天体生物学杂志 一个艺术家对三十亿年前地球的印象，当时我们的星球是一个非常不同的地方，但仍然是一种原始生命形式的宿主
荣誉:西蒙尼·马奇/美国国家航空航天局 三十亿年前，地球是一个非常不同的地方
照射在海洋和大陆上的太阳没有今天那么明亮，甲烷在包裹着我们年轻星球的气体层中扮演了更重要的角色，而不是人类赖以生存的富氧大气
尽管有所不同，这个早期的地球和我们现在的地球有一些重要的共同点:它们都可以支持生命
地球存在的大部分时间里，都有人居住
但是如果研究人员远程分析那个年轻地球的大气，他们可能会错过生命的证据
加州大学河滨分校地球与行星科学系教授蒂莫西·莱昂斯说:“地球有许多不同之处。”
“我们的星球维持可居住性如此之久，这是一个了不起的故事
" 莱昂斯是美国国家航空航天局天体生物学研究所“替代地球”小组的负责人，在该小组中，研究人员正在描述地球在其4
50亿年的存在
“我们正在审视地球的过去，以完善我们在我们的星球和太阳系之外寻找生物特征(生命的化学指纹)的能力，”他说
“我们最感兴趣的是太阳系外的行星
" 目前，已知的系外行星超过4000颗，还有数千颗等待确认
科学家们正在开发远程方法来观察这些行星是否可能适合居住，甚至可能有人居住
任何遥远生命的特征最有可能在系外行星大气的气体中找到
变化中的地球 虽然地球是宇宙中唯一已知的孕育生命的地方，但我们的地球还有许多其他先前的、可供选择的版本，因为它随着时间的推移而改变，这也让生命得以生存和繁衍
艺术家对岩石系外行星开普勒-186f的印象，开普勒-186 f是最有希望的行星候选之一，可能适合居住，但它与地球相比有多相似或不同才能支持生命？学分:美国国家航空航天局/艾姆斯/SETI研究所/JPL-加州理工学院 莱昂斯说:“40多亿年来，地球上有海洋，在那段时间的大部分时间里，我们都有生命，然而地球在其整个历史中发生了如此深刻的变化。”
通过另类地球研究项目，该团队能够“将收集到的关于我们这个可居住和有人居住的星球的不同状态的知识，从字面上更高层次地扩展到遥远星球的大气层。”
" 通过结合不同时期地球大陆、海洋和大气的地质学、化学和生物学数据，另类地球团队正在模拟早期地球大气的样子，部分是基于与底层海洋生命的关系
这种模拟古代大气并将学到的经验推广到遥远行星周围大气的能力，对于寻找太阳系以外潜在的可居住行星至关重要
“地球已经给我们上了许多不同的课，”莱昂斯说
“[我们的研究]本身并不是在寻找另一个地球
更重要的是寻找能够维持生命的星球的不同部分
一旦你知道这些过程在像地球这样的星球上发生了什么，你就可以把它们组合成无数个其他星球的场景，这些场景可能会也可能不会做同样的事情
" 具体来说，该团队正在调查三个不同的古代地球，通过从岩石中收集数据来创建当时地球的地质、化学和生物图片
特别感兴趣的章节从3
2至2
40亿年前，最早的生命形式开始通过光合作用向大气中释放氧气；2
4至2
00亿年前，当“大氧化事件”发生，氧气淹没地球大气层和海洋时；和2
0亿到5亿年前，当生命变得越来越复杂，为生物进化成为今天居住在地球上的生物创造了条件
芝加哥大学的小组成员斯蒂芬妮·奥尔森说:“了解我们自己星球的演化，包括显著稳定的阶段和动荡的时期，是理解宇宙中可居住星球和生命多样性的重要的第一步。”
奥尔森专门研究早期地球海洋和大气之间的相互作用
可居住性蓝图 研究人员还可以调整他们的行星模型，为可能适合居住的系外行星创建无限数量的蓝图
例如，他们可以使用模型来加速行星的旋转，调整其轴的倾斜，将所有的大陆放在一个半球(或者完全移除它们)，或者允许行星的一侧连续面对它的恒星
大陆是海洋可居住性的一个组成部分
通过陆地表面的风化，营养物质进入海洋来滋养海洋中的生命，而这些陆地的位置和高度改变了这些营养物质向海洋移动和通过海洋的方式
学分:美国国家航空航天局/埃姆斯/SETI学院/JPL-加州理工学院 奥尔森说:“这些因素也会影响海洋和大气之间的交流，从而影响海洋中生命的可探测性。”
“了解行星参数如何影响生物活动和海洋-大气连通性，有助于确定最有希望的外行星生命探测目标，这些目标最不容易受到生物标记假阴性的影响
" 假阴性的可能性——当系外行星上确实存在生命，但该生命的特征却未被发现——让另类地球团队着迷
在2017年由佐治亚理工学院的克里斯·赖因哈德领导的一篇论文中，替代地球小组指出了在寻找可居住行星过程中假阴性的危险
大气中甲烷和氧气的存在被视为寻找遥远生命的黄金标准
这两种气体不应该以可感知的数量共存，因为它们相互之间反应迅速，但活的生物体可以不断地在大气中补充它们，使这种不平衡持续下去
然而，如果研究人员着眼于早期地球的大部分历史(如果不是全部的话)，他们可能无法探测到古代大气中的甲烷和氧气，尽管生命在那段时间的大部分时间里都存在
“[探测]大气中的甲烷在过去2年的大部分时间里都是个问题
地球50亿年的历史，”赖因哈德和他的同事写道
对于有海洋的岩石世界，比如地球，这些气体可以在海洋中循环利用，而不是在大气中被探测到
他们写道，这种可能性意味着“最有利于无处不在的生物圈的发展和维护的行星，比如那些有风化大陆和广阔海洋的行星，通常很难用传统的大气生物标志来表征。”
此外，即使氧气和甲烷都存在，它们也不一定是生命的产物
氧气可以是光合作用的结果，微生物产生甲烷，但它们也可以通过光化学和地质过程形成
事实上，美国宇航局天体生物学研究所有一个团队通过地质反应而不是生物反应来研究甲烷的产生
“这些反应的产物可以维持海洋世界的生命，但气体本身可能与生命无关，”莱昂斯说
“没有一个严格的背景，你无法评估气体的含义
" 遥远的系外行星可能与今天的地球有不同的生物特征
美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够探测太阳系外行星的大气层，寻找这些生物标志
早期地球的生物特征能给我们一些线索来寻找什么吗？信用:约书亚·克里斯森-托顿/美国宇航局 奥尔森补充道:“我们通常认为可居住性是二元的:一颗行星可以支持生命，也可以不支持生命，但可能存在一系列可居住性。”
氧气的替代品 替代地球小组的研究人员正在结合他们对我们星球不同状态的了解，并使用他们的数据和相关的计算机模拟来生成科学家应该在系外行星周围寻找的化学指纹或合成光谱的例子
莱昂斯指出臭氧和季节性在寻找其他星球上的生命时尤为重要
“我们是臭氧(O3)的忠实粉丝，因为它比(分子)氧(O2)更容易被光谱技术探测到，”他说
“我们想寻找臭氧及其时间变异性，作为O2及其季节性的代表
" 使用传统的生命探测方法发现可能的假阴性，促使研究小组思考新的甚至更强有力的生命迹象
“这是最有趣的部分，”莱昂斯说
虽然从年轻的地球上很难探测到氧气，但从氧气中形成的臭氧可能不会
这只是地球历史告知我们选择可能的外行星生命探测目标的许多方式中的一个例子
然而，如果天体生物学家希望能够在系外行星上寻找臭氧，他们需要推动将这些实验纳入未来的任务
“我们才刚刚开始从其他星球获得数据，”莱昂斯说
“为了在未来从这些行星上获得正确的数据，我们需要现在就开始计划
"
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