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呼吸着干燥空气的外星人可能会在与地球截然不同的行星上繁衍生息

呼吸着干燥空气的外星人可能会在与地球截然不同的行星上繁衍生息

在寻找地外生命时,天文学家可能想要观察那些大气中富含氢气的行星。

在接下来的几年里,随着新的、更强大的望远镜不断出现,天文学家们将能够将巨型望远镜对准附近的系外行星,观察它们的大气层,破译它们的成分,并寻找地外生命的迹象。但是想象一下,如果在我们的研究中,我们确实遇到了外星生物,但却没有认出它们是真实的生命。

这是像萨拉·西格尔这样的天文学家希望避免的前景。西格尔是1941年麻省理工学院行星科学、物理学和航空航天学的教授。对生命的看法,并为我们自己的世界之外可能真正适合居住的环境撒下更大的网。

在今天发表在《自然天文学》杂志上的一篇论文中,她和她的同事在实验室研究中观察到,微生物可以在以氢为主的大气中生存和繁衍。这种环境与地球上富含氮和氧的大气大不相同。

氢是一种比氮或氧都轻得多的气体,富含氢的大气会从岩石行星向外延伸得更远。因此,与有着更紧凑的、类似地球的大气层的行星相比,它更容易被强大的望远镜发现和研究。

希捷的研究结果表明,简单的生命形式可能存在于大气中富含氢气的行星上。这表明,一旦美国国家航空航天局(nasa)的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)等下一代望远镜投入使用,天文学家可能会首先寻找以氢气为主的系外行星,寻找生命的迹象。

那里有各种各样的适合居住的世界,我们已经证实,地球上的生命可以在富含氢的大气中生存。西格尔说。当我们思考其他星球上的生命,并试图找到它的时候,我们肯定应该把这些行星添加到选项菜单上。

这篇论文的作者是麻省理工学院的黄静成、佩特考斯基和帕尤萨鲁。

发展的氛围

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,它由大量的气体组成,包括二氧化碳、甲烷和极少量的氢。氢气在大气中滞留的时间可能长达数十亿年,直到被称为“大氧化事件”的事件发生,并逐渐积聚氧气。

今天残留的少量氢气被某些古老的微生物所消耗,包括产甲烷菌;那些生活在极端气候条件下的生物,比如冰层下或沙漠土壤里的生物,会将氢气和二氧化碳一起吞噬,从而产生甲烷。

科学家们通常会研究在实验室条件下培养的含80%氢的产甲烷菌的活性。但是很少有研究探索其他微生物。耐富氢环境。

我们想证明生命在氢的环境中能够生存和成长。西格尔说。

一个氢顶部空间

研究小组来到实验室,研究两种微生物在100%氢气环境下的生存能力。他们选择的生物是大肠杆菌(一种简单的原核生物)和酵母(一种更复杂的真核生物)。

这两种微生物都是科学家长期研究和鉴定的标准模式生物,这有助于研究人员设计他们的实验并理解他们的结果。是,s, E。大肠杆菌和酵母能在无氧和无氧条件下存活;这对研究人员来说是件好事,因为他们可以在将两种生物转移到富含氢的环境之前,在露天中准备他们的实验。

在他们的实验中,他们分别培养酵母菌和大肠杆菌,然后将这些微生物分别注入装有肉汤的瓶子中。然后,他们把瓶子里富含氧气的空气冲出来,把剩下的空间填满。对于某种特定的气体,比如100%的氢气。然后,他们把瓶子放在培养箱里,在那里不断地轻轻摇晃,以促进微生物和营养物质之间的混合。

每小时,一名团队成员从每个瓶子中收集样本,并计数活的微生物。他们继续采样长达80小时。他们的结果代表了一条经典的生长曲线:在试验开始时,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。随着新的微生物不断增长,取代那些已经死亡的微生物,种群数量保持稳定,仍然繁荣。

西格尔承认,生物学家并不觉得这个结果令人惊讶。毕竟,氢是一种惰性气体,因此对生物体本身并没有毒性。

这并不像我们在头脑中填满了毒药,西格尔说。但是眼见为实,对吗?如果没有人研究过它们,尤其是真核生物,在一个以氢为主的环境中,你会愿意做实验来相信它。

她还明确表示,该实验的目的不是为了证明微生物是否可以依赖氢作为能量来源。更确切地说,重点是要证明一个百分之百的氢大气层不会伤害或杀死某些生命形式。

我不认为天文学家会想到在氢的环境中会有生命存在。西格尔说,他希望这项研究能够鼓励天文学家和生物学家之间的交流,特别是在寻找适合居住的行星和外星生命的过程中。

氢的世界

天文学家现在还不能用现有的工具来研究小型岩石系外行星的大气层。他们所观测到的为数不多的附近岩石行星要么缺少大气层,要么太小,无法用现有的望远镜观测到。虽然科学家们已经假设行星应该有富含氢的大气层,但是没有一台正在工作的望远镜有足够的分辨率来观测它们。

但是,如果下一代天文台确实发现了这种以氢为主的类地行星,希捷的研究结果表明,那里有可能存在生命。,

至于一颗多岩石、富含氢的行星会是什么样子,她将其与地球的最高峰——珠穆朗玛峰进行了比较。试图徒步走到山顶的徒步旅行者耗尽了空气,这是因为所有大气的密度都随高度呈指数级下降,这也基于我们以氮和氧为主的大气的下降距离。如果一个徒步旅行者在氢气占主导的大气层中攀登珠穆朗玛峰,一种比氮气轻14倍的气体;在耗尽空气之前,她可以爬到14倍的高度。

让你的头转起来有点困难,但是那种轻的气体只会使大气更加膨胀。西格尔解释说。而对于望远镜来说,与行星的恒星背景相比,大气越大,就越容易被探测到。

如果科学家们有机会对这样一个富含氢的星球进行采样,西格尔设想他们可能会发现一个不同于地球的表面,但与我们的表面并非完全不同。

我们正在想象,如果你往下钻到火星表面,它可能会有富含氢的矿物质,而不是我们所说的氧化态矿物质,还有海洋,因为我们认为所有的生命都需要某种液体,你可能还能看到蓝色的天空。西格尔说。我们没有考虑到整个生态系统。但它不一定非得是一个不同的世界。

参考文献:在以h2为主的外行星大气中生存能力的实验室研究;S. Seager, J. Huang, J. J. Petkowski和M. Pajusalu, 2020年5月4日,《自然天文学》。

DOI: 10.1038 / s41550 - 020 - 1069 - 4

邓普顿基金会提供了种子基金,而这项研究的部分资金由麻省理工学院教授阿马尔·g·博斯研究资助计划提供。

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