富氫大氣中的生命：專訪麻省理工教授塞格博士
【2021年1月14日讯】
5月，《自然天文學》（Nature Astronomy）雜誌上發表了一項由麻省理工學院教授薩拉·西格（Sara Seager）博士和其他研究人員進行的研究，顯示大腸桿菌（Escherichia coli）和酵母菌等單細胞生物可以在100%氫氣和氦氣兩種大氣中茁壯成長。英文維基新聞與薩拉博士討論了這一發現，以了解更多關於她的研究。
除了地球之外，還沒有在任何生境中觀察到生命，因為地球的環境富含氧氣。雖然地球的大氣層以氮氣為主，但氧氣對高級生物體是必不可少的。有些種類的微生物不需要氧氣進行新陳代謝，稱為無氧生物，如甲烷菌，它們在釋放甲烷的同時依靠二氧化碳。
研究人員使用大腸桿菌菌株K-12和釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiæ）菌株S288C進行該實驗。這兩種微生物被保存在四種不同的環境中：一種是100％空氣，和其他三種是厭氧環境：100％H 2，100％He和80％-20％N 2 -CO 2。這些環境都保持在28°攝氏度。研究人員確保厭氧實驗環境是缺氧的，並安裝了氧傳感器來報告氧水平的波動。他們使用光密度測量法監測大腸桿菌的生長，並使用血細胞儀檢測酵母菌。
研究報告指出，生物體在100% H2和100% He的環境中都能正常繁殖。但是，其乙字形生長曲線與100%空氣不相上下。大腸桿菌和酵母菌從利用氧氣的ærobic呼吸轉換到ærobic呼吸和發酵。這兩個過程的效率都較低，而且產生的能量也不如ærobic呼吸多。
大腸桿菌在80%-20%N2-CO2的環境中，由於CO2的溶解，使液體培養基呈酸性，因此生長速度較慢。酵母菌培養物沒有觀察到這種生長速度的降低，因為酵母菌可以在酸性環境中茁壯成長。然而，酵母菌在100%空氣中的生長速度遠大於其他三種培養基。研究報告稱，造成這種顯著差異的可能原因是缺乏用於非呼吸目的的氧氣。氧氣是合成血紅素和甾醇等生化物質的必要條件，這些物質對酵母菌很重要。在缺乏氧氣產生這些化學物質的大氣中，酵母菌真菌的生長速度受阻。
西格博士說，有了這一發現，科學家們現在可以觀察到更多的行星，研究是否有可居住的生命。
「外面有各種各樣的宜居世界，我們已經證實了基於地球的生命可以在富含氫氣的大氣中生存。我們在考慮其他世界的生命時，一定要把這類星球加入到選項菜單中，並實際嘗試尋找生命，」塞格教授說。
利用新興技術應該很容易探測到具有擴大的富氫大氣層的岩石行星。氫氣和氦氣的密度很低。塞格博士說：「這有點讓人難以接受，但那些輕盈的氣體只是讓大氣層更加膨脹[...]而對於望遠鏡來說，與行星恆星的背景相比，大氣層越大，就越容易被探測到。」
研究論文指出，如果水與鐵發生反應，半徑低於地球半徑1.7倍（地球半徑約為6360公里）的岩石行星可以支持富含氫氣的大氣層。
研究報告稱，大腸桿菌生活在氫基大氣中時，會釋放出一些氣體，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。這些氣體可以作為生物特徵氣體，幫助天文學家探測和研究系外行星上的潛在生命。
塞格確認生命可以在沒有氧氣的大氣中茁壯成長，他說：「天文學家應該對哪些行星值得尋找生命保持開放的態度。」
隨着美國太空總署的詹姆斯·韋伯望遠鏡計劃於明年部署，該論文建議研究人員可以觀測到圍繞小型紅矮星運行的較小的系外行星。
採訪
是甚麼促使你對研究單細胞生物在氫氣環境中的生存感興趣？
Sara Seager
我們想向天文學家證明，生命可以在氫氣環境中生存，因為以氫氣為主的行星大氣層是目前技術最容易研究的（而不是以N2或CO2為主的大氣層）。
WN 是甚麼原因促使你進行這項研究？
Sara Seager 我一生的目標之一就是在系外行星上尋找生命的跡象。我們不願意因為我們的心胸太狹窄而錯過一些東西。
當我和其他人寫提案使用即將到來的望遠鏡（包括詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和現在正在建造的超大型望遠鏡。ELT、TMT、GMT），我們希望能夠指出氫氣層不應該殺死或毀滅生命的證據。
WN 團隊是甚麼時候開始進行這項研究的？
Sara Seager 大約三年前。然而我們大約在2年前開始認真工作。
WN 你能不能用很簡單的語言解釋一下，你做了甚麼，你看到了甚麼？
Sara Seager 我們在空氣以外的大氣中，包括分子氫氣（以及氦氣和二氧化碳／氮氣混合物）中生長出微生物大腸桿菌和酵母。我們看到，生命可以在這些其他類型的大氣中生長並茁壯成長。雖然，微生物的生長速度比在空氣中（即有氧氣的情況下）要慢。
WN 這項研究涉及到哪些行動（Activities）？
Sara Seager 訂製的密封瓶中生長着大腸桿菌和酵母菌。
WN 哪項活動花費的時間和注意力最多？
Sara Seager 訂製設備是最耗費時間的。
WN 在進行這個實驗的時候，團隊有沒有遇到甚麼挑戰？
Sara Seager 大量使用氫氣被認為是不安全的。雖然我們只使用了少量的氫氣，但安全條例使我們的工作充滿挑戰。
WN 這一發現最吸引人的地方是甚麼？它將如何影響未來的太空探索？
Sara Seager 大腸桿菌，一個簡單的單細胞生物體，能產生如此多不同的氣體。向天文學界證明生命能夠在以氫氣為主的環境中生存和發展，將使天文學家能夠迅速啟動對生命的探索，因為以氫氣為主的行星大氣是最容易研究的。
WN 你對這個結果感到驚訝嗎？
Sara Seager 不，我的團隊和其他地方的生物學家也不感到驚訝。氫氣對生命沒有毒性。而且，生命不是從大氣中獲取能量，而是從「broth」中獲取能量，即微生物所處的液體培養物。
我個人感到驚訝的是大腸桿菌產生的氣體的多樣性，這種低級的生命形式可以給我們帶來科學的希望，外星球上簡單的微生物型生命也可能產生一系列有趣的氣體。
WN 你如何定義甚麼是「生物特徵氣體」（Biosignature gas），與其他形式相比，它在尋找系外行星生命方面有甚麼優勢？
Sara Seager 「生物特徵氣體」（Biosignature gas）是指由生命產生的，可以在行星大氣層中積累，並能被遠程空間望遠鏡探測到的氣體。它是生命的「標誌」，而不是生命的萬能證據。
系外行星離我們是如此如此之遠。我們根本無法研究它們的大氣層。尋找不屬於特定大氣層的氣體，是我們希望在太陽系以外尋找生命跡象的主要方法。
一個例子就是地球上的氧氣。氧氣充滿了我們大氣層20%的體積。沒有植物和光合細菌，就沒有氧氣。如果有一個外星文明擁有我們希望建造的那種望遠鏡，他們能看到我們大氣層中的氧氣，他們就會知道氧氣是一種高反應性的氣體，不應該存在。外星人可能會推斷有生命在製造氧氣。
另一種選擇是SETI──通過主要是無線電信號的方式尋找地外信號。這需要智慧生命故意向我們發送信號。在尋找生物特徵氣體的過程中，我們可以依靠簡單的單細胞生命。
WN 你的團隊是否也調查了其他生物特徵氣體中細菌的生長規律？
Sara Seager 沒有。
WN 地球上有一些微生物已知在富氫環境中茁壯成長。為甚麼你決定在這個實驗中研究酵母菌和大腸桿菌？
Sara Seager 地球上富含氫氣的環境是非常罕見的，也不為人所知。我們決定做一個簡單的實驗，向天文學家清楚地傳達，生命可以在氫氣環境中生存和發展。
WN 如果存在以氫氣為主的大氣層的行星，可以容納生命──它們是否會有像臭氧氣體一樣的紫外線保護層？如果沒有，會對這些單細胞細菌的生命進化產生怎樣的影響？
Sara Seager 不，生物體可能要像地球上的某些生命一樣，發展出抗紫外線的能力。
WN 在實驗中，研究報告稱酵母菌「在純氫氣環境中的最大細胞濃度大大降低」。這可能是甚麼原因呢？
Sara Seager 儘管沒有氧氣，生命也能生存，但有了氧氣，生命的繁衍更多。
WN 這篇研究論文談到了大氣中含有大量氫氣的系統。你是否懷疑微生物可能生活在其中一些系統中？
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氫氣的星球上的生命是甚麼樣子的棲息地？
Sara Seager 不見得。（Not really）
WN 這是否應該改變我們對其他星球生命的探索？如果是，如何改變？
Sara Seager 這應該會繼續推動天文學家對甚麼樣的行星可能適合居住。即使有了我們即將到來的先進望遠鏡，我們可以在周圍尋找生命的行星也將是如此之少，所以我們要保持選擇的開放性。
WN 有哪些方法可以探測到外星球上的微觀外星生命？還是超出了物理儀器的限制？
Sara Seager 目前已經超出了限制。未來的望遠鏡將能夠搜索可能與微生物有關的氣體。
WN 是否有任何符合上述描述的候選系外行星或衞星可以成為生命的潛在宿主？
Sara Seager 有一個列表，但我們對系外行星的了解還不夠，我們需要更多的訊息。
WN 某些類別的系外行星是否更有可能支持氫基生命體？
Sara Seager 超級地球。我們知道炎熱的木星和巨大的系外行星有氫/氦大氣層，但它們的大氣層下太熱，生命無法生存。
WN 你能描述一下甚麼樣的星球會有這樣的大氣層嗎？
Sara Seager 行星的大氣層中天生就有氫，即使是地球的大氣層中也有極少量的氫。過去的計算（即理論，而非觀測）顯示了行星在哪些情況下可以擁有以氫氣為主的大氣層。如果它是由具有含H的礦物的構件組成，它可以出氣。或者有些行星可以在行星形成的時候從行星星雲中捕獲一個H/He，那麼即使它們損失了一些H和He，也可能會從內部保持出氣。
WN 多大質量的系外行星才會有足夠的大氣層支持氫基生命？我懷疑低於一個閾值，行星的引力可能太弱，行星可能會失去大氣層。
Sara Seager 正確。我們對系外行星的大氣層知之甚少；需要即將進行的觀測來了解更多。
WN 酵母和大腸桿菌能在很稀薄的大氣中或真空中生存嗎？
Sara Seager 可能不能。（Probably not）
WN 大腸桿菌或酵母菌的生存是否需要消耗氫氣？
Sara Seager 不需要。
WN 已發現多少顆以氫氣為主的系外行星或衞星？它們有多常見？
Sara Seager 由於我們還不能觀測和研究岩質行星大氣，所以還沒有發現氫氣為主的岩質行星。
WN 我們能否預測行星可能支持生命的宿主星的類別？
Sara Seager 我們不能。
WN 生活在高濃度的氫氣中對大腸桿菌和酵母菌有哪些不利影響？
Sara Seager 據我所知，沒有
WN 在整個實驗過程中，你是如何保證氣體濃度保持穩定的？
Sara Seager 密封瓶。
WN 是否將微生物從瓶中取出來進行計數？
Sara Seager 是的，用針，這樣空氣就不會進入瓶中。
WN 100%氦氣和100%氫氣環境的生長曲線幾乎相同。這說明了甚麼？
Sara Seager 我們研究的生命很可能在任何類型的無毒大氣中生存，如果它有能量、營養物質和液體。
WN 學會了微生物可以在100%的氫氣環境中生存和生長有甚麼意義？
Sara Seager 我們用100%純氫大氣作為氫氣為主的大氣的代表（因為大氣不可能是純甚麼的）。
其意義在於對天文學家來說。在我們進一步尋找系外行星上的生命時（一旦下一代望遠鏡為我們所用），我們將通過系外行星大氣中可能由生命產生的氣體來尋找生命的跡象。
具有氫氣大氣層的岩石行星將比具有氮氣或二氧化碳大氣層的行星更容易研究，因為氫氣是一種輕質氣體，並且會產生一種擴張性的大氣。
我應該注意到，我們還沒有任何已知的具有氫氣大氣層的岩石行星，但它們是理論上的。我們也根本沒有大量的岩石行星具有可獲取的大氣層。所以，這整個感想有些在未來。
WN 從細菌在80%氮氣、20%二氧化碳環境下的生長曲線可以推斷出甚麼？
Sara Seager 這種空氣是作為對照，並不打算有單獨的意義。
WN 你認為明年的詹姆斯·韋伯望遠鏡將如何確定未來幾年天體生物學的發展方向？
Sara Seager 韋伯望遠鏡已經準備好回答你上述有關岩石系外行星大氣層的一些問題。韋伯望遠鏡有很小的機會找到生物特徵氣體，但實際上只有一小部分行星可供研究。
WN 未來是否有計劃跟進這項研究？或許在不同的物理環境和不同的微生物中進行？
Sara Seager 我的團隊不打算進行後續工作。
WN 這個研究領域的前景如何？
Sara Seager 用韋伯望遠鏡和正在建造的其他望遠鏡進行觀測。
消息來源
- 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。
