地球生命首次挑战100%氢气的大气

系外行星是指那些围绕着除太阳之外的其他恒星运行的行星。如果有一天，我们能在系外行星上找到生命的证据，那很可能是通过分析其大气的成分而发现的。

当一颗系外行星经过它的恒星前面时，我们就能对其大气进行探测。因为在这种所谓的凌日事件发生时，恒星的光必须穿过行星的大气，才能到达我们这里，而其中一些光在这个过程中被吸收。因此通过观察恒星的光谱，也就是根据波长被“分解”的光，并计算出“丢失”的部分，就能揭示行星大气的气体组成。一再推迟发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜的未来目标之一，就是观测记录系外行星的大气。

科学家会借助一些“生物标记气体”（biosignature gas）来探索行星上生命的可能，比如有些气体成分需要通过生命过程来维持。地球大气中所含有的甲烷（CH₄）就是如此，它与氧气会自然反应生成二氧化碳，但它能通过生物过程不断补充。从另一个角度看，如果没有光合微生物在大约始于24亿年前的大氧化事件中将氧气从二氧化碳中“放”出来，那么大气中的氧气也根本不会存在。

尽管如此，但如果外星生命所利用的是与我们不同的化学呢？发表在《自然·天文学》上的一项新研究认为，想要尽可能利用大气来寻找生命证据，或许需要扩大我们的搜索范围，除了类地行星之外，可能也还要关注那些大气中富含氢气的行星。系外行星天文学家Sara Seager和团队用实验证明，一些微生物能在100%由氢气组成的大气中生存繁衍。

氢气是所有分子中最轻的，它很容易逃逸到太空。因此一颗岩质行星要有足够强的引力来维系这样的大气，它要是个“超级地球”，质量约是地球的2到10倍才行。这些氢气要么是直接从行星生长的气体云中获取的，要么是后来由铁和水发生化学反应而释放出来的。

由于氢气非常轻，以氢气为主（或者完全由氢气组成）的大气包层最多可以比地球大气层厚14倍，使得在光谱数据中很容易就能发现它们。更大的厚度将可以提高我们用光学望远镜直接成像来观测这种大气的机会。

研究人员在实验室进行了实验，他们把大肠杆菌和酵母放在装有营养液的小瓶里，这两种生物常常被当作其他单细胞生物的“替身”。研究人员将6个瓶子里的空气分别替换成纯氢气、纯氦气，以及80%氮气和20%二氧化碳的混合物。还有一组瓶子里装的是地球上的空气。

每隔几个小时，研究人员就用皮下针头除去一些微生物，计算有多少微生物仍然存活。他们发现，虽然在普通的地球空气中，这些微生物繁衍得最为旺盛；但同时它们也能在每一种被测试的大气成分中增殖，也就是说，它们可以在完全没有氧气的氢气环境下生存和繁殖。

这项研究还发现，尽管大肠杆菌是种非常简单的生物，但在氢气环境中，它们能产生的气体有着“惊人的多样性”。其中许多气体，如二甲基硫醚、羰基硫和异戊二烯，都可以成为富含氢气的大气中可探测的生物标记。这有望增加我们在系外行星上识别生命迹象的机会。

○ 根据现有数据制作的大肠杆菌产生气体的光谱特征。| 图片来源：参考来源[3]

Seager表示，虽然我们已经知道，地壳中有许多微生物可以在富含氢气的环境中生存，甚至在地球上也发现了不依赖氧气存活的多细胞生物。但之前从未让微生物在纯氢气的环境中经受过“考验”，因此这是项很有价值的实验。

对生命而言，仅有富含氢气的大气可能还不够，在岩质行星表面可能还需要有富含其他营养物质的“营养液”才行，比如液态水的海洋。新研究还提到，足够浓度的氢气分子可以充当温室气体。这可以使行星表面维持足够高的温度，为液态水的存在创造可能，从而使生命得以有机会涌现。

对于天体生物学家来说，氢呼吸生命似乎已经成了一种“既定设定”。有知觉的呼吸氢气的生命早就出现在了一些科幻小说中。而新的研究清晰地表明了，如果地球上的生命可以在纯氢气环境下生存，那么外星生命自然也有可能。这样的结果似乎是在提醒我们，当我们在研究其他行星时，或许应该尽量跳出“以地球为中心”的思维框架，摒弃一些因“地球常识”而设置的局限，大胆地思考一些更有趣的可能。