地球生命能否在红矮星系统中生存？

地球生命能否在红矮星系统中生存？

地球生命能否在红矮星系统中生存？这是一个困扰天体生物学家多年的问题。最近，葡萄牙和德国科学家的一项最新研究为我们带来了令人振奋的消息。研究发现，即使在红矮星强烈的耀斑辐射下，地球生命仍然有可能在这些系统中的行星上生存。

4.2光年外的比邻星b是已知距离太阳系最近的系外行星。图片来源：fineartamerica.com

尽管系外行星科学在过去的一二十年里取得了显著的进步，但我们仍然处于一种不幸的境地。科学家对哪些系外行星可能宜居只能做出有根据的猜测。即使是最近的系外行星也有四光年远，虽然四是一个很小的整数，但四光年的距离却是遥远的。

不过，这并不能阻止科学家们把事情串联起来。系外行星科学和宜居性中最重要的问题与红矮星有关。红矮星数量众多，研究表明它们拥有大量的行星。虽然像木星这样的气态巨行星在红矮星周围相对罕见，但其他行星却并非如此。观测数据显示，约40%的红矮星在其宜居带内拥有超级地球。

在系外行星的宜居性方面，红矮星有一些优势。 这些低质量恒星的寿命极长，这意味着能量输出可以长时间保持稳定。 据我们所知，这有利于潜在的宜居性和复杂生命的进化。稳定让生命有机会应对变化并坚持自己的生态位。

耀斑爆发的红矮星。图片来源：Copilot

但是红矮星也有不好的一面：耀斑。包括我们的太阳，所有恒星都会在一定程度上发生耀斑。但太阳的耀斑与红矮星的耀斑根本不能相提并论。红矮星的耀斑非常强烈，可以在很短的时间内将其亮度增加一倍。生命有办法在红矮星系统中的行星上生存吗？

葡萄牙和德国科学家的最新研究探讨了这一问题。为了测试红矮星系统中系外行星的宜居性，研究人员使用了一种常见的模型，并将其置于模拟红矮星的辐射下，仅仅受到模拟火星大气层的保护。

这项研究的题目是 “M型主序星系统中的系外行星的宜居性如何？模拟地表条件并探索黑色素在类系外行星辐射下黑曲霉孢子生存中的作用”。论文的第一作者是德国航空航天中心（DLR）航空航天医学研究所航空航天微生物学研究小组的天体生物学家阿丰索·莫塔（Afonso Mota）。该论文已提交给《天体生物学（Astrobiology）》杂志，目前可在预印本服务器 arXiv 上查阅。

研究中的这张图显示了比邻星（Proxima Centauri）和特拉比斯特-1（TRAPPIST-1 ）系统中系外行星的大气顶部紫外线和 X 射线辐射。图片来源：莫塔等人，2024

黑曲霉在土壤中无处不在，因其可能导致一些水果和蔬菜发黑霉而广为人知。它也是一种多产的黑色素生产者。黑色素吸收光线的效率很高，人类皮肤受到紫外线照射后会产生黑色素，使皮肤变黑。黑色素在自然界中广泛存在，极端微生物利用它们来保护自己。黑色素可消散高达 99.9% 的紫外线吸入量。科学家们认为，黑色素的出现可能在地球生命的发展过程中起到了至关重要的作用，它可以保护生物免受太阳有害辐射的伤害。

从本质上讲，这项研究提出了一个非常简单的问题。当黑曲霉受到像火星那样稀薄的大气层保护时，它的黑色素能否帮助它在红矮星耀斑中存活下来？

半人马座比邻星（Proxima Centauri）和特拉比斯特-1（TRAPPIST-1）都是系外行星科学中著名的红矮星，因为它们的宜居带中都有岩石系外行星。这项研究主要针对半人马座比邻星b（Proxima Centauri b）和特拉比斯特-1e（TRAPPIST-1 e）。两者也都可能具有可容忍的辐射环境。

要完美地模拟这些行星的表面状况是不可能的，但研究人员可以利用所谓的平衡温度来接近它们。测量恒星耀斑比较容易，因为可以从很远的地方进行精确观测。黑曲霉的黑色素生成也同样很好理解。通过对这三个因素的研究，研究人员能够模拟出这种霉菌在红矮星周围的宜居带中行星表面的生长情况。

作者写道：“在天体生物学，特别是天体真菌学的背景下，对极端耐受性真菌的研究对于更好地理解生命和宜居性的极限是至关重要的。”“黑曲霉是一种耐受性极强的丝状真菌，它经常被用作研究真菌在极端环境中生存的模型生物，能在各种条件下生长”。

黑曲霉的孢子有一层复杂而致密的黑色素涂层，可以保护它们免受紫外线和 X 射线辐射。它们在国际空间站中被发现，这证明它们有能力抵御太空中的一些危险。虽然它们是陆地生物，但科学家可以利用它们来研究系外行星的潜在宜居性。

在这项工作中，研究人员测试了黑曲霉孢子在比邻星 b 和 特拉比斯特-1e 的模拟地表条件下的生存能力，这里的条件是行星沐浴在红矮星强大的紫外线和 X 射线辐射中。

该研究图显示了薄层土壤（橙色）或水（蓝色）中估计的地表下x射线吸收剂量。水对这些高能光子的衰减能力较低，因此，需要更厚的水层才能减少到与土壤相同的剂量。这三条虚线表示大肠杆菌、黑曲霉和耐辐射杆菌的LD90值(90%种群的致死剂量)。大肠杆菌是一种常见的细菌，耐辐射菌是一种抗辐射的极端微生物。图片来源：莫塔等人，2024

研究人员在不同的溶液中测试了不同类型的黑曲霉孢子。一种是野生菌株，一种是可以产生和分泌脓黑素的突变菌株，这是科学家们特别感兴趣的一种黑色素，第三种是缺乏黑色素的菌株。孢子在盐水溶液、富含黑色素的溶液或对照溶液中悬浮一段时间，同时暴露在不同量的x射线和紫外线辐射下。

照射后，对三种黑曲霉孢子的存活能力和生存能力进行检测。

结果表明，黑曲霉孢子能够在对红矮星系统中系外行星表面消毒的强辐射环境中存活下来。不是直接暴露在辐射环境中，而是仅在几毫米的土壤或水中。“如果没有衰减，耀斑产生的X射线很可能会使所有已研究的系外行星表面绝育。然而，适合在地表下生存的微生物在几毫米的土壤或水下不会受到大多数外源辐射源的影响，”研究人员解释说。

这项研究的关键在于黑色素。黑色素越多，黑曲霉存活率就越高。

作者写道：“与两种对照溶液相比，黑曲霉MA93.1 孢子在富含黑色素的提取物中形成芽孢更快、更高效，因此本研究中进行的实验证实了黑色素的多功能用途。黑曲霉MA93.1是一种经过改造的突变菌株，能够产生和分泌黑色素。

对于系外行星特拉比斯特-1e和比邻星b来说，这项研究对于我们这些希望在其他行星上居住的人来说是很有希望的。当涉及到紫外线C（紫外线谱中的一部分，其波长介于100nm~280nm之间） 辐射时，即使在很少的大气的保护下，含有黑色素的样本中的很大一部分孢子也能在比邻星b 和特拉比斯特-1e遭受超级耀斑袭击中存活下来。暴露在 X 射线下的情况也类似。

虽然我们都喜欢想象宇宙中其他地方的复杂生命，但我们更有可能偶然发现与地球完全不同的世界。如果我们发现了生命，那很可能是一些简单的生物，它们在我们认为的边缘或极端环境中找到了生存的方式。由于红矮星如此常见，我们很可能会在那里发现生命。

这项研究证实了这一观点。

“此外，”作者在结论中写道，“这项研究的结果表明，与其他极端耐受和嗜极端生物一样，黑曲霉能够在某些 M 型主序星系统中行星表面的严酷辐射条件下生存”。

作者总结说，黑色素对它们的潜在生存能力起着至关重要的作用。“此外，富含黑色素的溶液被证明非常有利于黑曲霉存活和形成芽孢尤其是在经过高剂量紫外线和 X 射线辐射处理的情况下。”

关于红矮星系统中系外行星的宜居性，科学界一直在进行讨论，耀斑在其中扮演着重要角色。但这项研究表明，也许现在断定红矮星系统的宜居性还为时过早，同时也揭示了地球上生命的起源。

“这些结果提供了一种洞察力，让我们了解生命形式如何承受系外行星上普遍存在的有害事件和条件，以及黑色素在地球和其他世界的生命起源和进化过程中可能发挥的作用。”

更多信息：“M型主序星系统中的系外行星的宜居性如何？模拟地表条件并探索黑色素在类系外行星辐射下黑曲霉孢子生存中的作用（Afonso Mota et al, How habitable are M-dwarf Exoplanets? Modeling surface conditions and exploring the role of melanins in the survival of Aspergillus niger spores under exoplanet-like radiation）” arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2403.03403

原文链接：Could Earth life survive on a red dwarf planet? (phys.org) by Evan Gough, Universe Today