想一想，有没有可能我们在研究中确实邂逅了外星生物体，却没能认出它们是真实的生命。

这是萨拉·西格尔（Sara Seager）这样的天文学家希望避免出现的场景。西格尔担任麻省理工学院（MIT）行星科学、物理学和航空航天学的讲座教授（Class of 1941 professor），她超越“以地球为中心”的生命观，为探索地球以外的环境是否适合人类居住撒下了更大的网。

在今天发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）杂志上的一篇论文中，她及其同事在实验室研究中观察到，微生物能够在以氢气为主的大气中生存和繁衍，这种环境与地球上富含氮氧的大气截然不同。

氢气是一种比氮或氧都轻得多的气体，富含氢气的大气会从岩石行星向外延伸到更远的地方。因此，与大气密度更高的类地行星相比，它更容易被功能强大的望远镜发现并进行研究。

西格尔的研究结果表明，简单的生命形式可能存在于拥有富氢大气的行星上，这表明，一旦NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）等下一代望远镜运转起来，天文学家可能会首先寻找以氢气为主的系外行星，以寻找生命的迹象。

西格尔说：“存在着各种各样的宜居星球，我们已证实地球生命能在富含氢气的大气层中生存。当我们思考外星生命并试图找到它时，我们肯定应当把这类行星添加到选项菜单中。”

西格尔在麻省理工学院的论文合著者是黄静成（音）、亚努兹·佩考斯基和米克尔·帕尤萨鲁。

大气的演化

在数十亿年前的早期地球上，大气看起来与我们今天呼吸的空气大不相同。这颗年轻的行星上还没有氧气，包裹着它的大量气体包括二氧化碳、甲烷和极少量的氢气。氢气在大气中可能存在了数十亿年，直到所谓的“大氧化事件”，氧气才逐渐增加。

现存的少量氢气至今仍被某些种类的古老微生物消耗着，包括产甲烷菌，它们是生活在冰下深处或沙漠土壤等极端气候条件下的微生物，它们吞噬氢气和二氧化碳，从而生成甲烷。

科学家们通常会研究在含有80%氢气的实验室条件下培养的产甲烷菌的活性。但很少有研究探索其他微生物对富氢环境的耐受性。

西格尔说：“我们想证明生命可以在氢气大气层中生存和生长。”

充满氢气的顶部空间

该研究团队于是着手在实验室里研究两种微生物在100%氢气环境下的生存能力。他们选择的生物体是大肠杆菌（一种简单的原核生物）和酵母菌（一种更复杂的真核生物），这两种细菌一直没有在富氢环境里被研究过。

这两种微生物都是科学家长期研究并描述特征的标准样品生物体，这有助于研究人员设计实验并理解实验结果。更重要的是，大肠杆菌和酵母菌在有氧和无氧情况下都能存活，这对研究人员来说是件好事，因为他们能露天获取这两种微生物以做好实验准备，再将它们转移到富氢环境中。

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在实验中他们分别培养酵母菌和大肠杆菌培养基，然后将这些微生物培养基注入不同的瓶子，瓶子里充满营养丰富的液体培养基，微生物能够以此为食。接着他们排出瓶中的富氧空气，在剩下的“顶部空间”里充满某种他们有兴趣研究的气体，比如100%纯氢气。然后他们把瓶子放进培养箱，并不断轻轻摇晃这些瓶子，以促进微生物和营养物质的混合。

每1小时，一名团队成员从每个瓶子中收集样本并计算活体微生物总数。他们会持续采样长达80小时。

他们的研究结果呈现出一条经典的生长曲线：试验开始时，微生物数量增长迅速，以营养物质为食，并在培养基中繁殖。最终微生物的数量趋于稳定。新的微生物不断增加并取代那些已经死亡的前辈，种群数量仍蓬勃发展并保持稳定。

西格尔承认，生物学家并不会觉得这个结果有多么令人惊讶。毕竟，氢气是一种惰性气体，其本身对生物体并没有毒性。

西格尔说：“这并不是说我们在顶部空间中充满了毒药。”但眼见才能为实，对吧？如果没有人在一个以氢气为主的环境中研究过它们，尤其是真核生物，那么你会更愿意通过做实验来判断是否该相信它。”

她同时明确表示，实验的目的不是为了证明微生物是否能以氢气为能量来源。相反，该观点更多的是为了证明100%纯氢大气不会伤害或杀死某些生命形式。

“我不认为天文学家会想到氢环境中可能存在生命，”西格尔说，他希望这项研究能鼓励天文学家和生物学家之间的交流，特别是在寻找可居住的行星和外星生命的过程中。

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充满氢气的世界

天文学家现在还不太有办法凭借现有工具来研究系外小型岩石行星的大气层。他们考察过的附近为数不多的岩石行星，要么缺少大气层，要么太小，无法用现有望远镜进行观测。虽然科学家们一直假设行星有富氢大气层，但没有一台运行中的望远镜有足够分辨率能找到它们。

但是，西格尔的结果表明，如果下一代天文台确实发现了这种以氢气为主的类地行星，那生命就有可能在其中繁衍生息。

至于一颗多岩石的富氢行星会是什么样，她以地球最高峰珠穆朗玛峰与其进行了比较。试图登顶的徒步旅行者耗尽空气，是因为大气密度随高度增加而呈指数级下降，这基于我们和以氮氧为主的大气层之间的距离。如果一个徒步旅行者在以氢气（这种气体比氮气轻14倍）为主的环境中攀登珠穆朗玛峰，他在耗尽空气前能爬到比现在高14倍的位置。

西格尔解释说：“让你接受这一点有点儿难，但这种轻气体确实会让大气层扩展得更大。而对于望远镜来说，与行星所属恒星的背景相比，大气层越大，就越容易被探测到。”

如果科学家们有机会对这样一个富氢星球进行采样，西格尔设想他们可能会发现一个与我们的地球完全不同但并非面目全非的星球表面。

西格尔说：“我们设想，如果你向其地表下进行钻探，它或许会有富含氢的矿物质，而非我们所说的氧化物，或许还有海洋，因为我们认为所有的生命都需要某种液体，你或许还能看到蔚蓝的天空。我们没有考虑到整个生态系统，但不一定非得是个截然不同的世界。”

邓普顿基金会为该研究提供了种子基金，而麻省理工学院教授Amar G. Bose的Research Grant项目也为该研究提供了部分资助。

来源： bigthink，作者：Jennifer Chu

译者：Sail2008

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