测量其他世界的大气层看看是否有足够的营养物质维持生命
地球上的生命取决于六种关键元素：碳、氢、氮、氧、磷和硫。这些元素被称为CHNOPS，与几种微量微量营养素和液态水一起，它们是生命所需要的。
科学家们正在设法探测系外行星，这些行星的温度可能足以使其表面存在液态水，这是宜居性最基本的信号。但现在，他们希望通过在系外行星大气层中寻找CHNOPS来提高他们的水平。
我们才刚刚开始了解系外行星如何支持生命。为了加深我们的理解，我们需要了解CHNOPS在行星大气中的可用性。
发布到arXiv预印本服务器上的一篇新论文研究了这个问题。它的标题是“岩石系外行星大气中营养物质可用性的宜居性限制”。主要作者是来自维也纳大学天体物理系的OliverHerbort，也是ARIEL博士后研究员。该论文已被国际天体生物学杂志接收。
以我们目前的技术水平，我们才刚刚开始研究系外行星的大气层。JWST是我们完成这项任务的主要工具，而且它很擅长。但JWST正忙于其他任务。2029年，欧空局将启动ARIEL，大气遥感红外系外行星大型调查。ARIEL将只专注于系外行星大气层。
在期待该望远镜的任务时，赫伯特和他的同事正在为结果及其对宜居性的意义做准备。他们写道：“对行星本身的详细了解对于解释观测结果非常重要，特别是对于生物特征的检测。”特别是，他们正在仔细研究空中生物圈的想法。“我们的目标是了解大气中这些营养物质的存在，这些营养物质表明存在水云凝结物，从而可能允许空中生物圈的存在。”
我们的姐妹行星金星有一个无法生存的表面。无论以我们所能确定的任何标准衡量，极端的高温和高压都使得地球表面无法居住。但一些科学家提出，金星大气层中可能存在生命，这主要是基于对磷化氢的检测，磷化氢是生命的可能指标。这是空中生物圈的一个例子。
作者解释说：“空中生物圈的概念扩大了潜在宜居性的可能性，从表面存在液态水到所有具有液态水云的行星。”
作者研究了空中生物圈的概念以及CHNOPS的检测如何在其中发挥作用。他们引入了系外行星大气中营养物质可用性水平的概念。在他们的框架中，无论其他营养物质的可用性如何，都需要水的存在。他们写道：“我们认为任何没有水凝结物的大气层都无法居住。”这是对水的首要地位的认可。研究人员根据CHNOPS营养物质的存在和含量分配了不同的宜居性水平。
为了探索营养物质可用性的框架，研究人员转向模拟。模拟大气中含有不同水平的营养物质，研究人员应用了他们的营养物质可用性概念。他们的研究结果的目的不是了解宜居性，而是了解宜居性的化学潜力。行星的大气层可能会因生命而发生巨大改变，这项研究旨在了解大气层孕育生命的潜力。
他们写道：“我们的方法并不直接旨在了解有人居住的行星的生物特征和大气，而是了解生命前化学可能发生的条件。”在他们的工作中，可用营养素的最低大气浓度为109，或1ppb(十亿分之一)。
他们写道：“我们发现，对于大多数处于(p气体，T气体)点的大气，液态水是稳定的，含有CNS的分子的浓度高于109。”他们还发现，碳通常存在于每种模拟大气中，并且硫的可用性随着表面温度的增加而增加。随着表面温度降低，氮(N2、NH3)的存在量增加。但随着表面温度升高，氮可能会耗尽。
磷则是另一回事。他们写道：“CHNOPS元素的限制元素是磷，它主要存在于地壳中。”作者指出，过去地球大气层中磷的缺乏限制了生物圈。
空中生物圈是一个有趣的想法。但这并不是科学家探测系外行星大气层的主要目的。表面生命是他们的圣杯。考虑到所有因素，它仍然归结为液态水也就不足为奇了。“与之前的工作类似，我们的模型表明，行星表面宜居性的限制因素是液态水的存在，”作者写道。在他们的工作中，当有地表水时，中枢神经系统可以在靠近地表的低层大气中使用。
但地表水在大气化学中发挥着多种作用。在某些情况下，它可以与某些营养素结合，使它们无法利用，而在其他情况下，它可以使它们可用。
“如果地表有水，气相中不存在的元素就会储存在地壳凝结物中，”作者写道。化学风化可以使它们成为营养物质。“这提供了一条克服大气中磷和金属缺乏的途径，这些磷和金属用于驱动许多生物过程的酶。”
这使得被海洋覆盖的世界的问题变得复杂。如果水和岩石没有机会与大气相互作用，则可能无法获得生命前分子。作者写道：“如果确实能够证明生命可以在没有任何裸露陆地的水海洋中形成，那么这种约束就会变得更弱，表面宜居性的潜力主要变成水稳定性问题。”
由于大气中存在液态水，一些模型令人惊讶。“许多模型显示大气中存在液态水区域，该区域与地表分离。这些区域可能对空中生物圈形式的生命形成感兴趣，”赫伯特和他的同事写道。
如果像这样的研究表明有一件事的话，那就是行星的大气层非常复杂，并且会随着时间的推移而发生巨大的变化，有时是因为生命本身。这项研究对于试图理解这一切是有一定意义的。研究人员在他们的工作中没有考虑恒星辐射，这一事实强调了其复杂性。包括这一点会使这项工作变得难以处理。
宜居性问题很复杂，因为我们对基本问题缺乏答案而感到困惑。行星的地壳是否必须与水和大气接触才能获得CHNOPS营养物质?地球有一个临时的空中生物圈。空中生物圈可以成为系外行星宜居性的重要组成部分吗?
但除了所有的模拟和模型之外，尽管它们很强大，科学家们最需要的是更多的数据。当ARIEL发射时，科学家将有更多的数据可供使用。此类研究将帮助科学家了解ARIEL的发现。
