早期地球在寻找生命方面能教会我们什么

地球是我们所知道的唯一支持生命的行星，因此很容易将其用作在其他地方寻找生命的标准。但现代地球不能作为评估系外行星及其支持生命的潜力的基础。地球的大气层在45亿年来发生了根本性的变化。

更好的方法是确定地球演化不同阶段的大气层中存在哪些生物标记，并在此基础上判断其他行星。

这就是一组来自英国和美国的研究人员所做的。他们的研究题为“早期地球作为系外行星生物地球化学的模拟”，它出现在预印本服务器arXiv上。主要作者是伊娃·E·斯托肯(EvaE.Stüeken)，她是一名博士。英国圣安德鲁斯大学地球与环境科学学院学生。

大约45亿年前地球形成时，它的大气层与今天完全不同。当时，大气和海洋都缺氧。大约24亿年前，大氧化事件期间，游离氧开始在大气中积累，这是地球历史上的决定性时期之一。但氧气来自生命本身，这意味着当地球大气层与地球有很大不同时，生命就已经存在。

这并不是地球大气层随地质时期发生变化的唯一例子。但它具有启发性，并表明为什么寻找生命不仅仅意味着寻找像现代地球这样的大气层。如果这就是我们进行搜索的方式，我们就会错过尚未出现光合作用的世界。

在他们的研究中，作者指出地球数十亿年来如何在不同的大气条件下容纳丰富且不断进化的微生物种群。

作者写道：“在这段时间的大部分时间里，地球上一直居住着一个纯粹的微生物生物圈，尽管随着时间的推移，其复杂性似乎越来越大。”“在地球历史的大部分时间里，这种地球生物演化的丰富记录为我们在各种行星条件下远程探测微生物生命提供了见解。”

随着时间的推移，改变的不仅仅是生活。板块构造已经发生变化，并且可能长期处于“停滞盖”构造状态。在静止的盖构造中，板块不会水平移动。这可能会对大气化学产生影响。

地球的历史是由化学反应书写的。研究中的这个数字显示了沉积物中硫同位素分馏的百分比。由于大气中的氧气形成了臭氧层，GOE后硫信号消失了。它阻挡了紫外线辐射，从而阻止了二氧化硫的光解作用。“从不产生O2的缺氧行星更有可能类似于GOE之前的早期地球，”作者解释道。图片来源：Stüeken等人。2024年。

要点是，地球的大气层并不反映地球形成的太阳星云。随着时间的推移，多个相互交织的过程改变了大气层。寻找生命不仅涉及更好地理解这些过程，还涉及如何确定系外行星可能处于哪个阶段。

生物过程会对行星大气产生巨大影响，这是不言而喻的。研究人员写道：“在现代地球上，大气成分受到生命的强烈控制。”“然而，任何潜在的大气生物特征都必须脱离非生物(地质和天体物理)过程的背景，这些过程也有助于行星大气层，并将在无生命的世界和生物圈非常小的行星上占据主导地位。”

作者概述了他们所说的早期地球可以教给我们关于寻找生命的最重要的教训。

首先，地球在其漫长的历史中实际上拥有三种不同的大气层。第一个来自太阳星云，在行星形成后不久就消失了。这就是主要的气氛。第二个是由行星内部的排气形成的。

第三个是地球的现代大气，它很复杂。这是一种涉及生命、板块构造、火山活动甚至大气逃逸的平衡行为。更好地了解地球大气层如何随时间变化可以让研究人员更好地了解他们在系外行星大气层中看到的情况。

第二个是，我们回顾过去越远，地球早期生命的岩石记录被改变或破坏的就越多。我们最好的证据表明，生命在35亿年前，甚至可能在37亿年前就已经存在。如果是这样的话，第一个生命可能存在于一个被海洋覆盖的世界，没有大陆陆地，只有火山岛屿。

如果3.5至37亿年前有丰富的火山和地质活动，就会有大量的CO2和H2通量。由于这些是产甲烷的底物，因此大气中的甲烷可能丰富且可检测到。

作者概述的第三个教训是，在大气中检测到氧气之前，行星可以在很长一段时间内拥有产氧生命。科学家认为，含氧光合作用在太古代中期就出现在地球上。太古代的时间跨度为40亿年前到25亿年前，所以太古代中期大约是32.5亿年前。但直到大约24亿年前的大氧化事件，氧气才在大气中积聚。

氧气是一种强大的生物标志物，如果在系外行星的大气层中发现它，将会令人兴奋。但在大气中的氧气被检测到之前，地球上的生命已经存在了很长一段时间。

詹姆斯韦伯太空望远镜因检查系外行星大气和识别化学物质而成为头条新闻。韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)于2022年7月10日捕获了热气巨行星WASP-39b的透射光谱，首次揭示了太阳系外行星大气中存在二氧化碳的确切证据。图片来源：NASA、ESA、CSA和L.Hustak(STScI)。科学：JWST凌日系外行星社区早期发布科学团队

第四课涉及水平板块构造的出现及其对化学的影响。“从GOE开始，地球的构造看起来与今天相似，”作者写道。海洋可能分层为缺氧层和氧化表层。然而，热液活动不断地将二价铁引入海洋。这增加了海水中的硫酸盐含量，从而减少了大气中的甲烷含量。如果没有甲烷，地球生物圈将很难被探测到。

作者解释道：“在过去的45亿年里，地球已经从一颗可能具有不同构造体系的完全缺氧的行星，进化成了我们今天所知的具有水平板块构造的含氧世界。”所有这些复杂的进化使得生命得以出现并繁衍生息，但也使得探测系外行星上的早期生物圈变得更加复杂。

在寻找系外行星生命方面，我们处于巨大的劣势。我们可以真正地挖掘地球古老的岩石，试图解开地球上生命的悠久历史以及数十亿年来大气层是如何演变的。说到系外行星，我们所拥有的只是望远镜。望远镜的功能越来越强大，但仍然是望远镜。当我们开始探索我们自己的太阳系时，特别是火星和围绕气态巨行星运行的诱人的海洋卫星，其他太阳系超出了我们的物理范围。

作者写道：“我们必须远程识别外星生物圈的存在，并通过大型地面和太空望远镜获得的行星光谱来表征它们的生物地球化学循环。”“这些望远镜可以通过检测与特定气体相关的吸收特征来探测大气成分。”正如JWST所表明的那样，探测大气气体是我们目前最强大的方法。

但随着科学家获得更好的工具，他们将开始超越大气化学。“我们或许还能够识别全球范围的表面特征，包括光与光合色素的相互作用以及液体海洋对光的镜面反射产生的‘闪烁’。”

了解我们在系外行星大气层中所看到的情况与我们对地球悠久历史的了解是相似的。地球可能是我们扩大和加速寻找生命的关键。

作者写道：“揭示地球复杂的生物地球化学历史的细节及其与远程可观测光谱信号的关系是仪器设计和我们寻找宇宙生命的重要考虑因素。”