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出品：科普中國

制作：韓培（中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

生命是怎樣開始的呢？它能在什么樣的極端環(huán)境中生存呢？除了地球，生命能在地球之外的環(huán)境中存活嗎？離開地球大氣，生命還能生長嗎？

這些問題解答起來會很復(fù)雜，牽扯到很多化學(xué)知識，甚至于科學(xué)家們還一直在孜孜不倦地探索這些未知的領(lǐng)域。

最近，有了新的進展！根據(jù)近期《自然-天文學(xué)》發(fā)表的一篇論文，科學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，微生物可以在百分之一百的氫氣中生存和生長。這項發(fā)現(xiàn)表明，生命可以生存的系外行星環(huán)境可能比之前認(rèn)為的更加豐富多樣。

△圖源：Veer圖庫

氫氣也能“孕育”生命？

氫為主的大氣中含有微量的還原氣體，有利于生命的起源，因為還原前體分子被認(rèn)為是生命起源所必需的。以重要的有機前體分子腈或羰基為例，如果存在還原性氣體，它們最終可能參與生物重要分子，如核苷酸（例如在RNA和DNA中）或氨基酸（例如在蛋白質(zhì)中）的形成。

科學(xué)家們選擇了原核生物中的大腸桿菌和真菌中的酵母來進行實驗，因為它們是生物學(xué)中經(jīng)常使用的模式生物（即可用于研究與解釋生命體某種具有普遍規(guī)律的生物現(xiàn)象的一類生物）：大腸桿菌作為外源基因表達(dá)的宿主氫氣，遺傳背景清楚氧氣檢測儀，技術(shù)操作與培養(yǎng)條件簡單，是應(yīng)用最廣泛、最成功的表達(dá)體系；而酵母基因與高等真核生物基因具有同源性，人們利用酵母菌發(fā)現(xiàn)了真核細(xì)胞周期調(diào)控機制。

△顯微鏡下的大腸桿菌（圖源：）

過去的研究工作是非常有限的，這體現(xiàn)在兩方面：首先，在高氫氣氣體濃度的環(huán)境中，僅研究了一小部分通常依賴于氫氣生存的簡單微生物，例如通常在80％氫氣和20％二氧化碳中生長的產(chǎn)甲烷菌，而關(guān)于真核生物的研究寥寥無幾，更是沒有對酵母的研究。其次，盡管尚不知道氫氣能夠?qū)ιa(chǎn)生多大的毒性（對動物的健康危害僅與通過置換肺中的氧氣進行窒息有關(guān)），但過去的研究也未能證明微生物會在純100％氫氣中生長。

而這項研究發(fā)現(xiàn)，簡單的單細(xì)胞原核生物——大腸桿菌，以及更復(fù)雜的單細(xì)胞真核生物——酵母都可以在100％氫氣氣體環(huán)境下的液體培養(yǎng)基中生存和繁殖。

△釀酒酵母菌株的彩色掃描電子顯微照片（圖源：）

對于生長在100%氫氣中的大腸桿菌，最大細(xì)胞濃度（每單位體積的細(xì)胞數(shù)）僅比在空氣中生長的大腸桿菌中的濃度小兩倍。如果可用氧氣的含量低，大腸桿菌將從有氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)榛跓o氧呼吸或發(fā)酵的低效能量代謝（單位分解有機物產(chǎn)生的能量較?。＝湍妇?00%氫氣中的最大細(xì)胞濃度比在空氣中顯著降低，大概是降低2.5倍，而且繁殖時間是空氣中的大約三倍時間。

如果生命能在100%氫氣的大氣中生存，那么它也能在氫氣主導(dǎo)的大氣中生存。這意味著，我們未來在尋找宜居行星的時候，就可以打破以前的標(biāo)準(zhǔn)，不用再以尋找含氧大氣為標(biāo)準(zhǔn)尋找宜居星球了。

那么，在氦氣、氮氣等其他氣體環(huán)境下，生命能存活嗎？

不僅氫氣，研究人員還探索了氦氣環(huán)境下的生命生存狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與氫氣環(huán)境相比，純氦氣環(huán)境的其他控制措施顯示出類似的大腸桿菌生長曲線，這說明生命也有可能在氦氣環(huán)境下生存。

如何找到一顆氫氣星球？

氫分子是太陽系中含量最為豐富的物質(zhì)，它是氣態(tài)巨行星木星、土星、天王星，以及海王星的主要成分，約占其總質(zhì)量的86%。雖然在地球上，氫氣在大氣中所占的比例還不到百萬分之一，但實際上，在地球早期的過程中，大氣層主要也是由氦氣和氫氣構(gòu)成。有科學(xué)家根據(jù)宇宙大爆炸理論進行分析，認(rèn)為大爆炸發(fā)生之后所產(chǎn)生的所有原子中有大約92%是氫，剩下的幾乎是氦。

△圖源：Veer圖庫

那么地球中的氫氣去了哪里呢？像木星、土星這些巨行星能夠通過它們的引力將宇宙中的氫和氦吸收，造就了它們大氣層中氣體含量的情況。而地球的引力不夠，所以早期大氣層中的氫和氦氣體很多都游離到太空中去了。在9億年前，地球大氣中的H2含量大約就只有0.1％了。今天，地球上產(chǎn)生的這些少量氫氣或被微生物消耗，或在大氣中氧化，又或者逃逸到太空中。

現(xiàn)代地球上富含氫氣的環(huán)境中也有微生物（如硫還原菌和一些古細(xì)菌）。目前尚不清楚是否有更復(fù)雜的真核微生物棲息在如此高濃度氫氣環(huán)境中，但研究人員的實驗支持這樣的想法，即原則上可以存在，因為氫氣環(huán)境中可能伴隨有甲烷，如果存在的氫是碳的四倍，甲烷將在中等溫度的大氣中形成。此外，隨著氫氣的增加，甲烷可能會逐漸從初始的大的內(nèi)部水儲層中排出氣體，以補充大氣中的揮發(fā)。

△圖源：Veer圖庫

甲烷氣體無毒，因為甲烷不易與細(xì)胞的生化物質(zhì)發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)。那么甲烷為什么重要呢？從生命起源的角度來說，純凈的碳?xì)浠衔镆后w可能比水更適合成為有機化學(xué)反應(yīng)的載體，因此從理論上來說，甲烷可以維持生命體的化學(xué)反應(yīng)，這也是氫氣環(huán)境能夠有微生物誕生的原因。

地球的大氣成分測定似乎比較容易，那怎么觀測其他星球的大氣含量，或者說，如何尋找一個氫氣星球呢？

最主要的手段是動用強大的望遠(yuǎn)鏡，觀測到這些行星的光譜，然后進行光譜分析，每一個天體透過光譜分析，都會顯示獨一無二的光譜身份證。通過光譜分析，科學(xué)家可以研究行星大氣里氣體的吸收或者發(fā)射特征。如果存在二氧化碳、臭氧、甲烷、水蒸氣在內(nèi)的氣體，就會透過光譜身份證被檢測出來。

△由詹姆斯·基勒設(shè)計，約翰·布拉舍爾建造，于1898年安裝在利克天文臺的恒星光譜儀（圖源：維基百科）

對于巖石行星（以硅酸鹽巖石為主要成分的行星），通過觀測其大氣的目標(biāo)包括：識別溫室氣體以估算外行星表面溫度乙炔檢測儀，尋找水蒸氣，指示所有生命所需的地表液態(tài)水，以及尋找可能歸因于生命的“生物印記”氣體。

而對于各種巖質(zhì)系外行星（巖質(zhì)行星 （Rocky Planets）是指以硅酸鹽巖石為主要成分的行星，別名又叫“巖石行星），觀測大氣的嘗試會受到當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡能力的限制，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡WFC3是目前功能最強大的觀測儀器，但它也沒有找出這些行星中的大氣是以H2為主的證據(jù)，當(dāng)然觀測也并不能排除以H2為主的覆蓋大氣層。

雖然哈勃無法確切觀測系外行星大氣，但也不必灰心，天文學(xué)家相信，可以通過NASA-歐洲航天局（James Webb）太空望遠(yuǎn)鏡的透射光譜以及正在建造的超大型地面望遠(yuǎn)鏡的直接成像氫氣，來觀察繞小紅矮星飛行的行星的小型系外行星大氣。

此外，含H2氣體的系外行星將比含CO2和N2等平均分子質(zhì)量較高氣體的系外行星更容易探測和研究。根據(jù)尺度高度估計，H2大氣的范圍是N2為主的大氣的14倍氫氣，因此這些可能存在的以H2為主大氣的巖石系外行星，會比以N2或CO2為主的大氣更容易被觀測到，加上具有研究巖石行星大氣層能力的下一代望遠(yuǎn)鏡將在未來幾年內(nèi)投入使用，因此找到一顆大氣以氫氣為主的行星也將不再困難。

說不定在不久的將來，科學(xué)家們就能發(fā)現(xiàn)氫氣星球下的生命，到那時可不要驚訝哦～

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