富氢大气中的生命：专访麻省理工教授塞格博士
【2021年1月14日讯】
5月，《自然天文学》（Nature Astronomy）杂志上发表了一项由麻省理工学院教授萨拉·西格（Sara Seager）博士和其他研究人员进行的研究，显示大肠杆菌（Escherichia coli）和酵母菌等单细胞生物可以在100%氢气和氦气两种大气中茁壮成长。英文维基新闻与萨拉博士讨论了这一发现，以了解更多关于她的研究。
除了地球之外，还没有在任何生境中观察到生命，因为地球的环境富含氧气。虽然地球的大气层以氮气为主，但氧气对高级生物体是必不可少的。有些种类的微生物不需要氧气进行新陈代谢，称为无氧生物，如甲烷菌，它们在释放甲烷的同时依靠二氧化碳。
研究人员使用大肠杆菌菌株K-12和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiæ）菌株S288C进行该实验。这两种微生物被保存在四种不同的环境中：一种是100％空气，和其他三种是厌氧环境：100％H 2，100％He和80％-20％N 2 -CO 2。这些环境都保持在28°摄氏度。研究人员确保厌氧实验环境是缺氧的，并安装了氧传感器来报告氧水平的波动。他们使用光密度测量法监测大肠杆菌的生长，并使用血细胞仪检测酵母菌。
研究报告指出，生物体在100% H2和100% He的环境中都能正常繁殖。但是，其乙字形生长曲线与100%空气不相上下。大肠杆菌和酵母菌从利用氧气的ærobic呼吸转换到ærobic呼吸和发酵。这两个过程的效率都较低，而且产生的能量也不如ærobic呼吸多。
大肠杆菌在80%-20%N2-CO2的环境中，由于CO2的溶解，使液体培养基呈酸性，因此生长速度较慢。酵母菌培养物没有观察到这种生长速度的降低，因为酵母菌可以在酸性环境中茁壮成长。然而，酵母菌在100%空气中的生长速度远大于其他三种培养基。研究报告称，造成这种显著差异的可能原因是缺乏用于非呼吸目的的氧气。氧气是合成血红素和甾醇等生化物质的必要条件，这些物质对酵母菌很重要。在缺乏氧气产生这些化学物质的大气中，酵母菌真菌的生长速度受阻。
西格博士说，有了这一发现，科学家们现在可以观察到更多的行星，研究是否有可居住的生命。
“外面有各种各样的宜居世界，我们已经证实了基于地球的生命可以在富含氢气的大气中生存。我们在考虑其他世界的生命时，一定要把这类星球加入到选项菜单中，并实际尝试寻找生命，”塞格教授说。
利用新兴技术应该很容易探测到具有扩大的富氢大气层的岩石行星。氢气和氦气的密度很低。塞格博士说：“这有点让人难以接受，但那些轻盈的气体只是让大气层更加膨胀[...]而对于望远镜来说，与行星恒星的背景相比，大气层越大，就越容易被探测到。”
研究论文指出，如果水与铁发生反应，半径低于地球半径1.7倍（地球半径约为6360公里）的岩石行星可以支持富含氢气的大气层。
研究报告称，大肠杆菌生活在氢基大气中时，会释放出一些气体，包括氨、甲硫醇、二甲基硫化物、羰基硫化物、二硫化碳和一氧化二氮。这些气体可以作为生物特征气体，帮助天文学家探测和研究系外行星上的潜在生命。
塞格确认生命可以在没有氧气的大气中茁壮成长，他说：“天文学家应该对哪些行星值得寻找生命保持开放的态度。”
随着美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯望远镜计划于明年部署，该论文建议研究人员可以观测到围绕小型红矮星运行的较小的系外行星。
采访
是什么促使你对研究单细胞生物在氢气环境中的生存感兴趣？
Sara Seager
我们想向天文学家证明，生命可以在氢气环境中生存，因为以氢气为主的行星大气层是目前技术最容易研究的（而不是以N2或CO2为主的大气层）。
WN 是什么原因促使你进行这项研究？
Sara Seager 我一生的目标之一就是在系外行星上寻找生命的迹象。我们不愿意因为我们的心胸太狭窄而错过一些东西。
当我和其他人写提案使用即将到来的望远镜（包括詹姆斯·韦伯太空望远镜和现在正在建造的超大型望远镜。ELT、TMT、GMT），我们希望能够指出氢气层不应该杀死或毁灭生命的证据。
WN 团队是什么时候开始进行这项研究的？
Sara Seager 大约三年前。然而我们大约在2年前开始认真工作。
WN 你能不能用很简单的语言解释一下，你做了什么，你看到了什么？
Sara Seager 我们在空气以外的大气中，包括分子氢气（以及氦气和二氧化碳／氮气混合物）中生长出微生物大肠杆菌和酵母。我们看到，生命可以在这些其他类型的大气中生长并茁壮成长。虽然，微生物的生长速度比在空气中（即有氧气的情况下）要慢。
WN 这项研究涉及到哪些行动（Activities）？
Sara Seager 订制的密封瓶中生长着大肠杆菌和酵母菌。
WN 哪项活动花费的时间和注意力最多？
Sara Seager 订制设备是最耗费时间的。
WN 在进行这个实验的时候，团队有没有遇到什么挑战？
Sara Seager 大量使用氢气被认为是不安全的。虽然我们只使用了少量的氢气，但安全条例使我们的工作充满挑战。
WN 这一发现最吸引人的地方是什么？它将如何影响未来的太空探索？
Sara Seager 大肠杆菌，一个简单的单细胞生物体，能产生如此多不同的气体。向天文学界证明生命能够在以氢气为主的环境中生存和发展，将使天文学家能够迅速启动对生命的探索，因为以氢气为主的行星大气是最容易研究的。
WN 你对这个结果感到惊讶吗？
Sara Seager 不，我的团队和其他地方的生物学家也不感到惊讶。氢气对生命没有毒性。而且，生命不是从大气中获取能量，而是从“broth”中获取能量，即微生物所处的液体培养物。
我个人感到惊讶的是大肠杆菌产生的气体的多样性，这种低级的生命形式可以给我们带来科学的希望，外星球上简单的微生物型生命也可能产生一系列有趣的气体。
WN 你如何定义什么是“生物特征气体”（Biosignature gas），与其他形式相比，它在寻找系外行星生命方面有什么优势？
Sara Seager “生物特征气体”（Biosignature gas）是指由生命产生的，可以在行星大气层中积累，并能被远程空间望远镜探测到的气体。它是生命的“标志”，而不是生命的万能证据。
系外行星离我们是如此如此之远。我们根本无法研究它们的大气层。寻找不属于特定大气层的气体，是我们希望在太阳系以外寻找生命迹象的主要方法。
一个例子就是地球上的氧气。氧气充满了我们大气层20%的体积。没有植物和光合细菌，就没有氧气。如果有一个外星文明拥有我们希望建造的那种望远镜，他们能看到我们大气层中的氧气，他们就会知道氧气是一种高反应性的气体，不应该存在。外星人可能会推断有生命在制造氧气。
另一种选择是SETI──通过主要是无线电信号的方式寻找地外信号。这需要智慧生命故意向我们发送信号。在寻找生物特征气体的过程中，我们可以依靠简单的单细胞生命。
WN 你的团队是否也调查了其他生物特征气体中细菌的生长规律？
Sara Seager 没有。
WN 地球上有一些微生物已知在富氢环境中茁壮成长。为什么你决定在这个实验中研究酵母菌和大肠杆菌？
Sara Seager 地球上富含氢气的环境是非常罕见的，也不为人所知。我们决定做一个简单的实验，向天文学家清楚地传达，生命可以在氢气环境中生存和发展。
WN 如果存在以氢气为主的大气层的行星，可以容纳生命──它们是否会有像臭氧气体一样的紫外线保护层？如果没有，会对这些单细胞细菌的生命进化产生怎样的影响？
Sara Seager 不，生物体可能要像地球上的某些生命一样，发展出抗紫外线的能力。
WN 在实验中，研究报告称酵母菌“在纯氢气环境中的最大细胞浓度大大降低”。这可能是什么原因呢？
Sara Seager 尽管没有氧气，生命也能生存，但有了氧气，生命的繁衍更多。
WN 这篇研究论文谈到了大气中含有大量氢气的系统。你是否怀疑微生物可能生活在其中一些系统中？
Sara Seager 在地球上，是的。（On Earth, yes, in niches. ）
WN 地球上是否有可能暗示富含氢气的星球上的生命是什么样子的栖息地？
Sara Seager 不见得。（Not really）
WN 这是否应该改变我们对其他星球生命的探索？如果是，如何改变？
Sara Seager 这应该会继续推动天文学家对什么样的行星可能适合居住。即使有了我们即将到来的先进望远镜，我们可以在周围寻找生命的行星也将是如此之少，所以我们要保持选择的开放性。
WN 有哪些方法可以探测到外星球上的微观外星生命？还是超出了物理仪器的限制？
Sara Seager 目前已经超出了限制。未来的望远镜将能够搜索可能与微生物有关的气体。
WN 是否有任何符合上述描述的候选系外行星或卫星可以成为生命的潜在宿主？
Sara Seager 有一个列表，但我们对系外行星的了解还不够，我们需要更多的讯息。
WN 某些类别的系外行星是否更有可能支持氢基生命体？
Sara Seager 超级地球。我们知道炎热的木星和巨大的系外行星有氢/氦大气层，但它们的大气层下太热，生命无法生存。
WN 你能描述一下什么样的星球会有这样的大气层吗？
Sara Seager 行星的大气层中天生就有氢，即使是地球的大气层中也有极少量的氢。过去的计算（即理论，而非观测）显示了行星在哪些情况下可以拥有以氢气为主的大气层。如果它是由具有含H的矿物的构件组成，它可以出气。或者有些行星可以在行星形成的时候从行星星云中捕获一个H/He，那么即使它们损失了一些H和He，也可能会从内部保持出气。
WN 多大质量的系外行星才会有足够的大气层支持氢基生命？我怀疑低于一个阈值，行星的引力可能太弱，行星可能会失去大气层。
Sara Seager 正确。我们对系外行星的大气层知之甚少；需要即将进行的观测来了解更多。
WN 酵母和大肠杆菌能在很稀薄的大气中或真空中生存吗？
Sara Seager 可能不能。（Probably not）
WN 大肠杆菌或酵母菌的生存是否需要消耗氢气？
Sara Seager 不需要。
WN 已发现多少颗以氢气为主的系外行星或卫星？它们有多常见？
Sara Seager 由于我们还不能观测和研究岩质行星大气，所以还没有发现氢气为主的岩质行星。
WN 我们能否预测行星可能支持生命的宿主星的类别？
Sara Seager 我们不能。
WN 生活在高浓度的氢气中对大肠杆菌和酵母菌有哪些不利影响？
Sara Seager 据我所知，没有
WN 在整个实验过程中，你是如何保证气体浓度保持稳定的？
Sara Seager 密封瓶。
WN 是否将微生物从瓶中取出来进行计数？
Sara Seager 是的，用针，这样空气就不会进入瓶中。
WN 100%氦气和100%氢气环境的生长曲线几乎相同。这说明了什么？
Sara Seager 我们研究的生命很可能在任何类型的无毒大气中生存，如果它有能量、营养物质和液体。
WN 学会了微生物可以在100%的氢气环境中生存和生长有什么意义？
Sara Seager 我们用100%纯氢大气作为氢气为主的大气的代表（因为大气不可能是纯什么的）。
其意义在于对天文学家来说。在我们进一步寻找系外行星上的生命时（一旦下一代望远镜为我们所用），我们将通过系外行星大气中可能由生命产生的气体来寻找生命的迹象。
具有氢气大气层的岩石行星将比具有氮气或二氧化碳大气层的行星更容易研究，因为氢气是一种轻质气体，并且会产生一种扩张性的大气。
我应该注意到，我们还没有任何已知的具有氢气大气层的岩石行星，但它们是理论上的。我们也根本没有大量的岩石行星具有可获取的大气层。所以，这整个感想有些在未来。
WN 从细菌在80%氮气、20%二氧化碳环境下的生长曲线可以推断出什么？
Sara Seager 这种空气是作为对照，并不打算有单独的意义。
WN 你认为明年的詹姆斯·韦伯望远镜将如何确定未来几年天体生物学的发展方向？
Sara Seager 韦伯望远镜已经准备好回答你上述有关岩石系外行星大气层的一些问题。韦伯望远镜有很小的机会找到生物特征气体，但实际上只有一小部分行星可供研究。
WN 未来是否有计划跟进这项研究？或许在不同的物理环境和不同的微生物中进行？
Sara Seager 我的团队不打算进行后续工作。
WN 这个研究领域的前景如何？
Sara Seager 用韦伯望远镜和正在建造的其他望远镜进行观测。
消息来源
- Sara Seager，Exoplanet Biosignature Gases，Sara Seager，2020年9月7日。
- Charles Q Choi，Microbes could survive on planets with all-hydrogen atmospheres，ABC News (United States)，2020年5月9日。
- Evan Gough，Worlds With Hydrogen in Their Atmospheres Could Be the Perfect Place to Search for Life，Universe Today，2020年5月5日。
- Nature Astronomy，Planetary science: Life under a hydrogen atmosphere，Nature Asia，2020年5月5日。
- Sara Seager, Jingcheng Huang, Janusz Petkowski, Mihkel Pajusalu，Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres supplimentary material，Springer，2020年5月5日。
- Jennifer Chu，Study: Life might survive, and thrive, in a hydrogen world，MIT News，2020年5月4日。
- Sara Seager, Jingcheng Huang, Janusz Petkowski, Mihkel Pajusalu，Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres，Nature Astronomy，2020年5月4日。
- Sara Seager，Potential for life in hydrogen-dominated exoplanet atmospheres，Nature.com，2020年5月4日。
