出品：科普中國
製作：韓培（中國科學院空間應用工程與技術中心）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
生命是怎樣開始的呢？它能在什麼樣的極端環境中生存呢？除了地球，生命能在地球之外的環境中存活嗎？離開地球大氣，生命還能生長嗎？
這些問題解答起來會很複雜，牽扯到很多化學知識，甚至於科學家們還一直在孜孜不倦地探索這些未知的領域。
最近，有了新的進展！根據近期《自然-天文學》發表的一篇論文，科學家驚訝地發現，微生物可以在百分之一百的氫氣中生存和生長。這項發現表明，生命可以生存的系外行星環境可能比之前認為的更加豐富多樣。
△圖源：Veer圖庫
氫氣也能「孕育」生命？
氫為主的大氣中含有微量的還原氣體，有利於生命的起源，因為還原前體分子被認為是生命起源所必需的。以重要的有機前體分子腈或羰基為例，如果存在還原性氣體，它們最終可能參與生物重要分子，如核苷酸（例如在RNA和DNA中）或胺基酸（例如在蛋白質中）的形成。
科學家們選擇了原核生物中的大腸桿菌和真菌中的酵母來進行實驗，因為它們是生物學中經常使用的模式生物（即可用於研究與解釋生命體某種具有普遍規律的生物現象的一類生物）：大腸桿菌作為外源基因表達的宿主，遺傳背景清楚，技術操作與培養條件簡單，是應用最廣泛、最成功的表達體系；而酵母基因與高等真核生物基因具有同源性，人們利用酵母菌發現了真核細胞周期調控機制。
△顯微鏡下的大腸桿菌（圖源：https://media1.s-nbcnews.com/）
過去的研究工作是非常有限的，這體現在兩方面：首先，在高氫氣氣體濃度的環境中，僅研究了一小部分通常依賴於氫氣生存的簡單微生物，例如通常在80％氫氣和20％二氧化碳中生長的產甲烷菌，而關於真核生物的研究寥寥無幾，更是沒有對酵母的研究。其次，儘管尚不知道氫氣能夠對生命產生多大的毒性（對動物的健康危害僅與通過置換肺中的氧氣進行窒息有關），但過去的研究也未能證明微生物會在純100％氫氣中生長。
而這項研究發現，簡單的單細胞原核生物——大腸桿菌，以及更複雜的單細胞真核生物——酵母都可以在100％氫氣氣體環境下的液體培養基中生存和繁殖。
△釀酒酵母菌株的彩色掃描電子顯微照片（圖源：phys.org）
對於生長在100%氫氣中的大腸桿菌，最大細胞濃度（每單位體積的細胞數）僅比在空氣中生長的大腸桿菌中的濃度小兩倍。如果可用氧氣的含量低，大腸桿菌將從有氧呼吸轉變為基於無氧呼吸或發酵的低效能量代謝（單位分解有機物產生的能量較小）。酵母菌在100%氫氣中的最大細胞濃度比在空氣中顯著降低，大概是降低2.5倍，而且繁殖時間是空氣中的大約三倍時間。
如果生命能在100%氫氣的大氣中生存，那麼它也能在氫氣主導的大氣中生存。這意味著，我們未來在尋找宜居行星的時候，就可以打破以前的標準，不用再以尋找含氧大氣為標準尋找宜居星球了。
那麼，在氦氣、氮氣等其他氣體環境下，生命能存活嗎？
不僅氫氣，研究人員還探索了氦氣環境下的生命生存狀態。結果發現，與氫氣環境相比，純氦氣環境的其他控制措施顯示出類似的大腸桿菌生長曲線，這說明生命也有可能在氦氣環境下生存。
如何找到一顆氫氣星球？
氫分子是太陽系中含量最為豐富的物質，它是氣態巨行星木星、土星、天王星，以及海王星的主要成分，約佔其總質量的86%。雖然在地球上，氫氣在大氣中所佔的比例還不到百萬分之一，但實際上，在地球早期的過程中，大氣層主要也是由氦氣和氫氣構成。有科學家根據宇宙大爆炸理論進行分析，認為大爆炸發生之後所產生的所有原子中有大約92%是氫，剩下的幾乎是氦。
△圖源：Veer圖庫
那麼地球中的氫氣去了哪裡呢？像木星、土星這些巨行星能夠通過它們的引力將宇宙中的氫和氦吸收，造就了它們大氣層中氣體含量的情況。而地球的引力不夠，所以早期大氣層中的氫和氦氣體很多都游離到太空中去了。在9億年前，地球大氣中的H2含量大約就只有0.1％了。今天，地球上產生的這些少量氫氣或被微生物消耗，或在大氣中氧化，又或者逃逸到太空中。
現代地球上富含氫氣的環境中也有微生物（如硫還原菌和一些古細菌）。目前尚不清楚是否有更複雜的真核微生物棲息在如此高濃度氫氣環境中，但研究人員的實驗支持這樣的想法，即原則上可以存在，因為氫氣環境中可能伴隨有甲烷，如果存在的氫是碳的四倍，甲烷將在中等溫度的大氣中形成。此外，隨著氫氣的增加，甲烷可能會逐漸從初始的大的內部水儲層中排出氣體，以補充大氣中的揮發。
△圖源：Veer圖庫
甲烷氣體無毒，因為甲烷不易與細胞的生化物質發生有害的化學反應。那麼甲烷為什麼重要呢？從生命起源的角度來說，純淨的碳氫化合物液體可能比水更適合成為有機化學反應的載體，因此從理論上來說，甲烷可以維持生命體的化學反應，這也是氫氣環境能夠有微生物誕生的原因。
地球的大氣成分測定似乎比較容易，那怎麼觀測其他星球的大氣含量，或者說，如何尋找一個氫氣星球呢？
最主要的手段是動用強大的望遠鏡，觀測到這些行星的光譜，然後進行光譜分析，每一個天體透過光譜分析，都會顯示獨一無二的光譜身份證。通過光譜分析，科學家可以研究行星大氣裡氣體的吸收或者發射特徵。如果存在二氧化碳、臭氧、甲烷、水蒸氣在內的氣體，就會透過光譜身份證被檢測出來。
△由詹姆斯·基勒設計，約翰·布拉舍爾建造，於1898年安裝在利克天文臺的恆星光譜儀（圖源：維基百科）
對於巖石行星（以矽酸鹽巖石為主要成分的行星），通過觀測其大氣的目標包括：識別溫室氣體以估算外行星表面溫度，尋找水蒸氣，指示所有生命所需的地表液態水，以及尋找可能歸因於生命的「生物印記」氣體。
而對於各種巖質系外行星（巖質行星 （Rocky Planets）是指以矽酸鹽巖石為主要成分的行星，別名又叫「巖石行星），觀測大氣的嘗試會受到當前望遠鏡能力的限制，哈勃太空望遠鏡WFC3是目前功能最強大的觀測儀器，但它也沒有找出這些行星中的大氣是以H2為主的證據，當然觀測也並不能排除以H2為主的覆蓋大氣層。
雖然哈勃無法確切觀測系外行星大氣，但也不必灰心，天文學家相信，可以通過NASA-歐洲航天局（James Webb）太空望遠鏡的透射光譜以及正在建造的超大型地面望遠鏡的直接成像，來觀察繞小紅矮星飛行的行星的小型系外行星大氣。
此外，含H2氣體的系外行星將比含CO2和N2等平均分子質量較高氣體的系外行星更容易探測和研究。根據尺度高度估計，H2大氣的範圍是N2為主的大氣的14倍，因此這些可能存在的以H2為主大氣的巖石系外行星，會比以N2或CO2為主的大氣更容易被觀測到，加上具有研究巖石行星大氣層能力的下一代望遠鏡將在未來幾年內投入使用，因此找到一顆大氣以氫氣為主的行星也將不再困難。
說不定在不久的將來，科學家們就能發現氫氣星球下的生命，到那時可不要驚訝哦～