2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——行星大氣中的微生物研究新領域考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在行星大氣中尋找微生物證據(jù)時，以下哪種氣體成分的異常增加通常被視為潛在的“生物氣簽”？A)氧氣B)氮氣C)甲烷D)氫氣2.對于探索類地行星大氣中的微生物，以下哪種遙感探測技術主要通過分析特定波長的光譜特征來尋找生命跡象？A)激光雷達B)紅外光譜C)射電望遠鏡D)可見光相機3.在實驗室模擬外行星極端大氣環(huán)境（如高溫、高壓）以研究微生物適應性的研究，屬于行星大氣微生物研究的哪種范疇？A)直接探測B)間接推斷C)模擬實驗D)數(shù)據(jù)分析4.金星大氣中雖然缺乏液態(tài)水，但高濃度的二氧化碳和硫酸霧形成了強酸性環(huán)境，某些耐酸微生物是否能在這種環(huán)境下以氣溶膠形式生存，是當前研究的一個熱點。這體現(xiàn)了行星大氣微生物研究的哪種特點？A)保守性B)前沿性C)理論性D)歷史性5.木衛(wèi)二（歐羅巴）的冰殼下海洋通過冰縫與上方稀薄大氣進行物質(zhì)交換，大氣中可能存在的有機分子或生物信號，是未來探測器需要重點尋找的目標。這主要涉及到行星大氣微生物研究的哪個方面？A)地球大氣類比B)行星宜居性評估C)地外生命搜尋D)微生物生態(tài)學6.以下哪項技術被認為是目前從行星大氣中直接采集并分析微生物樣本最具挑戰(zhàn)性的方法？A)衛(wèi)星遙感光譜分析B)空間飛行器攜帶的采氣袋C)大氣采樣器捕獲顆粒物D)原位微生物探測儀7.行星大氣紫外線輻射是限制微生物生存的重要環(huán)境壓力，某些微生物通過產(chǎn)生哪種物質(zhì)來抵御紫外線傷害？A)脫氧核糖核酸（DNA）B)核糖核酸（RNA）C)超氧化物歧化酶D)花青素或類胡蘿卜素8.在討論火星大氣中是否存在過去或現(xiàn)在微生物活動時，科學家們會關注大氣中的哪種氣體組合？A)氧氣和氮氣B)氫氣和氬氣C)甲烷和氧化亞氮D)氮氣和氬氣9.模擬行星大氣電離層條件下微生物電信號或發(fā)光現(xiàn)象的研究，有助于理解外行星極光活動中是否可能觀測到生物標志。這屬于哪種研究方法的應用？A)實地考察B)實驗模擬C)電腦建模D)間接推斷10.將地球大氣中微生物的生存策略與外行星大氣環(huán)境進行對比分析，其主要目的是什么？A)證明地球生命起源于外星球B)尋找外行星大氣微生物存在的直接證據(jù)C)理解地球生命對外行星環(huán)境的適應性D)為外行星生命搜尋提供理論依據(jù)和假說二、填空題（每空1分，共15分）1.行星大氣中的微生物，特別是那些以氣溶膠形式存在的微生物，其生命活動產(chǎn)生的某些________分子，可能通過遙感手段被探測到。2.火星大氣稀薄，表面壓力低，這對需要液態(tài)水生存的微生物提出了嚴峻挑戰(zhàn)，但理論上________環(huán)境下的微生物仍有可能存活。3.利用探測器對目標行星大氣進行光譜掃描，分析特定波長處的吸收或發(fā)射特征，是________技術在行星大氣微生物研究中的主要應用方式。4.為了研究微生物在模擬土衛(wèi)二或木衛(wèi)二冰殼下海洋與大氣界面處的生存能力，科學家們會在實驗室構建________環(huán)境，進行培養(yǎng)和實驗。5.金星濃厚的大氣層富含二氧化碳，并存在強烈的________帶電粒子輻射，這對大氣中的任何生命形式都是巨大的挑戰(zhàn)。6.除了尋找明確的生物體信號外，行星大氣微生物研究還包括對可能由生命活動產(chǎn)生的________分子組合進行溯源和分析。7.原位微生物探測器直接釋放到行星大氣中進行分析，其主要優(yōu)勢在于能夠________獲取目標大氣的真實樣品和測量數(shù)據(jù)。8.由于大氣環(huán)境的動態(tài)變化，行星大氣微生物的________和豐度可能存在時空差異性，給持續(xù)監(jiān)測帶來困難。9.一些研究表明，地球大氣中的極光活動可能與大氣中的微生物相互作用，并通過________現(xiàn)象釋放出生物標志物。10.行星大氣微生物研究不僅具有科學價值，也間接推動了我們對地球自身________環(huán)境和生命演化的認識。三、名詞解釋（每題3分，共12分）1.大氣生物氣簽（AtmosphericBiogeochemicalSignature）2.原位探測（In-situDetection）3.行星宜居性（PlanetaryHabitability）4.氣溶膠微生物（AerosolMicrobe）四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述遙感技術在探測行星大氣微生物方面面臨的主要挑戰(zhàn)。2.簡述在極端溫度（高溫或低溫）條件下，微生物可能采取的適應機制。3.簡述直接從行星大氣中采集微生物樣本的主要方法及其各自的特點。4.簡述行星大氣微生物研究與地外生命探索計劃之間的聯(lián)系。五、論述題（每題10分，共30分）1.論述當前支持或反對火星大氣中存在現(xiàn)役微生物生命的兩種主要觀點及其依據(jù)。2.論述開展行星大氣微生物模擬實驗研究的必要性和潛在局限性。3.論述未來十年行星大氣微生物研究可能取得突破性進展的關鍵方向和技術需求。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.B5.C6.D7.D8.C9.B10.D二、填空題1.有機2.表面冰層下或subsurface3.光譜分析/遙感光譜4.模擬/模擬行星大氣5.磁/強磁場6.特定/特征7.直接8.存在/分布9.生物發(fā)光/生物電10.保護/生命保護/環(huán)境保護三、名詞解釋1.大氣生物氣簽（AtmosphericBiogeochemicalSignature）：指由大氣中微生物活動（包括生產(chǎn)、消耗和轉(zhuǎn)化物質(zhì)）所引起的一系列可探測的、不同于純粹物理或化學過程的氣體或化學成分變化，這些變化可以被遙感或直接探測手段識別，作為潛在生命存在的證據(jù)。**解析思路：*本題考察核心術語定義。關鍵在于理解“生物氣簽”是由“微生物活動”引起的，“大氣中”的變化，“可探測性”，以及它是作為“潛在生命證據(jù)”的“特征信號”。2.原位探測（In-situDetection）：指將探測儀器或設備直接部署到目標行星大氣層內(nèi)部或其表面附近，就地進行分析和測量，以獲取最接近真實環(huán)境的第一手數(shù)據(jù)和樣本的技術方法。**解析思路：*本題考察核心術語定義。關鍵在于理解“原位”意味著“在目標地點”，“直接部署”，“就地分析”，目的是獲取“真實環(huán)境”的“一手數(shù)據(jù)/樣本”。3.行星宜居性（PlanetaryHabitability）：指一個行星（或衛(wèi)星）的表面或特定區(qū)域（如液態(tài)水海洋）具備維持生命（特別是類似地球的復雜生命）所需的基本物理、化學和生物條件的潛在能力或狀態(tài)。**解析思路：*本題考察核心術語定義。關鍵在于理解“宜居性”是關于行星“維持生命”的“潛在能力/狀態(tài)”，“基本條件”通常包括液態(tài)水、適宜的溫度、能量來源、必要化學元素等。4.氣溶膠微生物（AerosolMicrobe）：指存在于行星大氣中的微生物或微生物組分，通常以微小顆粒（氣溶膠）的形式懸浮在大氣中，可以是完整的細胞、細胞片段或生物活性物質(zhì)。**解析思路：*本題考察核心術語定義。關鍵在于理解“氣溶膠微生物”是“微生物”本身或其“組分”，“存在于大氣中”，“以氣溶膠形式懸浮”，是行星大氣微生物的一種存在狀態(tài)。四、簡答題1.簡述遙感技術在探測行星大氣微生物方面面臨的主要挑戰(zhàn)。*信號微弱：大氣微生物產(chǎn)生的生物標志物（如特定氣體）濃度通常非常低，難以從背景信號中區(qū)分。*干擾因素多：行星大氣本身的成分、動態(tài)變化（云、風、輻射）以及星際介質(zhì)等都可能產(chǎn)生干擾信號，掩蓋微弱的生物信號。*儀器精度限制：現(xiàn)有遙感儀器的探測精度和光譜分辨率可能不足以精確識別和量化微弱的生物特征信號。*解釋性困難：即使探測到某種信號，也難以完全排除非生物成因的可能性，需要復雜的模型和更多的證據(jù)進行驗證。*缺乏直接觀測：遙感是間接探測，難以區(qū)分信號是來自大氣中的微生物本身還是其他來源（如地表反照率影響）。**解析思路：*本題要求簡述挑戰(zhàn)。需要從信號強度、環(huán)境干擾、儀器能力、解釋難度、觀測性質(zhì)等多個角度列出遙感探測面臨的主要困難，體現(xiàn)對該技術局限性的理解。2.簡述在極端溫度（高溫或低溫）條件下，微生物可能采取的適應機制。*高溫適應：微生物可能產(chǎn)生熱穩(wěn)定性的酶和蛋白質(zhì)（如含有金屬離子或特殊結(jié)構）；通過改變細胞膜的脂質(zhì)組成來調(diào)節(jié)流動性；積累小分子有機物作為“分子伴侶”保護生物大分子；進入休眠狀態(tài)（如形成芽孢）；利用熱液噴口等極端熱環(huán)境中的化學能代謝（chemosynthesis）。*低溫適應：細胞膜中增加不飽和脂肪酸含量以保持流動性；產(chǎn)生抗凍蛋白（如冰核蛋白、熱激蛋白）防止細胞內(nèi)結(jié)冰或穩(wěn)定生物大分子結(jié)構；積累cryoprotectants（如甘油、海藻糖）降低冰點并維持細胞滲透壓；改變細胞膜的脂質(zhì)結(jié)構；通過酶的變構調(diào)節(jié)活性。**解析思路：*本題要求簡述適應機制。需要分別針對“高溫”和“低溫”兩種極端情況，從分子水平（酶、蛋白質(zhì)、膜脂質(zhì)）、細胞水平（休眠、抗凍蛋白、滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)）等方面，列出微生物能夠采取的具體適應策略。3.簡述直接從行星大氣中采集微生物樣本的主要方法及其各自的特點。*大氣采樣器（AtmosphericSamplers）：通過濾膜過濾、冷凝、吸附等方式收集大氣中的微生物顆粒物或氣體成分。特點：操作相對簡單，可收集特定高度或時間段內(nèi)的樣品，但可能存在采樣效率、樣品代表性、易受污染等問題。*采氣袋/氣瓶（GasBags/Bottles）：收集大氣的整體樣品，后續(xù)在地面實驗室進行分析。特點：能獲取較大體積的氣體樣品，適用于某些氣體成分分析，但微生物在樣品袋內(nèi)可能因環(huán)境變化（如溫度、壓力、輻射）而失活，且樣品從采集到分析的時間可能較長。*原位微生物探測器（In-situMicrobialDetectors）：直接部署在目標大氣中，能對捕獲到的顆粒物或直接分析氣體成分，甚至嘗試進行原位培養(yǎng)或活性檢測。特點：能獲取實時、接近真實環(huán)境的測量數(shù)據(jù)，避免樣品運輸過程中的變化，但技術復雜，成本高，探測能力和壽命可能受限。**解析思路：*本題要求簡述主要方法和特點。需要列出至少三種常用方法（采樣器、采氣袋、原位探測器），并對每種方法的工作原理（如何采集）及其主要優(yōu)缺點（如效率、代表性、樣品穩(wěn)定性、實時性、成本復雜度）進行簡要說明。4.簡述行星大氣微生物研究與地外生命探索計劃之間的聯(lián)系。*提供科學目標：行星大氣微生物研究揭示了外行星（特別是類地行星和冰衛(wèi)星）大氣中可能存在生命跡象的潛在形式和探測方向，為地外生命探索任務（如火星探測、木衛(wèi)二探測）提供了明確的研究目標和科學問題。*驗證探測技術：該領域的研究推動了針對大氣微生物探測的新技術（如新型傳感器、采樣設備、數(shù)據(jù)分析算法）的發(fā)展、測試和驗證，這些技術可直接應用于地外生命探索任務中。*完善生命搜尋策略：通過研究地球大氣微生物的分布、生存條件和可探測信號，可以為制定在地外行星大氣中搜尋生命的策略（如選擇觀測目標、確定觀測窗口、判讀探測信號）提供重要的借鑒和指導。*拓展生命概念：對極端環(huán)境下大氣微生物生命形式的研究，有助于我們理解生命存在的可能邊界和多樣性，拓展對地外生命形態(tài)的認知，豐富地外生命探索的內(nèi)涵。**解析思路：*本題要求闡述聯(lián)系。需要從“提供科學目標”、“驗證探測技術”、“完善搜尋策略”、“拓展生命概念”等角度，說明行星大氣微生物研究如何服務于、并受地外生命探索計劃驅(qū)動和影響，體現(xiàn)兩者間的互動關系。五、論述題1.論述當前支持或反對火星大氣中存在現(xiàn)役微生物生命的兩種主要觀點及其依據(jù)。*支持觀點：*依據(jù)一：宜居環(huán)境的證據(jù)與潛在niches：火星過去曾擁有更溫暖濕潤的環(huán)境，留下了液態(tài)水存在的證據(jù)（如河道、三角洲地貌）。即使現(xiàn)在表面環(huán)境嚴酷，但在地下深處可能存在液態(tài)水湖泊或含水層，這些區(qū)域可能形成相對穩(wěn)定的“地下溫室”或“地下海洋”，為微生物生命提供潛在棲息地（如蓋爾撞擊坑下的好奇號發(fā)現(xiàn)）。*依據(jù)二：特定生物氣簽的探測可能性：盡管火星大氣稀薄，但某些氣體（如甲烷）的短周期性波動或特定同位素比率異常，被一些人解讀為可能由微生物活動產(chǎn)生。例如，一些研究指出某些甲烷濃度峰值與季節(jié)性變化或特定區(qū)域（如蓋爾撞擊坑）相關聯(lián)，暗示可能存在生物成因。*依據(jù)三：極端微生物的地球類比：地球上存在能夠在極端環(huán)境下生存的微生物（如嗜熱菌、嗜鹽菌、厭氧菌），它們展示了生命在惡劣條件下的適應能力，為火星上存在耐寒、耐壓、耐輻射的微生物提供了理論可能性。*反對觀點：*依據(jù)一：缺乏明確的、持續(xù)存在的生物氣簽：盡管有甲烷等氣體的發(fā)現(xiàn)，但尚未找到多個獨立氣體組成的、具有明確生物學意義的“生物氣簽”組合，且這些信號的強度、周期性和空間分布往往難以用持續(xù)的生命活動來完全解釋，可能更多歸因于地質(zhì)活動（如水冰升華、火山活動）或大氣化學過程。*依據(jù)二：缺乏直接觀測證據(jù)：盡管好奇號等探測器在火星巖石中發(fā)現(xiàn)了有機分子和可能的生命相關礦物痕跡（如可能構成細胞壁的礦物），但這更多指向過去生命存在的可能性（化石記錄），而非現(xiàn)役生命活動的直接證據(jù)?；鹦潜砻娴臉O端干燥、缺氧和強烈的紫外線輻射，也使得表面存在現(xiàn)役生命的可能性被大大降低。*依據(jù)三：探測技術的局限性和火星環(huán)境的整體不適宜性：現(xiàn)有探測手段（如遙感、地面采樣分析）在探測低豐度、分散分布的火星大氣微生物方面能力有限。同時，火星表面的整體環(huán)境（如極低的壓力、缺乏全球性磁場保護、高能粒子輻射）對大多數(shù)已知生命形式而言是高度不適宜的。**解析思路：*本題要求論述支持和反對兩種觀點。首先明確“支持”和“反對”的核心論點，然后分別詳細闡述每個論點所依據(jù)的具體證據(jù)，包括火星環(huán)境特征、特定氣體信號、地球生命類比、缺乏直接證據(jù)、探測技術限制以及火星整體環(huán)境評估等。需要結(jié)構清晰，論據(jù)充分，并能體現(xiàn)觀點的爭議性。2.論述開展行星大氣微生物模擬實驗研究的必要性和潛在局限性。*必要性：*理解生命極限：通過模擬外行星極端的大氣環(huán)境（如極端溫度、壓力、輻射、成分），可以測試已知地球微生物的生存極限，探索生命存在的可能性邊界，為評估外行星宜居性提供實驗依據(jù)。*研究適應機制：實驗環(huán)境可控，便于研究微生物在模擬行星大氣條件下具體的適應策略和分子機制（如基因表達變化、酶活性調(diào)節(jié)、細胞結(jié)構保護），為尋找生物標志物提供理論基礎。*驗證探測假設：可以在模擬環(huán)境中培養(yǎng)或引入特定微生物，然后使用類似未來探測任務的技術（如光譜分析、化學傳感器）進行檢測，以評估探測方法的靈敏度、特異性和可靠性。*探索非傳統(tǒng)生命形式：模擬實驗有助于我們思考在地球以外可能存在的、與地球生命截然不同的生命形式及其生存條件。*缺乏直接樣本：由于難以直接從外行星獲取微生物樣本，模擬實驗成為研究外行星大氣中微生物可能性與特征的重要補充手段。*潛在局限性：*簡化模型：實驗室模擬往往只能選取部分關鍵環(huán)境因素進行組合，難以完全復制外行星大氣系統(tǒng)的復雜性（如動態(tài)變化、多種因素協(xié)同作用、未知化學過程）。*地球生物的局限：使用地球微生物進行研究，其結(jié)果只能推斷地球生命在類似條件下的行為，不能完全代表外星生命（如果存在的話）的反應。*模擬精度問題：極端環(huán)境下的物理、化學過程非常復雜，模擬實驗在復現(xiàn)真實環(huán)境細節(jié)和精確控制變量方面可能存在困難。*“人工選擇”偏差：實驗中使用的通常是實驗室培養(yǎng)的、適應性較強的微生物，可能無法代表自然環(huán)境中（如果存在的話）微生物的真實狀況。*難以模擬所有因素：例如，某些外行星大氣特有的強輻射類型或復雜的化學反應，在地球?qū)嶒炇抑须y以完全模擬。**解析思路：*本題要求論述必要性和局限性。首先從“理解極限”、“研究機制”、“驗證探測”、“探索非傳統(tǒng)生命”、“彌補樣本缺失”等角度闡述其必要性。然后從“模型簡化”、“地球生物局限”、“模擬精度”、“人工選擇偏差”、“因素模擬不全”等方面指出其固有的局限性。需要辯證地看待模擬實驗的價值和不足。3.論述未來十年行星大氣微生物研究可能取得突破性進展的關鍵方向和技術需求。*關鍵方向：*深化對火星大氣的探測與集成分析：加強對火星大氣成分（特別是氣體及其同位素）的長期、高精度遙感監(jiān)測，結(jié)合地面直接采樣分析（如毅力號、未來樣本返回任務），尋找更明確、持續(xù)、空間分布有意義的生物氣簽。*關注冰衛(wèi)星（木衛(wèi)二、土衛(wèi)二、恩克拉多斯）的海洋-大氣相互作用：重點研究這些冰衛(wèi)星冰殼/冰架下的海洋如何與上方稀薄大氣進行物質(zhì)交換，大氣中是否攜帶了海洋來源的有機物或生物信號。*發(fā)展對極端環(huán)境微生物適應機制的深入理解：結(jié)合實驗室模擬和理論計算，更深入地揭示微生物在高溫、高壓