När nya och kraftfullare teleskop blinkar på under de närmaste åren, astronomer kommer att kunna rikta megaskopen mot närliggande exoplaneter, kikar in i deras atmosfärer för att dechiffrera deras sammansättning och för att söka tecken på utomjordiskt liv. Men tänk om i vårt sökande, vi stötte på främmande organismer men misslyckades med att känna igen dem som verkligt liv.

Det är ett perspektiv som astronomer som Sara Seager hoppas undvika. Seager, klassen 1941 professor i planetvetenskap, Fysik, och Aeronautics and Astronautics vid MIT, ser bortom en "terra-centrisk" syn på livet och kastar ett bredare nät för vilka typer av miljöer bortom vår egen som faktiskt kan vara beboeliga.

I en tidning som publicerades i dag i tidskriften Natur astronomi , hon och hennes kollegor har i laboratoriestudier observerat att mikrober kan överleva och frodas i atmosfärer som domineras av väte – en miljö som skiljer sig mycket från jordens kväve- och syrerika atmosfär.

Väte är en mycket lättare gas än antingen kväve eller syre, och en atmosfär rik på väte skulle sträcka sig mycket längre ut från en stenig planet. Det kunde därför lättare upptäckas och studeras av kraftfulla teleskop, jämfört med planeter med mer kompakt, Jordliknande atmosfärer.

Seagers resultat visar att enkla former av liv kan befolka planeter med väterika atmosfärer, föreslår att när nästa generations teleskop som NASAs James Webb rymdteleskop börjar fungera, astronomer kanske vill söka först efter vätedominerade exoplaneter efter tecken på liv.

"Det finns en mångfald av beboeliga världar där ute, och vi har bekräftat att jordbaserat liv kan överleva i väterika atmosfärer, " säger Seager. "Vi borde definitivt lägga till den typen av planeter till menyn med alternativ när vi tänker på liv i andra världar, och faktiskt försöker hitta det."

Seagers MIT-medförfattare på tidningen är Jingcheng Huang, Janusz Petkowski, och Mihkel Pajusalu.

Utvecklande atmosfär

I den tidiga jorden, miljarder år sedan, atmosfären såg helt annorlunda ut än luften vi andas idag. Spädbarnsplaneten hade ännu inte tagit emot syre, och bestod av en soppa av gaser, inklusive koldioxid, metan, och en mycket liten del väte. Vätgas dröjde kvar i atmosfären i möjligen miljarder år, tills det som är känt som den stora oxidationshändelsen, och den gradvisa ackumuleringen av syre.

Den lilla mängd väte som finns kvar idag konsumeras av vissa uråldriga linjer av mikroorganismer, inklusive metanogener – organismer som lever i extrema klimat som djupt under isen, eller i ökenjord, och sluka väte, tillsammans med koldioxid, att producera metan.

Forskare studerar rutinmässigt aktiviteten hos metanogener som odlas i labbförhållanden med 80 procent väte. Men det finns väldigt få studier som utforskar andra mikrobers tolerans mot vätgasrika miljöer.

"Vi ville visa att liv överlever och kan växa i en väteatmosfär, säger Seager.

Ett vätehuvudutrymme

Teamet tog till labbet för att studera livsdugligheten hos två typer av mikrober i en miljö med 100 procent väte. Organismerna de valde var bakterierna Escherichia coli, en enkel prokaryot, och jäst, en mer komplex eukaryot, som inte hade studerats i vätedominerade miljöer.

Båda mikroberna är standardmodellorganismer som forskare länge har studerat och karakteriserat, som hjälpte forskarna att utforma sitt experiment och förstå deras resultat. Vad mer, E.coli och jäst kan överleva med och utan syre – en fördel för forskarna, eftersom de kunde förbereda sina experiment med endera organismen i fri luft innan de överfördes till en väterik miljö.

I sina experiment, de odlade separat kulturer av jäst och E. coli, injicerade sedan kulturerna med mikroberna i separata flaskor, fylld med en "buljong, " eller näringsrik kultur som mikroberna kunde livnära sig på. De spolade sedan ut den syrerika luften i flaskorna och fyllde det återstående "headspace" med en viss gas av intresse, såsom en gas med 100 procent väte. De placerade sedan flaskorna i en inkubator, där de skakades försiktigt och kontinuerligt för att främja blandning mellan mikroberna och näringsämnena.

Varje timme, en gruppmedlem samlade in prover från varje flaska och räknade de levande mikroberna. De fortsatte att prova i upp till 80 timmar. Deras resultat representerade en klassisk tillväxtkurva:I början av försöket, mikroberna växte snabbt i antal, mata av näringsämnena och befolka kulturen. Så småningom, antalet mikrober planade ut. Befolkningen, fortfarande frodas, var stabil, när nya mikrober fortsatte att växa, ersätter de som dog.

Seager erkänner att biologer inte tycker att resultaten är förvånande. Trots allt, väte är en inert gas, och är som sådan inte i sig giftigt för organismer.

"Det är inte som att vi fyllde huvudutrymmet med ett gift, " säger Seager. "Men att se är att tro, höger? Om ingen någonsin har studerat dem, speciellt eukaryoter, i en vätedominerad miljö, du skulle vilja göra experimentet för att tro det."

Hon gör också klart att experimentet inte var utformat för att visa om mikrober kan vara beroende av väte som energikälla. Snarare, Poängen var mer att visa att en atmosfär med 100 procent väte inte skulle skada eller döda vissa former av liv.

"Jag tror inte att det föll astronomerna upp att det kunde finnas liv i en vätemiljö, säger Seager, som hoppas att studien kommer att uppmuntra korssamtal mellan astronomer och biologer, särskilt som sökandet efter beboeliga planeter, och utomjordiskt liv, ramper upp.

En vätevärld

Astronomer kan inte riktigt studera atmosfären hos små, steniga exoplaneter med de verktyg som finns idag. De få, närliggande stenplaneter som de har undersökt saknar antingen atmosfär eller kan helt enkelt vara för små för att upptäcka med för närvarande tillgängliga teleskop. Och medan forskare har antagit att planeter bör hysa väterika atmosfärer, inget fungerande teleskop har upplösningen att upptäcka dem.

Men om nästa generations observatorier väljer ut sådana vätedominerade terrestra världar, Seagers resultat visar att det finns en chans att livet kan frodas inom sig.

Vad stenigt, en väterik planet skulle se ut, hon frammanar en jämförelse med jordens högsta topp, Mount Everest. Vandrare som försöker vandra till toppen har slut på luft, på grund av det faktum att densiteten i alla atmosfärer sjunker exponentiellt med höjden, och baserat på avhoppsavståndet för vår kväve- och syredominerade atmosfär. Om en vandrare skulle bestiga Everest i en atmosfär dominerad av väte – en gas som är 14 gånger lättare än kväve – skulle hon kunna klättra 14 gånger högre innan luften tar slut.

"Det är lite svårt att få huvudet runt, men den lätta gasen gör bara atmosfären mer expansiv, " Seager förklarar. "Och för teleskop, ju större atmosfären är jämfört med bakgrunden av en planets stjärna, desto lättare är det att upptäcka."

Om forskare någonsin får chansen att prova en så väterik planet, Seager föreställer sig att de kan upptäcka en yta som är annorlunda, men inte oigenkännlig från vår egen.

"Vi föreställer oss om du borrar ner i ytan, det skulle förmodligen ha väterika mineraler snarare än vad vi kallar oxiderade, och även hav, eftersom vi tror att allt liv behöver vätska av något slag, och du kunde förmodligen fortfarande se en blå himmel, " säger Seager. "Vi har inte tänkt på hela ekosystemet. Men det behöver inte nödvändigtvis vara en annan värld."