生命延續必須靠氧氣?100% 純氫氣環境也可以

雷鋒網 於 10/05/2020 發表 收藏文章
引用我們正在努力改變人們對宜居星球的看法。

麻省理工學院系外行星天文學家 Sara Seager 如是説道。

水和氧氣,是生命生存的條件,也是一直以來天文學家判斷系外行星是否存在生命的依據之一。但近日,來自麻省理工學院地球大氣與行星系、物理系、航空航天系、化學系的一組研究人員卻發現,一些微生物能在 100% 純氫氣的環境中生存繁衍

當地時間 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)的論文在線發表於《自然·天文學》(Nature Astronomy)雜誌。

行星的大氣層或以氫氣為主

歷史上,天文學家傾向於相信太陽系外存在其它行星,直到 1990 年代,人類終於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】

此後,天文學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重要。

雷鋒網了解到,巖質系外行星由富含鐵的原始物質(如球粒隕石)和水冰堆積而成。那麼,該團隊認為,在行星形成的過程中,水、鐵發生反應產生氫氣,將其釋放到大氣層中,也不是不可能。

在化學課上,我們都曾學過,氫氣是世界上已知的密度最小的氣體——在 1 標準大氣壓和 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,這樣天文學家探測、觀察起來也將十分容易。

那麼,如果有朝一日真的探測到了這樣的系外行星,我們能發現生命嗎?

抱着這個問題,團隊提出了一個大膽的猜想:以氫氣主導的環境中可以存在生命。

微生物能在純氫氣中生存繁衍

有了假設,實驗便開始了。

該團隊設計了一個系統,該系統由具有 30ml 培養基(用於大腸桿菌和酵母細胞培養生長培養基的標準培養基)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裏,瓶子裏分別裝有純氫氣、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)。

研究團隊將瓶子置於 28 °C 的培養箱搖動器中,利用精準的氧氣傳感器進行連續測量,保證氣體濃度穩定、培養物保持缺氧狀態。

同時,通過特殊的照相機連續監測,快速評估細胞培養物的濁度;週期性地對培養物取樣,評估培養物的生長情況。這裏主要包括兩個指標——大腸桿菌的光密度(OD,optical density)和酵母的血細胞計數。


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,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、繁衍的態勢最佳,但同時,它們也能在 100% 氫氣的環境下生存、繁殖。


此外,該團隊還根據已有的數據,在論文中展示了大腸桿菌產生的氣體的光譜特徵,上圖便是吸光度與波長的關係。

其中,研究人員仍然無法確定光譜特徵圖中的甲烷 CH4 和磷化氫 PH3 是由大腸桿菌產生的,另外很多光譜特徵也難以區分。

實際上,這一光譜也有着重要意義——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家在系外行星識別到生命跡象的機會。

對此,NASA 太空生物學家 Giada Arney 表示:

引用大腸桿菌是如此簡單的一種生物,但卻會產生令人難以置信的氣體。了解生命可以產生哪些氣體,是確定系外行星上可能的生物標記的第一步。

可見,這項研究對於探索系外行星上的生命而言,具有特別的意義。不過華盛頓大學天體生物學家 John Baross 也認為:

引用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,就像實驗中瓶子裏的培養基,比如能與巖石表面交換化學物質的液態水。

將富含氫氣的行星加入到對地外生命的探索區間之中,無疑是在另闢蹊徑。也許,跳脱固有思維,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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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:付靜

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