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氧气|生命离开氧气就不能活了吗？氢气告诉你，No

出品：科普中国
制作：韩培（中国科学院空间应用工程与技术中心）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
生命是怎样开始的呢？它能在什么样的极端环境中生存呢？除了地球 ， 生命能在地球之外的环境中存活吗？离开地球大气 ， 生命还能生长吗？
这些问题解答起来会很复杂 ， 牵扯到很多化学知识 ， 甚至于科学家们还一直在孜孜不倦地探索这些未知的领域 。
最近 ， 有了新的进展！根据近期《自然-天文学》发表的一篇论文 ， 科学家惊讶地发现 ， 微生物可以在百分之一百的氢气中生存和生长 。 这项发现表明 ， 生命可以生存的系外行星环境可能比之前认为的更加丰富多样 。
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△图源：Veer图库
氢气也能“孕育”生命？
氢为主的大气中含有微量的还原气体 ， 有利于生命的起源 ， 因为还原前体分子被认为是生命起源所必需的 。 以重要的有机前体分子腈或羰基为例 ， 如果存在还原性气体 ， 它们最终可能参与生物重要分子 ， 如核苷酸（例如在RNA和DNA中）或氨基酸（例如在蛋白质中）的形成 。
科学家们选择了原核生物中的大肠杆菌和真菌中的酵母来进行实验 ， 因为它们是生物学中经常使用的模式生物（即可用于研究与解释生命体某种具有普遍规律的生物现象的一类生物）：大肠杆菌作为外源基因表达的宿主 ， 遗传背景清楚 ， 技术操作与培养条件简单 ， 是应用最广泛、最成功的表达体系；而酵母基因与高等真核生物基因具有同源性 ， 人们利用酵母菌发现了真核细胞周期调控机制 。
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△显微镜下的大肠杆菌（图源：https://media1.s-nbcnews.com/）
过去的研究工作是非常有限的 ， 这体现在两方面：首先 ， 在高氢气气体浓度的环境中 ， 仅研究了一小部分通常依赖于氢气生存的简单微生物 ， 例如通常在80％氢气和20％二氧化碳中生长的产甲烷菌 ， 而关于真核生物的研究寥寥无几 ， 更是没有对酵母的研究 。 其次 ， 尽管尚不知道氢气能够对生命产生多大的毒性（对动物的健康危害仅与通过置换肺中的氧气进行窒息有关） ， 但过去的研究也未能证明微生物会在纯100％氢气中生长 。
而这项研究发现 ， 简单的单细胞原核生物——大肠杆菌 ， 以及更复杂的单细胞真核生物——酵母都可以在100％氢气气体环境下的液体培养基中生存和繁殖 。
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△酿酒酵母菌株的彩色扫描电子显微照片（图源：phys.org）
对于生长在100%氢气中的大肠杆菌 ， 最大细胞浓度（每单位体积的细胞数）仅比在空气中生长的大肠杆菌中的浓度小两倍 。 如果可用氧气的含量低 ， 大肠杆菌将从有氧呼吸转变为基于无氧呼吸或发酵的低效能量代谢（单位分解有机物产生的能量较小） 。 酵母菌在100%氢气中的最大细胞浓度比在空气中显著降低 ， 大概是降低2.5倍 ， 而且繁殖时间是空气中的大约三倍时间 。
如果生命能在100%氢气的大气中生存 ， 那么它也能在氢气主导的大气中生存 。 这意味着 ， 我们未来在寻找宜居行星的时候 ， 就可以打破以前的标准 ， 不用再以寻找含氧大气为标准寻找宜居星球了 。
那么 ， 在氦气、氮气等其他气体环境下 ， 生命能存活吗？
不仅氢气 ， 研究人员还探索了氦气环境下的生命生存状态 。 结果发现 ， 与氢气环境相比 ， 纯氦气环境的其他控制措施显示出类似的大肠杆菌生长曲线 ， 这说明生命也有可能在氦气环境下生存 。
如何找到一颗氢气星球？
氢分子是太阳系中含量最为丰富的物质 ， 它是气态巨行星木星、土星、天王星 ， 以及海王星的主要成分 ， 约占其总质量的86% 。 虽然在地球上 ， 氢气在大气中所占的比例还不到百万分之一 ， 但实际上 ， 在地球早期的过程中 ， 大气层主要也是由氦气和氢气构成 。 有科学家根据宇宙大爆炸理论进行分析 ， 认为大爆炸发生之后所产生的所有原子中有大约92%是氢 ， 剩下的几乎是氦 。
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△图源：Veer图库
那么地球中的氢气去了哪里呢？像木星、土星这些巨行星能够通过它们的引力将宇宙中的氢和氦吸收 ， 造就了它们大气层中气体含量的情况 。 而地球的引力不够 ， 所以早期大气层中的氢和氦气体很多都游离到太空中去了 。 在9亿年前 ， 地球大气中的H2含量大约就只有0.1％了 。 今天 ， 地球上产生的这些少量氢气或被微生物消耗 ， 或在大气中氧化 ， 又或者逃逸到太空中 。
现代地球上富含氢气的环境中也有微生物（如硫还原菌和一些古细菌） 。 目前尚不清楚是否有更复杂的真核微生物栖息在如此高浓度氢气环境中 ， 但研究人员的实验支持这样的想法 ， 即原则上可以存在 ， 因为氢气环境中可能伴随有甲烷 ， 如果存在的氢是碳的四倍 ， 甲烷将在中等温度的大气中形成 。 此外 ， 随着氢气的增加 ， 甲烷可能会逐渐从初始的大的内部水储层中排出气体 ， 以补充大气中的挥发 。
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△图源：Veer图库
甲烷气体无毒 ， 因为甲烷不易与细胞的生化物质发生有害的化学反应 。 那么甲烷为什么重要呢？从生命起源的角度来说 ， 纯净的碳氢化合物液体可能比水更适合成为有机化学反应的载体 ， 因此从理论上来说 ， 甲烷可以维持生命体的化学反应 ， 这也是氢气环境能够有微生物诞生的原因 。
地球的大气成分测定似乎比较容易 ， 那怎么观测其他星球的大气含量 ， 或者说 ， 如何寻找一个氢气星球呢？
最主要的手段是动用强大的望远镜 ， 观测到这些行星的光谱 ， 然后进行光谱分析 ， 每一个天体透过光谱分析 ， 都会显示独一无二的光谱身份证 。 通过光谱分析 ， 科学家可以研究行星大气里气体的吸收或者发射特征 。 如果存在二氧化碳、臭氧、甲烷、水蒸气在内的气体 ， 就会透过光谱身份证被检测出来 。
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△由詹姆斯·基勒设计 ， 约翰·布拉舍尔建造 ， 于1898年安装在利克天文台的恒星光谱仪（图源：维基百科）
对于岩石行星（以硅酸盐岩石为主要成分的行星） ， 通过观测其大气的目标包括：识别温室气体以估算外行星表面温度 ， 寻找水蒸气 ， 指示所有生命所需的地表液态水 ， 以及寻找可能归因于生命的“生物印记”气体 。
而对于各种岩质系外行星（岩质行星 （Rocky Planets）是指以硅酸盐岩石为主要成分的行星 ， 别名又叫“岩石行星） ， 观测大气的尝试会受到当前望远镜能力的限制 ， 哈勃太空望远镜WFC3是目前功能最强大的观测仪器 ， 但它也没有找出这些行星中的大气是以H2为主的证据 ， 当然观测也并不能排除以H2为主的覆盖大气层 。
虽然哈勃无法确切观测系外行星大气 ， 但也不必灰心 ， 天文学家相信 ， 可以通过NASA-欧洲航天局（James Webb）太空望远镜的透射光谱以及正在建造的超大型地面望远镜的直接成像 ， 来观察绕小红矮星飞行的行星的小型系外行星大气 。
此外 ， 含H2气体的系外行星将比含CO2和N2等平均分子质量较高气体的系外行星更容易探测和研究 。 根据尺度高度估计 ， H2大气的范围是N2为主的大气的14倍 ， 因此这些可能存在的以H2为主大气的岩石系外行星 ， 会比以N2或CO2为主的大气更容易被观测到 ， 加上具有研究岩石行星大气层能力的下一代望远镜将在未来几年内投入使用 ， 因此找到一颗大气以氢气为主的行星也将不再困难 。
说不定在不久的将来 ， 科学家们就能发现氢气星球下的生命 ， 到那时可不要惊讶哦～
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