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圖片來源：pixabay.com

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當(dāng)一顆系外行星經(jīng)過它的恒星前面時(shí)，我們就能對(duì)其大氣進(jìn)行探測。因?yàn)樵谶@種所謂的凌日事件發(fā)生時(shí)，恒星的光必須穿過行星的大氣，才能到達(dá)我們這里，而其中一些光在這個(gè)過程中被吸收。因此通過觀察恒星的光譜，也就是根據(jù)波長被“分解”的光，并計(jì)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(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的未來目標(biāo)之一，就是觀測記錄系外行星的大氣。

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科學(xué)家會(huì)借助一些“生物標(biāo)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（CH?）就是如此，它與氧氣會(huì)自然反應(yīng)生成二氧化碳，但它能通過生物過程不斷補(bǔ)充。從另一個(gè)角度看，如果沒有光合微生物在大約始于24億年前的大氧化事件中將氧氣從二氧化碳中“放”出來，那么大氣中的氧氣也根本不會(huì)存在。

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盡管如此，但如果外星生命所利用的是與我們不同的化學(xué)呢？發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上的一項(xiàng)新研究認(rèn)為，想要盡可能利用大氣來尋找生命證據(jù)，或許需要擴(kuò)大我們的搜索范圍，除了類地行星之外，可能也還要關(guān)注那些大氣中富含氫氣的行星。系外行星天文學(xué)家Sara Seager和團(tuán)隊(duì)用實(shí)驗(yàn)證明，一些微生物能在100%由氫氣組成的大氣中生存繁衍。

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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(zhì)行星要有足夠強(qiáng)的引力來維系這樣的大氣，它要是個(gè)“超級(jí)地球”，質(zhì)量約是地球的2到10倍才行。這些氫氣要么是直接從行星生長的氣體云中獲取的，要么是后來由鐵和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而釋放出來的。

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由于氫氣非常輕，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(shù)據(jù)中很容易就能發(fā)現(xiàn)它們。更大的厚度將可以提高我們用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接成像來觀測這種大氣的機(jī)會(huì)。

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研究人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他們把大腸桿菌和酵母放在裝有營養(yǎng)液的小瓶里，這兩種生物常常被當(dāng)作其他單細(xì)胞生物的“替身”。研究人員將6個(gè)瓶子里的空氣分別替換成純氫氣、純氦氣，以及80%氮?dú)夂?0%二氧化碳的混合物。還有一組瓶子里裝的是地球上的空氣。

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每隔幾個(gè)小時(shí)，研究人員就用皮下針頭除去一些微生物，計(jì)算有多少微生物仍然存活。他們發(fā)現(xiàn)，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(shí)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(huán)境下生存和繁殖。

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這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，盡管大腸桿菌是種非常簡單的生物，但在氫氣環(huán)境中，它們能產(chǎn)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(biāo)記。這有望增加我們在系外行星上識(shí)別生命跡象的機(jī)會(huì)。

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○ 根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)制作的大腸桿菌產(chǎn)生氣體的光譜特征。| 圖片來源：參考來源[3]

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Seager表示，雖然我們已經(jīng)知道，地殼中有許多微生物可以在富含氫氣的環(huán)境中生存，甚至在地球上也發(fā)現(xiàn)了不依賴氧氣存活的多細(xì)胞生物。但之前從未讓微生物在純氫氣的環(huán)境中經(jīng)受過“考驗(yàn)”，因此這是項(xiàng)很有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)。

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對(duì)生命而言，僅有富含氫氣的大氣可能還不夠，在巖質(zhì)行星表面可能還需要有富含其他營養(yǎng)物質(zhì)的“營養(yǎng)液”才行，比如液態(tài)水的海洋。新研究還提到，足夠濃度的氫氣分子可以充當(dāng)溫室氣體。這可以使行星表面維持足夠高的溫度，為液態(tài)水的存在創(chuàng)造可能，從而使生命得以有機(jī)會(huì)涌現(xiàn)。

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對(duì)于天體生物學(xué)家來說，氫呼吸生命似乎已經(jīng)成了一種“既定設(shè)定”。有知覺的呼吸氫氣的生命早就出現(xiàn)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(huán)境下生存，那么外星生命自然也有可能。這樣的結(jié)果似乎是在提醒我們，當(dāng)我們在研究其他行星時(shí)，或許應(yīng)該盡量跳出“以地球?yàn)橹行摹钡乃季S框架，摒棄一些因“地球常識(shí)”而設(shè)置的局限，大膽地思考一些更有趣的可能。

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參考來源：

[1] https://theconversation.com/hydrogen-breathing-aliens-study-suggests-new-approach-to-finding-extraterrestrial-life-137630

[2] https://www.sciencenews.org/article/planets-hydrogen-rich-atmosphere-alien-life

[3] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1069-4

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