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生命延续必须靠氧气?100% 纯氢气环境也可以

本文作者:付静 2020-05-09 17:58
导语:这项研究对于探索系外行星上的生命而言,具有特别的意义。

我们正在努力改变人们对宜居星球的看法。

麻省理工学院系外行星天文学家 Sara Seager 如是说道。

水和氧气,是生命生存的条件,也是一直以来天文学家判断系外行星是否存在生命的依据之一。但近日,来自麻省理工学院地球大气与行星系、物理系、航空航天系、化学系的一组研究人员却发现,一些微生物能在 100% 纯氢气的环境中生存繁衍

当地时间 2020 年 5 月 4 日, 该团队题为 Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres(在以氢气为主的系外行星大气中生命生存能力的实验室研究)的论文在线发表于《自然·天文学》(Nature Astronomy)杂志。

生命延续必须靠氧气?100% 纯氢气环境也可以

行星的大气层或以氢气为主

历史上,天文学家倾向于相信太阳系外存在其它行星,直到 1990 年代,人类终于首次确认了系外行星的存在。

生命延续必须靠氧气?100% 纯氢气环境也可以

【NASA 斯皮策太空望远镜首次直接观测到系外行星】

此后,天文学家对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。

为探究系外行星上是否有生命存在,分析其大气的成分至关重要。

雷锋网了解到,岩质系外行星由富含铁的原始物质(如球粒陨石)和水冰堆积而成。那么,该团队认为,在行星形成的过程中,水、铁发生反应产生氢气,将其释放到大气层中,也不是不可能。

在化学课上,我们都曾学过,氢气是世界上已知的密度最小的气体——在 1 标准大气压和 0℃ 的条件下,氢气的密度为 0.089g/L,其密度只有空气的 1/14。也正是因为密度,地球早期大气层中的氢气含量很少,比 90 亿年前少了 1000 倍。如今地球上产生的氢气主要是被微生物消耗、在大气中被氧化或是消失在太空中。

因此,理论上以氢气为主或由 100% 氢气组成的行星大气层最多可比地球的大气层厚 14 倍,这样天文学家探测、观察起来也将十分容易。

那么,如果有朝一日真的探测到了这样的系外行星,我们能发现生命吗?

抱着这个问题,团队提出了一个大胆的猜想:以氢气主导的环境中可以存在生命。

微生物能在纯氢气中生存繁衍

有了假设,实验便开始了。

该团队设计了一个系统,该系统由具有 30ml 培养基(用于大肠杆菌和酵母细胞培养生长培养基的标准培养基)和顶部空间为 126ml 的小硼硅酸盐瓶组成。

生命延续必须靠氧气?100% 纯氢气环境也可以

研究团队把大肠杆菌和酵母放在瓶子里,瓶子里分别装有纯氢气、纯氦气,以及 20% 二氧化碳和 80% 氮气的混合物(100% H2、100% He、20% CO2+80% N2),进行厌氧实验(另外还有一个瓶子作为对照,装了空气)。

研究团队将瓶子置于 28 °C 的培养箱摇动器中,利用精准的氧气传感器进行连续测量,保证气体浓度稳定、培养物保持缺氧状态。

同时,通过特殊的照相机连续监测,快速评估细胞培养物的浊度;周期性地对培养物取样,评估培养物的生长情况。这里主要包括两个指标——大肠杆菌的光密度(OD,optical density)和酵母的血细胞计数。

生命延续必须靠氧气?100% 纯氢气环境也可以

上图是大肠杆菌的光密度,表明高浓度的纯氢气和其他气体不损害大肠杆菌的存活和细胞分裂。其中黑色、蓝色、红色、绿色曲线分别代表空气、纯氦气、纯氢气、20% 二氧化碳和 80% 氮气的混合物。

生命延续必须靠氧气?100% 纯氢气环境也可以

上图是酵母的血细胞计数,同样表明高浓度的纯氢气和其他气体不损害酵母的存活和细胞分裂。黑色、蓝色、红色、绿色曲线分别代表空气、纯氦气、纯氢气、20% 二氧化碳和 80% 氮气的混合物。

不难看出,上述微生物在空气中生存、繁衍的态势最佳,但同时,它们也能在 100% 氢气的环境下生存、繁殖。

生命延续必须靠氧气?100% 纯氢气环境也可以

此外,该团队还根据已有的数据,在论文中展示了大肠杆菌产生的气体的光谱特征,上图便是吸光度与波长的关系。

其中,研究人员仍然无法确定光谱特征图中的甲烷 CH4 和磷化氢 PH3 是由大肠杆菌产生的,另外很多光谱特征也难以区分。

实际上,这一光谱也有着重要意义——在富含氢气的系外行星大气层中,上述很多气体可以作为可探测的生物标记,比如二甲基硫醚 C2H6S(图中的 DMS),这在某种程度上也能增加天文学家在系外行星识别到生命迹象的机会。

对此,NASA 太空生物学家 Giada Arney 表示:

大肠杆菌是如此简单的一种生物,但却会产生令人难以置信的气体。了解生命可以产生哪些气体,是确定系外行星上可能的生物标记的第一步。

可见,这项研究对于探索系外行星上的生命而言,具有特别的意义。不过华盛顿大学天体生物学家 John Baross 也认为:

仅仅寻找富含氢的大气层是不够的。生命要想生存,还需要其他一些物质,就像实验中瓶子里的培养基,比如能与岩石表面交换化学物质的液态水。

将富含氢气的行星加入到对地外生命的探索区间之中,无疑是在另辟蹊径。也许,跳脱固有思维,我们能更快地证明,在浩渺宇宙中,地球不是一颗孤独星球。

引用来源:

[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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