在纯氢气里也能活！我们离发现外星生命又近了一步吗？

小时候仰望星空，你是不是也幻想过外星人的存在？可是，什么样的环境才适宜生命存活呢？这样的环境，其他星球上有可能出现吗？

最新的研究发现，这个可能性，或许比我们之前认为的更容易达到——比如，在100%氢气的环境中，生命也可以存活。

为什么是高氢气的环境？

氢是宇宙中最常见的元素，占原子总数的 90% 以上。虽然在地球的早期大气中，氢气所占的比例很少；但科学家相信，非常可能存在有这样的岩质系外行星，它们的大气层是以氢气为主的。

例如，系外行星上如果含有铁和水冰，这两者发生反应将制造出氢气。而在年轻恒星外围绕的浓密气体（也就是“原行星盘”）中，氢分子也是最经典的存在；质量更大的系外行星，也可能从这些气体中捕获氢气-氦气——至于氦，则是宇宙中第二多的元素。

受限制于天文望远镜的性能，观测系外行星的大气是很难的；目前，我们还无法找到以氢气为主的系外行星大气层。但随着望远镜的不断升级，这越来越有可能成真。氢气的分子质量较低，相对于以氮气、二氧化碳为主的大气层，氢气为主的大气层范围很可能更大，检测起来也会相对容易。

过去的研究表明，氢气本身对于生命是没有毒性的。于是科学家好奇了起来：如果有一天，我们真的发现了某颗拥有以氢气主导的大气层的系外行星，那么这颗星球上可能存在生命吗？

最近，麻省理工大学的萨拉·西格（Sara Seager）等人在《自然·天文学》上发表研究，她们对这个问题的答案是——有可能。

在100%氢气中生长繁殖

研究者选择了最常用的大肠杆菌和酵母菌，这两者都是单细胞生物。大肠杆菌没有细胞核，是原核生物；酵母菌有细胞核，则属于相对更复杂的真核生物。

在 28°C 的恒温环境下，大肠杆菌和酵母菌分别被放进含有四种气体的瓶子里培养，这四种气体环境分别为空气、100% 的氢气、100% 的氦气、20% 的二氧化碳 + 80% 的氮气。同时，为了保证实验的严谨性，研究者用了精密的氧气探测仪，持续监测瓶子里的氧气浓度，以确定没有多余的氧气混入其中。

实验装置实验图 | 参考资料

结果发现，在氢气浓度达到 100% 的培养液里，虽然生长速度有所降低，但大肠杆菌和酵母菌依旧可以存活并繁殖。

和普通空气中相比，在 100% 氢气环境下，大肠杆菌要达到同样的细胞浓度，所需要的时间延长了大概一倍；能够达到的最高浓度也大约只有 1/3 。大肠杆菌在氦气里的成长情况与氢气中的相似，而在 20% 二氧化碳 + 80% 氮气中则生长得慢一些，或许是因为二氧化碳溶解在培养液里，把培养液变成了酸性条件，抑制了大肠杆菌的繁殖。

相比之下，酵母菌的生长受氢气的影响则更大。生长在普通空气里的酵母菌，能够达到的最高浓度比氢气环境下的高了 300 多倍，达到数量峰值的时间也更短。这样的生长速度和细胞总量，与另外两种气体条件中的几乎一致，大概是因为酵母菌的生长并不会被稍显酸性的培养液所影响。

我们离外星生命还有多远？

当氧气浓度较低时，大肠杆菌和酵母都会转而使用无氧呼吸——我们平时所说的酒精发酵、乳酸发酵，也是无氧呼吸的过程。无氧呼吸利用能量的效率比较低，也许是这个原因，导致了氢气环境中大肠杆菌和酵母的繁殖都比正常空气里的慢。

而酵母菌之所以受氢气影响更明显，可能是因为氧气对它的生长更重要。它们需要氧气来合成一些物质，例如不饱和脂肪酸、固醇、血红素等。但研究者认为，在没有氧气的条件下，有些真核生物也能合成替代物。因而，酵母菌在氢气中的低生长速度，或许不能推及到所有的真核生物中。

不过，实验并不能模拟出完全一致的太空条件，这也让研究有了局限性。例如，研究者选取的是 100% 氢气环境，然而在实际的氢气主导的大气里，一定还会有其它的气体成分。除此之外，研究是在 28°C 的恒温箱里进行的；但是，如果想要维持一个由氢气主导的大气环境，岩质系外行星一定比地球冷得多，或是有着远高于地球的重力

尽管如此，这项研究仍然说明，以氢气为主的大气层不会损害或杀死某些生命，生命或许可以存活于其中。对于生命来说，由氢气主导的大气环境是有利而非有害的。在这种还原性气氛中，一些生命所必需的物质（比如核酸和氨基酸），都比在氧化性气体里更容易合成——这对于行星表面所形成的生命非常重要。更有趣的是，大肠杆菌和酵母所释放的一些气体，被认为是非常有可能的生物标志，有可能提供生命存在的证据；在合适的环境下，这些气体都可以存在于高氢气的环境里。

换句话说，无论是简单的大肠杆菌，还是更为复杂的酵母菌，都可以存活于纯氢气的环境。这预示着，适合于生命存活的系外行星环境，也许比我们之前所认为的要丰富得多。

那么问题来了，我们什么时候才会发现这样的星球？什么时候能够找到外星的生命？又是什么时候，我们才能搬到外太空去居住呢？

参考文献

Seager, S., Huang, J., Petkowski, J.J. et al. Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres. Nat Astron(2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1069-4

作者：Hazel

编辑：麦麦

一个AI

某个星球上可能也进行过类似的实验：研究发现，生命可以在80%氮气+20%氧气的环境下存活！

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