如果在外星世界的氛围中发现异戊二烯，那么有生命的可能很大

可以毫不夸张地说，近几十年来对太阳系外行星的研究有了突飞猛进的发展。迄今为止，已经在3247个系统中确认了4375颗系外行星，另有5856名候选者正在等待确认。近年来，系外行星研究已开始从发现过程过渡到表征之一。下一代望远镜投入使用后，有望加快这一过程。

结果，天体生物学家正在努力创建潜在“生物特征”的综合清单，这些清单指的是与生命相关的化合物和过程（氧气，二氧化碳，水等）。麻省理工学院（MIT），我们应该寻找的另一种潜在生物特征是称为异戊二烯（C5H8）的碳氢化合物。该研究描述了他们的发现，“异戊二烯作为有氧大气的系外行星中可能的生物特征气体的评估”，最近在网上发表，并已被《天体生物学》杂志接受发表。为了他们的研究，麻省理工学院的团队研究了越来越多的可能的生物特征清单，在未来几年中，天文学家将继续关注这些生物特征。安排3个系外行星，以根据存在的化学物质和进入的通量探索大气如何看起来不同。

迄今为止，绝大多数的系外行星已经通过间接方法被发现和确认。在大多数情况下，天文学家单独或结合使用过境法（TransitPhotometry）和径向速度法（DopplerSpectroscopy）。使用直接成像技术只能检测到少数几个，这使得很难表征系外行星的大气和表面。只有在极少数情况下，天文学家才能获得光谱，以使他们能够确定该行星大气的化学成分。这可能是由于光穿过系外行星大气层时在其恒星前方穿过而产生的，或者是在发生直接成像并研究了系外行星大气层反射的光的少数情况下的结果。这在很大程度上与我们目前的望远镜的局限性有关，后者的望远镜没有必要的分辨率来观察较小的岩石行星，它们的轨道更接近恒星。天文学家和天体生物学家认为，这些行星最有可能适合居住，但是从其表面和大气层反射的任何光都被来自恒星的光所压倒。但是，随着詹姆斯·韦伯（JamesWebb）太空望远镜（JWST）等下一代仪器进入太空，这种情况将很快改变。麻省理工学院1941年级物理学和行星科学教授萨拉·西格（SaraSeager）领导负责研究的小组（又名“西格”小组），并且是该论文的合著者。艺术家的印象表明，行星Proximab围绕着红色矮星ProximaCentauri，它是离太阳系最近的恒星。

一旦部署并投入使用，JWST将能够在更长的波长（近红外和中红外范围）内观察到我们的宇宙，并大大提高了灵敏度。望远镜还将依靠一系列的光谱仪获得成分数据，并利用日冕仪来遮挡母星的暗光。这项技术将使天文学家能够表征较小的岩石行星的大气层。反过来，这些数据将使科学家对系外行星的可居住性施加更严格的限制，甚至可能导致对已知（和/或潜在）生物特征的检测。如上所述，这些“生物特征”包括与生命和生物过程相关的化学指示，更不用说对它有利的条件类型了。其中包括氧气（O2），它是地球上大多数生命所必需的，并且是由光合生物（植物，树木，蓝细菌等）产生的。这些相同的生物体会代谢二氧化碳（CO2），而这种物质会通过氧气代谢生活而将其作为废品散发出去。还有水（H2O）和甲烷（CH4），水对我们的生活至关重要，甲烷是由所有有机物质降解而产生的，而这是我们所知道的。由于人们认为火山活动在行星的宜居性中起着重要作用，因此与火山活动有关的化学副产品-硫化氢（H2S），二氧化硫（SO2），一氧化碳（CO），氢气（H2）等-也被认为是生物签名。Zhan，Seager及其同事希望在此列表中添加另一种可能的生物签名-异戊二烯。正如詹通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样：“我们在麻省理工学院的研究小组致力于采用整体方法来探索所有可能的气体，将其作为潜在的生物特征气体。我们先前的工作导致创建了所有小分子数据库。我们将使用机器学习和数据驱动的方法–朱昌昌博士，对ASM数据库进行筛选，以找出最合理的生物特征气体候选物，其中之一是异戊二烯。来自国际空间站的第13探险队乘员拍摄的图像，显示了阿拉斯加阿留申群岛的克利夫兰火山喷发。

像它的表亲甲烷一样，异戊二烯是一种有机烃分子，是地球上各种物种作为次生代谢产物产生的。除了落叶乔木，异戊二烯还由多种进化距离遥远的生物，例如细菌，植物和动物产生。虽然异戊二烯与地球上的甲烷一样丰富，但异戊二烯会与氧气和含氧自由基相互作用而被破坏。因此，Zhang，Seager及其团队选择专注于缺氧气氛。这些环境主要由H2，CO2和氮气（N2）组成，类似于地球的原始大气所组成的环境。根据他们的发现，一个原始星球（生命开始出现的地方）的大气层中将富含异戊二烯。在4到25亿年前的地球上就是这种情况，当时唯一的生物是单细胞生物，而光合作用的蓝细菌正在缓慢地将地球的大气层转变成富含氧气的大气层。到25亿年前，这达到了“大氧化事件”（GOE）的高潮，该事件被证明对许多生物（以及异戊二烯等代谢物）有毒。也正是在这段时间里，复杂的生命形式（真核生物和多细胞生物）开始出现。在这方面，异戊二烯可用于表征处于重大进化转变之中的行星，并为未来的动物门奠定基础。除JWST外，南希·格雷斯·罗马太空望远镜（哈勃飞行任务的继任者）也将在2025年之前进入太空。该天文台将具有“一百个哈勃”的能力，其最新升级的红外滤镜将使其能够通过与JWST和其他“大天文台”的合作，对系外行星进行单独表征。目前，地球上还建造了数种地面望远镜，它们将依赖于复杂的光谱仪，日冕仪和自适应光学（AOs）。这些望远镜包括超大型望远镜（ELT），巨型麦哲伦望远镜（GMT），三十米望远镜（TMT）这些望远镜也将能够进行系外行星的直接成像研究，并且预期该结果将是开创性的。截至2013年4月18日发现的开普勒宜居带行星的相对大小。从左到右：开普勒22b，开普勒69c，开普勒62e，开普勒62f和地球（地球除外，这些都是艺术家的演绎）。

在改进的仪器，快速改进的数据分析和技术以及我们的方法论的改进之间，系外行星的研究仅有望进一步加速。除了有数以万计的可供研究的用途（其中许多将是岩石和“类似地球的”）之外，我们对它们的空前看法将使我们看到那里有多少个可居住的世界。这是否会导致我们一生中发现地外生命还有待观察。但是有一件事很清楚。在未来的几年中，当天文学家开始梳理他们将在系外行星大气层中拥有的所有新数据时，他们将获得一份完整的生物签名清单来指导他们。Seager和Zhan的先前工作包括火星温室的概念，该概念可以为四名宇航员提供长达两年的所有必要食物。这个温室被称为生物圈工程可行的外星居住建筑（BEAVER），在2019年NASABIG创意挑战赛中获得第二名。