如果我们发现了外星人,他们可能呼吸氢气——而不是氧气

我们很可能是通过分析大气层中的气体,实现首次发现另一颗恒星(系外行星)的轨道上运行的行星上存在生命的证据。随着已知类地行星数量的增加,我们很快就可以在系外行星的大气层中发现与地球生命相关的气体。

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但要是外星生命的物质组成和化学性质与我们不同呢?在《自然天文学》杂志发表的一篇新研究表明,我们利用大气层寻找生命证据的最佳机会是扩大我们的搜索范围,从关注像地球这样的行星到包括关注拥有氢气大气层的行星。

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当系外行星运行经过它的恒星前面时,我们可以探测到它的大气层。当这种过境发生时,恒星的发出的光必须穿过行星的大气层才能到达我们,其中一些光线在穿行的过程中被吸收。观察恒星的光谱——根据其波长可以看到它的光被分解了——并找出由于过境而缺少的光线,就可以发现大气中包含哪些气体。记录系外行星大气层是被延迟发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的目标之一。

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如果我们发现一个拥有与期望的不同的化学组成的大气层,最简单的解释之一会是:因为存在生命进程,才能保持这种大气结构。地球就是这样的情况。我们星球的大气层含有甲烷(CH₄),甲烷与氧气会自然反应产生二氧化碳,但生物作用使得大气中仍然充满甲烷

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另一种看待这个问题的方法是,在大约24亿年前开始的所谓大氧化事件中,如果氧气没有通过微生物光合作用从二氧化碳中释放出来,氧气根本就不会存在。

《看向氧气大气层之外》——这项新研究的作者们认为,我们应该开始研究比地球大、大气层以氢为主的世界。这些世界可能没有自由氧,因为氢和氧是高度易燃的混合物。

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1937年,充满氢气的兴登堡号飞艇被大火焚毁。这种火灾不可能发生在一个拥有无氧的氢气大气层的世界上。默里·贝克尔/联合出版社

氢气是所有分子中最轻的,很容易逃逸到太空中。一个岩石行星想要有足够强的引力来维持一个氢气大气层,它需要变成一个质量在地球两到十倍之间的”超级地球”。氢气可以直接从行星生长的气体云中捕获,或者通过铁和水之间的化学反应释放出来。

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以氢气为主的大气层密度下降的速度比地球等以氮气为主的大气层要低14倍。这使得围绕这颗行星的大气层的包围量增加14倍,使得我们很容易在光谱数据中发现这颗行星。更大的尺寸使我们更容易通过光学望远镜直接成像来观测这种大气层。

氢气-呼吸实验室实验——作者们在实验室进行了实验,证明大肠杆菌(数十亿大肠杆菌生活在你的肠道中)在完全没有氧气的情况下,可以在氢气环境下生存和繁殖。他们在各种酵母实验中也得到同样的结果。

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虽然这很有趣,但它并没为生命可以在氢大气下蓬勃发展的论点增添多少说服力。我们已经知道地壳中许多微生物通过代谢氢生存的,甚至有一种多细胞有机体,它一生都在地中海海底的无氧区度过。

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Spinoloricus(没有中文学术名,我觉得可以不翻译),一种微小的多细胞有机体,显然不需要氧气来生存。比例尺为 50 微米。罗伯托·达诺瓦罗、安东尼奥·戴尔安诺、安东尼奥·普斯塞杜、克里斯蒂娜·甘比、伊本·海纳和赖因哈特·莫比耶格·克里斯滕森

地球大气层最初没有氧气,也不可能曾有过超过1%比例的氢气。但是,早期生命可能不得不通过碳与氢气的化学反应来合成甲烷,而不是像人类那样用碳与氧气的反应来形成二氧化碳。

生物标志气体——这项研究确实得出了一个重要的发现。研究人员证明,在氢气下生活的大肠杆菌中产生的数十种气体存在”惊人的多样性”。在氢气大气层中,许多气体,如二甲基硫化物、硫化碳和异丙烯,可以探测到”生物特征”。这提高了我们在系外行星上识别生命体征的机会——你必须知道该寻找什么。

也就是说,使用氢气的代谢过程不如使用氧气的过程有效。然而,对天体生物学家而言,呼吸氢气的生命早已是一个既定的概念。在一些理性的科幻小说中甚至出现有感情的呼吸氢气的生命,如大卫·布林的小说《Uplift》中。

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新研究的作者们还指出,足够浓度的分子氢可以作为一种温室气体。这样,行星表面足够温暖而形成液态水,从而产生行星表面生命,对于远离恒星的行星就不是这样的情况了。

作者不愿考虑在木星等巨型气体行星中寻找生命的机会。即便如此,通过扩大可居住的世界的样本池,将拥有丰富氢气的大气层的超级地球也纳入其中,有可能将我们可以探测的天体数量增加一倍,以找到第一个难以捉摸的外星生命的迹象。

FY:Charmy

作者:David Rothery

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