化的气氛

在数十亿年前的地球早期,大气看上去与我们今天呼吸的空气完全不同。婴儿星球尚未携带氧气,它由多种气体组成,包括二氧化碳,甲烷和一小部分氢气。氢气在大气中徘徊了数十亿年,直到所谓的“大氧化事件”和氧气逐渐积累。

今天剩余的少量氢气被某些古老的微生物(包括产甲烷菌)消耗,这些微生物生活在极端气候下,例如冰下深处或沙漠土壤中,并吞噬氢气和二氧化碳以产生甲烷。

科学家通常研究在实验室条件下用80%的氢气生长的产甲烷菌的活性。但是很少有研究探索其他微生物对富氢环境的耐受性。

Seager说:“我们想证明生命能够生存并且可以在氢气氛中生长。”

氢顶空

该小组前往实验室研究了两种微生物在100%氢环境中的生存能力。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),尚未在氢为主的环境中进行过研究。

这两种微生物都是科学家长期研究和表征的标准模型生物,有助于研究人员设计实验并了解其结果。此外,大肠杆菌和酵母菌可以在有氧和无氧条件下生存,这对研究人员是有好处的,因为他们可以在将两种生物体转移到富含氢的环境中之前,在露天环境中准备它们的实验。

在他们的实验中,他们分别培养了酵母和大肠杆菌的培养物,然后将带有微生物的培养物注入到单独的瓶中,并在瓶中填充了微生物可以繁殖的“肉汤”或营养丰富的培养物。然后,他们将瓶中的富氧空气冲洗掉,并用某种感兴趣的气体(例如100%氢气)填充剩余的“顶部空间”。然后,他们将瓶子放在培养箱中,在培养箱中轻轻不断地摇动它们,以促进微生物和养分之间的混合。

每小时,一个团队成员从每个瓶子中收集样品并计数活微生物。他们继续采样长达80个小时。他们的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,以养分为食并培养出细菌。最终,微生物数量趋于稳定。随着新微生物的不断增长,新的微生物不断取代死去的微生物,种群数量仍然保持稳定。

Seager承认生物学家并不认为结果令人惊讶。毕竟,氢气是一种惰性气体,因此对生物没有固有的毒性。

Seager说:“这不像我们在顶部空间充满了毒药。” “但是眼见为实,对吗?如果没有人在氢占主导的环境中研究过它们,尤其是真核生物,那么您将需要进行实验以使其相信。”

她还明确指出,该实验并非旨在显示微生物是否可以依靠氢作为能源。相反,重点更多地证明了100%的氢气氛不会损害或杀死某些生命。

Seager说:“我不认为天文学家会在氢环境中存在生命。”他希望这项研究能够鼓励天文学家与生物学家之间的交流,特别是在寻找宜居行星和外星生命时,上坡。

氢世界

天文学家并不能利用当今可用的工具来研究小型岩石系外行星的大气。他们检查过的少数几个附近的岩石行星都缺乏气氛,或者可能太小而无法用当前的望远镜探测到。尽管科学家假设行星应该包含富氢的大气层,但没有工作的望远镜能够分辨出它们。

但是,如果下一代天文台确实发现了这类氢占主导的陆地世界,西格尔的结果表明,生命有可能在其中繁衍生息。  

至于一块岩石,富含氢的行星是什么样子,她想到了与地球最高峰山的比较。珠穆朗玛峰。由于所有大气层的密度随高度呈指数下降,并且基于我们以氮气和氧气为主的大气层的下降距离,因此试图爬到山顶的徒步旅行者的空气不足。如果一个徒步旅行者在以氢气为主的气体中攀登珠穆朗玛峰(一种比氮气轻14倍的气体),她将能够在没有空气的情况下爬高14倍。

Seager解释说:“很难带动您的头脑,但是那种轻气只会使气氛变得更加广阔。” “对于望远镜来说,与行星恒星的背景相比,大气层越大,检测起来就越容易。”

如果科学家有机会对这样一个富含氢的行星进行采样,希格(Seager)认为他们可能会发现一个与我们自己不同但并非无法识别的表面。

“我们正在想象,如果您深入到地表,它可能会含有富氢矿物质,而不是我们所说的氧化矿物质,还有海洋,因为我们认为所有生命都需要某种液体,而且您可能仍然会看到西格说。“我们尚未考虑整个生态系统。但这不一定是一个不同的世界。”

种子基金由Templeton基金会提供,该研究部分由麻省理工学院教授Amar G. Bose研究资助计划资助。


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