生命延续必须靠氧气？麻省理工：100% 纯氢气环境也可以

麻省理工学院系外行星天文学家 Sara Seager 如是说道。

水和氧气，是生命生存的条件，也是一直以来天文学家判断系外行星是否存在生命的依据之一。但近日，来自麻省理工学院地球大气与行星系、物理系、航空航天系、化学系的一组研究人员却发现，一些微生物能在 100% 纯氢气的环境中生存繁衍！

当地时间 2020 年 5 月 4 日， 该团队题为 Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres（在以氢气为主的系外行星大气中生命生存能力的实验室研究）的论文在线发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志。

行星的大气层或以氢气为主

历史上，天文学家倾向于相信太阳系外存在其它行星，直到 1990 年代，人类终于首次确认了系外行星的存在。

此后，天文学家对系外行星的研究重心之一便是探究系外行星之中是否存在生命。

为探究系外行星上是否有生命存在，分析其大气的成分至关重要。

雷锋网了解到，岩质系外行星由富含铁的原始物质（如球粒陨石）和水冰堆积而成。那么，该团队认为，在行星形成的过程中，水、铁发生反应产生氢气，将其释放到大气层中，也不是不可能。

在化学课上，我们都曾学过，氢气是世界上已知的密度最小的气体——在 1 标准大气压和 0℃ 的条件下，氢气的密度为 0.089g/L，其密度只有空气的 1/14。也正是因为密度，地球早期大气层中的氢气含量很少，比 90 亿年前少了 1000 倍。如今地球上产生的氢气主要是被微生物消耗、在大气中被氧化或是消失在太空中。

因此，理论上以氢气为主或由 100% 氢气组成的行星大气层最多可比地球的大气层厚 14 倍，这样天文学家探测、观察起来也将十分容易。

那么，如果有朝一日真的探测到了这样的系外行星，我们能发现生命吗？

抱着这个问题，团队提出了一个大胆的猜想：以氢气主导的环境中可以存在生命。

微生物能在纯氢气中生存繁衍

有了假设，实验便开始了。

该团队设计了一个系统，该系统由具有 30ml 培养基（用于大肠杆菌和酵母细胞培养生长培养基的标准培养基）和顶部空间为 126ml 的小硼硅酸盐瓶组成。

研究团队把大肠杆菌和酵母放在瓶子里，瓶子里分别装有纯氢气、纯氦气，以及 20% 二氧化碳和 80% 氮气的混合物（100% H2、100% He、20% CO2+80% N2），进行厌氧实验（另外还有一个瓶子作为对照，装了空气）。

研究团队将瓶子置于 28 °C 的培养箱摇动器中，利用精准的氧气传感器进行连续测量，保证气体浓度稳定、培养物保持缺氧状态。

同时，通过特殊的照相机连续监测，快速评估细胞培养物的浊度；周期性地对培养物取样，评估培养物的生长情况。这里主要包括两个指标——大肠杆菌的光密度（OD，optical density）和酵母的血细胞计数。

上图是大肠杆菌的光密度，表明高浓度的纯氢气和其他气体不损害大肠杆菌的存活和细胞分裂。其中黑色、蓝色、红色、绿色曲线分别代表空气、纯氦气、纯氢气、20% 二氧化碳和 80% 氮气的混合物。

上图是酵母的血细胞计数，同样表明高浓度的纯氢气和其他气体不损害酵母的存活和细胞分裂。黑色、蓝色、红色、绿色曲线分别代表空气、纯氦气、纯氢气、20% 二氧化碳和 80% 氮气的混合物。

不难看出，上述微生物在空气中生存、繁衍的态势最佳，但同时，它们也能在 100% 氢气的环境下生存、繁殖。

此外，该团队还根据已有的数据，在论文中展示了大肠杆菌产生的气体的光谱特征，上图便是吸光度与波长的关系。

其中，研究人员仍然无法确定光谱特征图中的甲烷 CH4 和磷化氢 PH3 是由大肠杆菌产生的，另外很多光谱特征也难以区分。

实际上，这一光谱也有着重要意义——在富含氢气的系外行星大气层中，上述很多气体可以作为可探测的生物标记，比如二甲基硫醚 C2H6S（图中的 DMS），这在某种程度上也能增加天文学家在系外行星识别到生命迹象的机会。

对此，NASA 太空生物学家 Giada Arney 表示：

大肠杆菌是如此简单的一种生物，但却会产生令人难以置信的气体。了解生命可以产生哪些气体，是确定系外行星上可能的生物标记的第一步。

可见，这项研究对于探索系外行星上的生命而言，具有特别的意义。不过华盛顿大学天体生物学家 John Baross 也认为：

仅仅寻找富含氢的大气层是不够的。生命要想生存，还需要其他一些物质，就像实验中瓶子里的培养基，比如能与岩石表面交换化学物质的液态水。

将富含氢气的行星加入到对地外生命的探索区间之中，无疑是在另辟蹊径。也许，跳脱固有思维，我们能更快地证明，在浩渺宇宙中，地球不是一颗孤独星球。

据国外媒体报道，今年初，科学家发现一种类似水母的寄生虫，它们没有线粒体基因组，这是迄今已知唯一没有线粒体基因组的多细胞生物，意味着该生物不会呼吸，事实上，它的存在完全颠覆了人们对地球生物的广义认知，因为它的生存完全不依赖氧气！

这项发现不仅改变了我们对地球生命生存方式的理解，还可能对于寻找外星生命具有重要启示。地球生命大约在14.5亿年前开始逐渐形成有氧代谢能力，体形较大的古生菌能吞噬较小的细菌，而之后滋生的细菌会寄居在古生菌体内，这种共生方式均有利于双方生存。

该共生关系导致了两支物种一起进化，最终较小的细菌存在于叫做线粒体的细胞器中，体形较大的古生菌体内每个细胞除了红细胞外，还有大量线粒体，它们是呼吸过程所必需的。线粒体分解氧气产生一种叫做三磷酸腺苷的分子，多细胞生物利用该分子为细胞获取能量。

我们知道一些进化适应性可使生物生存在低氧环境，一些单细胞生物进化出与线粒体相关的厌氧代谢细胞器，但是是否存在单一性的厌氧多细胞生物仍是科学界倍受争议的话题。

以色列特拉维夫大学的一支研究小组对一种常见的鲑鱼寄生虫进行研究时发现，这种被称为Henneguya salminicola的寄生虫，是一种刺胞生物，与珊瑚、水母和海葵属于同一动物门。尽管该寄生虫在鲑鱼体内形成的囊肿很难看，但是它们对于鲑鱼是无害的，并且会伴随鲑鱼生命周期一起共存。

隐藏在宿主体内的这些微小刺胞生物可以在缺氧条件下存活，如果不深入观察该生物DNA，很难揭晓它们是如何幸存下来的。

研究人员利用深度测序和荧光显微镜对Henneguya salminicola进行深入分析，发现它们已失去线粒体基因组，此外，也失去了有氧呼吸能力，几乎所有参与转录和复制线粒体的细胞核基因都已丧失。

与单细胞生物一样，它也进化出与线粒体相关的细胞器，但是它们非常独特，其内膜上通常看不到褶皱。研究人员使用相关的测序和显微镜观察方法观察另一种寄生鱼体的刺胞寄生虫——Myxobolus squamalis，以此作为参照对比，清晰呈现线粒体基因组变化情况。

研究结果表明，Henneguya salminicola是一个多细胞生物，它不需要氧气生存，但究竟它是如何幸存下来仍是一个谜团，它可能从宿主体吸取三磷酸腺苷，但该发现仍亟待验证。

但是这种线粒体基因组损失与此类生物进化总体趋势是一致的，这是一种基因简化过程，经过多年之后，它们基本上从一种自由生存的水母祖先物种进化为现今我们所见到的更简单的寄生虫。

它们已失去水母远古祖先大部分基因组，但令人感到奇怪的是，它们保留了一个类似水母刺细胞的复杂结构，不是用于刺伤猎物，而是依附于宿主，从而满足从类水母生物进化至寄生虫的生存适应。该寄生虫的外形非常像眼睛，这个发现可能有助于渔业调整处理寄生虫的策略，尽管寄生虫对人类无害，但是没有人愿意购买身体布满眼状寄生虫的鲑鱼。

这项最新研究具有重要意义，有助于科学家深入理解生物生存谜团，他们指出，对厌氧环境的适应并不是单细胞真核生物所独有，这也是从多细胞寄生物中进化形成的Henneguya salminicola为理解生物从有氧代谢至纯厌氧代谢的进化转变提供重要线索，目前该研究报告发表在近期出版的《美国国家科学院院刊》上。