Livet kan overleve, og trives, i en brintverden:undersøgelse

Mens nye og mere kraftfulde teleskoper blinker på i de næste par år, astronomer vil være i stand til at rette megaskoperne mod nærliggende exoplaneter, kigger ind i deres atmosfærer for at tyde deres komposition og for at søge tegn på udenjordisk liv. Men tænk hvis i vores søgen, vi stødte på fremmede organismer, men formåede ikke at genkende dem som virkeligt liv.

Det er en udsigt, som astronomer som Sara Seager håber at undgå. Seager, klassen af ​​1941 professor i planetarisk videnskab, Fysik, og Aeronautics and Astronautics ved MIT, ser ud over et "terra-centrisk" syn på livet og kaster et bredere net for, hvilke slags miljøer ud over vores egne, der rent faktisk er beboelige.

I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur astronomi , hun og hendes kolleger har i laboratorieundersøgelser observeret, at mikrober kan overleve og trives i atmosfærer, der er domineret af brint – et miljø, der er vidt forskelligt fra Jordens nitrogen- og iltrige atmosfære.

Brint er en meget lettere gas end enten nitrogen eller oxygen, og en atmosfære rig på brint ville strække sig meget længere ud fra en stenet planet. Det kunne derfor lettere opdages og studeres af kraftige teleskoper, sammenlignet med planeter med mere kompakte, Jordlignende atmosfærer.

Seagers resultater viser, at simple former for liv kan bebo planeter med brintrige atmosfærer, antyder, at når næste generations teleskoper som NASAs James Webb Space Telescope begynder at fungere, astronomer vil måske først søge efter brintdominerede exoplaneter efter tegn på liv.

"Der er en mangfoldighed af beboelige verdener derude, og vi har bekræftet, at jordbaseret liv kan overleve i hydrogenrige atmosfærer, " siger Seager. "Vi bør helt klart tilføje den slags planeter til menuen med muligheder, når vi tænker på liv på andre verdener, og faktisk prøver at finde det."

Seagers MIT medforfattere på papiret er Jingcheng Huang, Janusz Petkowski, og Mihkel Pajusalu.

Atmosfære i udvikling

I den tidlige jord, milliarder af år siden, atmosfæren så ganske anderledes ud end den luft, vi indånder i dag. Den spæde planet havde endnu ikke vært for ilt, og var sammensat af en suppe af gasser, herunder kuldioxid, metan, og en meget lille fraktion brint. Brintgas dvælede i atmosfæren i muligvis milliarder af år, indtil det, der er kendt som den store oxidationsbegivenhed, og den gradvise ophobning af ilt.

Den lille mængde brint, der er tilbage i dag, forbruges af visse gamle linjer af mikroorganismer, inklusive methanogener - organismer, der lever i ekstreme klimaer som dybt under is, eller i ørkenjord, og sluge brint, sammen med kuldioxid, at producere metan.

Forskere studerer rutinemæssigt aktiviteten af ​​methanogener dyrket under laboratorieforhold med 80 procent brint. Men der er meget få undersøgelser, der udforsker andre mikrobers tolerance over for brintrige miljøer.

"Vi ønskede at demonstrere, at liv overlever og kan vokse i en brintatmosfære, " siger Seager.

Et brint headspace

Holdet tog til laboratoriet for at studere levedygtigheden af ​​to typer mikrober i et miljø med 100 procent brint. De organismer, de valgte, var bakterierne Escherichia coli, en simpel prokaryot, og gær, en mere kompleks eukaryot, som ikke var blevet undersøgt i brintdominerede miljøer.

Begge mikrober er standardmodelorganismer, som videnskabsmænd længe har studeret og karakteriseret, som hjalp forskerne med at designe deres eksperiment og forstå deres resultater. Hvad mere er, E.coli og gær kan overleve med og uden ilt - en fordel for forskerne, da de kunne forberede deres eksperimenter med begge organismer i fri luft, før de overføres til et brintrigt miljø.

I deres eksperimenter, de dyrkede separat kulturer af gær og E. coli, derefter injiceret kulturerne med mikroberne i separate flasker, fyldt med en "bouillon, " eller næringsrig kultur, som mikroberne kunne føde fra. De skyllede derefter den iltrige luft ud i flaskerne og fyldte det resterende "headspace" med en bestemt gas af interesse, såsom en gas på 100 procent brint. De placerede derefter flaskerne i en inkubator, hvor de blev forsigtigt og kontinuerligt rystet for at fremme blandingen mellem mikroberne og næringsstofferne.

Hver time, et teammedlem indsamlede prøver fra hver flaske og talte de levende mikrober. De fortsatte med at prøve i op til 80 timer. Deres resultater repræsenterede en klassisk vækstkurve:I begyndelsen af ​​forsøget, mikroberne voksede hurtigt i antal, fodre med næringsstofferne og befolke kulturen. Til sidst, antallet af mikrober udjævnede sig. Befolkningen, trives stadig, var stabil, efterhånden som nye mikrober fortsatte med at vokse, erstatte dem, der døde.

Seager erkender, at biologer ikke finder resultaterne overraskende. Trods alt, brint er en inert gas, og er som sådan ikke i sig selv giftig for organismer.

"Det er ikke sådan, at vi fyldte headspace med en gift, " siger Seager. "Men at se er at tro, ret? Hvis ingen nogensinde har studeret dem, især eukaryoter, i et brintdomineret miljø, du vil gerne lave eksperimentet for at tro det."

Hun gør det også klart, at eksperimentet ikke var designet til at vise, om mikrober kan være afhængige af brint som energikilde. Hellere, Pointen var mere at demonstrere, at en 100 procent brintatmosfære ikke ville skade eller dræbe visse former for liv.

"Jeg tror ikke, det gik op for astronomer, at der kunne være liv i et brintmiljø, " siger Seager, der håber, at undersøgelsen vil tilskynde til krydstale mellem astronomer og biologer, især som søgen efter beboelige planeter, og udenjordisk liv, ramper op.

En brintverden

Astronomer er ikke helt i stand til at studere atmosfærerne i små, stenede exoplaneter med de værktøjer, der findes i dag. De få, nærliggende klippeplaneter, de har undersøgt, mangler enten en atmosfære eller kan simpelthen være for små til at opdage med aktuelt tilgængelige teleskoper. Og mens videnskabsmænd har antaget, at planeter bør rumme brintrige atmosfærer, intet fungerende teleskop har opløsningen til at få øje på dem.

Men hvis næste generations observatorier udvælger sådanne brintdominerede terrestriske verdener, Seagers resultater viser, at der er en chance for, at livet kan trives indeni.

Med hensyn til hvilken sten, en brintrig planet ville se ud, hun fremtryller en sammenligning med Jordens højeste top, Mount Everest. Vandrere, der forsøger at vandre til toppen, løber tør for luft, på grund af det faktum, at tætheden af ​​alle atmosfærer falder eksponentielt med højden, og baseret på affaldsafstanden for vores nitrogen- og iltdominerede atmosfære. Hvis en vandrer bestige Everest i en atmosfære domineret af brint - en gas 14 gange lettere end nitrogen - ville hun være i stand til at klatre 14 gange højere, før hun løber tør for luft.

"Det er lidt svært at få hovedet rundt, men den lette gas gør bare atmosfæren mere ekspansiv, " Seager forklarer. "Og for teleskoper, jo større atmosfæren er sammenlignet med baggrunden af ​​en planets stjerne, jo nemmere er det at opdage."

Hvis videnskabsmænd nogensinde får chancen for at prøve en sådan brintrig planet, Seager forestiller sig, at de måske opdager en overflade, der er anderledes, men ikke uigenkendelig fra vores egen.

"Vi forestiller os, at hvis du borer ned i overfladen, det ville sandsynligvis have brintrige mineraler i stedet for det, vi kalder oxiderede, og også oceaner, da vi tror, ​​at alt liv har brug for væske af en slags, og du kunne sikkert stadig se en blå himmel, " siger Seager. "Vi har ikke tænkt på hele økosystemet. Men det behøver ikke nødvendigvis at være en anden verden«.