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，並尋找外星生命的跡象。但想象一下，如果在搜索中，確實發現了外星生物，但沒有認出它們是真實的生命，這該怎麼破？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境實際上可能適合居住。在現在發表在《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並茁壯成長，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岩石行星更遠的地方。
因此，與擁有更緻密、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現和研究。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：那裡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，並真的試圖找到它時，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，並與二氧化碳一起吞噬氫氣來生產甲烷。科學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，甚至純氫的環境中被研究過。這兩種微生物都是科學家們長期研究和表徵的標準模式生物，這有助於研究人員設計他們的實驗並理解其研究結果。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境之前，在露天準備實驗。在實驗中，研究人員分別培養酵母和大腸桿菌的培養物，然後將培養物與微生物一起注入到單獨的瓶子裡，瓶子裡裝滿了微生物可以賴以生存的“肉湯”或營養豐富的培養物。然後把瓶子裡富含氧氣的空氣排出，用某種想要被研究的氣體填充剩餘“頂空”，比如100%的氫氣。然後將瓶子放入孵化器中，在那裡輕輕地、持續地搖晃，以促進微生物和營養素之間的混合。
每小時，一名團隊成員從每個瓶子中收集樣本，並對活微生物進行計數，研究繼續採樣長達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，以營養物質為食，並在培養物中大量繁殖，最終微生物的數量趨於平穩。隨著新的微生物繼續增長，取代那些死亡的微生物，種群仍然蓬勃發展，是穩定的。研究人員表示：生物學家並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境中研究過它們，特別是真核生物，你會願意做實驗來相信它嗎？該實驗並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，研究小型多岩石系外行星的大氣層，研究過的少數幾顆附近岩石行星要麼沒有大氣層，要麼可能太小了，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現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。
至於一個多岩石行星富含氫氣的星球會是什麼樣子，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，而且是基於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”。
對於望遠鏡來說，與行星恆星的背景相比，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採樣，可能會發現一個與地球不同，但並不是無法辨認的表面。設想，如果你向下鑽到地表，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，因為基於地球，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系統，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
研究發表期刊《自然天文學》
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