宇宙中氫氣為什麼不能呼吸（地球生命首次挑戰100）

2023-05-24 23:07:29

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當一顆系外行星經過它的恆星前面時，我們就能對其大氣進行探測。因為在這種所謂的凌日事件發生時，恆星的光必須穿過行星的大氣，才能到達我們這裡，而其中一些光在這個過程中被吸收。因此通過觀察恆星的光譜，也就是根據波長被「分解」的光，並計算出「丟失」的部分，就能揭示行星大氣的氣體組成。一再推遲發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的未來目標之一，就是觀測記錄系外行星的大氣。

科學家會藉助一些「生物標記氣體」（biosignature gas）來探索行星上生命的可能，比如有些氣體成分需要通過生命過程來維持。地球大氣中所含有的甲烷（CH₄）就是如此，它與氧氣會自然反應生成二氧化碳，但它能通過生物過程不斷補充。從另一個角度看，如果沒有光合微生物在大約始於24億年前的大氧化事件中將氧氣從二氧化碳中「放」出來，那麼大氣中的氧氣也根本不會存在。

儘管如此，但如果外星生命所利用的是與我們不同的化學呢？發表在《自然·天文學》上的一項新研究認為，想要儘可能利用大氣來尋找生命證據，或許需要擴大我們的搜索範圍，除了類地行星之外，可能也還要關注那些大氣中富含氫氣的行星。系外行星天文學家Sara Seager和團隊用實驗證明，一些微生物能在100%由氫氣組成的大氣中生存繁衍。

氫氣是所有分子中最輕的，它很容易逃逸到太空。因此一顆巖質行星要有足夠強的引力來維繫這樣的大氣，它要是個「超級地球」，質量約是地球的2到10倍才行。這些氫氣要麼是直接從行星生長的氣體雲中獲取的，要麼是後來由鐵和水發生化學反應而釋放出來的。

由於氫氣非常輕，以氫氣為主（或者完全由氫氣組成）的大氣包層最多可以比地球大氣層厚14倍，使得在光譜數據中很容易就能發現它們。更大的厚度將可以提高我們用光學望遠鏡直接成像來觀測這種大氣的機會。

研究人員在實驗室進行了實驗，他們把大腸桿菌和酵母放在裝有營養液的小瓶裡，這兩種生物常常被當作其他單細胞生物的「替身」。研究人員將6個瓶子裡的空氣分別替換成純氫氣、純氦氣，以及80%氮氣和20%二氧化碳的混合物。還有一組瓶子裡裝的是地球上的空氣。

每隔幾個小時，研究人員就用皮下針頭除去一些微生物，計算有多少微生物仍然存活。他們發現，雖然在普通的地球空氣中，這些微生物繁衍得最為旺盛；但同時它們也能在每一種被測試的大氣成分中增殖，也就是說，它們可以在完全沒有氧氣的氫氣環境下生存和繁殖。

這項研究還發現，儘管大腸桿菌是種非常簡單的生物，但在氫氣環境中，它們能產生的氣體有著「驚人的多樣性」。其中許多氣體，如二甲基硫醚、羰基硫和異戊二烯，都可以成為富含氫氣的大氣中可探測的生物標記。這有望增加我們在系外行星上識別生命跡象的機會。

○ 根據現有數據製作的大腸桿菌產生氣體的光譜特徵。| 圖片來源：參考來源[3]

Seager表示，雖然我們已經知道，地殼中有許多微生物可以在富含氫氣的環境中生存，甚至在地球上也發現了不依賴氧氣存活的多細胞生物。但之前從未讓微生物在純氫氣的環境中經受過「考驗」，因此這是項很有價值的實驗。

對生命而言，僅有富含氫氣的大氣可能還不夠，在巖質行星表面可能還需要有富含其他營養物質的「營養液」才行，比如液態水的海洋。新研究還提到，足夠濃度的氫氣分子可以充當溫室氣體。這可以使行星表面維持足夠高的溫度，為液態水的存在創造可能，從而使生命得以有機會湧現。

對於天體生物學家來說，氫呼吸生命似乎已經成了一種「既定設定」。有知覺的呼吸氫氣的生命早就出現在了一些科幻小說中。而新的研究清晰地表明了，如果地球上的生命可以在純氫氣環境下生存，那麼外星生命自然也有可能。這樣的結果似乎是在提醒我們，當我們在研究其他行星時，或許應該儘量跳出「以地球為中心」的思維框架，摒棄一些因「地球常識」而設置的局限，大膽地思考一些更有趣的可能。