För tre miljarder år sedan, Jorden var en helt annan plats. Solen som sken på dess hav och kontinenter var inte så ljus som den är idag, och snarare än den syrerika atmosfären människor behöver för att överleva, metan spelade en mycket större roll i gasskiktet som omslöt vår unga planet. Trots deras olikheter, denna tidiga jord och vår nuvarande har något viktigt gemensamt:de kan båda stödja livet.

Under mycket av dess existens, Jorden har varit bebodd. Men om forskare på distans analyserade atmosfären på den unga jorden, de kan ha missat bevisen för livet.

"Jorden har varit många olika saker, säger Timothy Lyons, professor vid institutionen för jord- och planetvetenskap vid University of California, Riverside. "Det är en anmärkningsvärd historia att vår planet har behållit beboelighet så länge."

Lyons leder NASA Astrobiology Institutes "Alternative Earths"-team, där forskare karaktäriserar jorden under olika stadier av dess 4,5 miljarder år långa existens.

"Vi tittar på jordens förflutna för att förfina vår förmåga att leta efter biosignaturer [livets kemiska fingeravtryck] bortom vår planet och vårt solsystem, " säger han. "Det är extrasolära planeter som intresserar oss mest."

För närvarande, det finns fler än 4, 000 kända exoplaneter och tusentals fler väntar på bekräftelse. Forskare utvecklar avlägsna metoder för att se om dessa planeter är potentiellt beboeliga och kanske till och med bebodda. Signaturerna för något avlägset liv kommer med största sannolikhet att finnas i gaserna som tillhör atmosfären på en exoplanet.

Den föränderliga jorden

Medan jorden är den enda platsen i universum som är känt för att hysa liv, det finns många andra tidigare, alternativa versioner av vår hemplanet, som det förändrades genom tiden, som också lät livet överleva och frodas.

"I mer än fyra miljarder år, Jorden har haft hav, och vi har haft liv under större delen av den tiden, ändå har jorden förändrats så djupt genom sin historia, säger Lyons.

Genom forskningsprogrammet Alternative Earths, teamet kan "ta denna insamlade kunskap om de olika tillstånden på vår beboeliga och bebodda planet och utöka denna förståelse högre - bokstavligen - till atmosfären på en avlägsen planet."

Genom att kombinera data från geologin, kemi, och biologi på jordens kontinenter, hav, och atmosfärer från olika tidsperioder, Alternative Earths-teamet modellerar hur atmosfärerna på dessa tidiga jordar skulle ha sett ut baserat, till viss del, om relationer till livet i de underliggande haven. Denna förmåga att modellera gamla atmosfärer och utvidga lärdomarna till atmosfärer runt avlägsna planeter är avgörande för jakten på potentiellt beboeliga planeter bortom vårt solsystem.

"Jorden har redan lärt oss många olika lektioner, " säger Lyons. "[Vår forskning] letar inte efter en annan jord i sig. Det handlar mer om att leta efter de olika delarna av vad det är att vara en planet som kan upprätthålla liv. När du väl vet vad dessa processer gör på en planet som jorden, du kan sätta ihop dem till otaliga andra planetariska scenarier som kanske eller kanske inte kan göra samma sak."

Specifikt, teamet undersöker tre olika forntida jordar genom att samla in data från stenar för att skapa en bild av geologin, kemi, och planetens biologi vid dessa tider. Kapitlen av särskilt intresse sträcker sig från 3,2 till 2,4 miljarder år sedan, när de tidigaste livsformerna började släppa ut syre i atmosfären via fotosyntes; 2,4 till 2,0 miljarder år sedan, när den "stora oxidationshändelsen" inträffade och syre översvämmade jordens atmosfär och hav; och för 2,0 miljarder till 500 miljoner år sedan, när livet blev allt mer komplext, satte scenen för de organismer som skulle utvecklas till att bli de varelser som bebor jorden idag.

"Förstå utvecklingen av vår egen planet, inklusive stadier av anmärkningsvärd stabilitet såväl som episoder av turbulens, är ett viktigt första steg mot att förstå mångfalden av beboeliga planeter och liv som vi kan möta i universum, " säger teammedlemmen Stephanie Olson från University of Chicago. Olson är specialiserad på samspelet mellan havet och atmosfären på den tidiga jorden.

Ritningar för beboelighet

Forskare kan också justera sina planetmodeller för att skapa ett oändligt antal ritningar för möjligen beboeliga exoplaneter. Till exempel, de kan använda modeller som kan påskynda planetens rotation, justera lutningen på dess axel, placera alla kontinenter i en halvklot (eller ta bort dem helt), eller låt ena sidan av planeten vända sig mot sin stjärna kontinuerligt. Kontinenter är en integrerad del av havens beboelighet. Genom vittring av landytor, näringsämnen kommer in i haven för att ge näring åt livet i dem, och positionerna och höjderna av dessa landmassor förändrar hur dessa näringsämnen rör sig till och genom haven.

"Dessa faktorer påverkar också kommunikationen mellan havet och atmosfären, och därmed spårbarheten av liv i havet, "Säger Olson. "Att förstå hur planetparametrar påverkar biologisk aktivitet och förbindelser mellan havet och atmosfären kan hjälpa till att identifiera de mest lovande målen för upptäckt av exoplanetliv som kommer att vara minst sårbara för falska negativa biosignaturer."

Möjligheten av falska negativa effekter - när det faktiskt finns liv på en exoplanet men signaturerna för det livet undkommer upptäckt - fascinerar Alternative Earths-teamet.

I en artikel från 2017 ledd av Chris Reinhard vid Georgia Tech, Alternative Earths-teamet flaggade för faran med falska negativ i jakten på beboeliga planeter. Närvaron av både metan och syre i en atmosfär har setts som en guldstandard i sökandet efter avlägset liv. Dessa två gaser bör inte samexistera i nämnvärda mängder, eftersom de reagerar snabbt med varandra, men levande organismer kan ständigt fylla på dem i atmosfären, tillåta denna ojämvikt att bestå.

Dock, om forskare tittade på den tidiga jorden över de flesta, om inte alla, om dess historia, de kanske inte har kunnat upptäcka både metan och syre i den antika atmosfären, trots att livet var närvarande under en stor del av den tiden.

"[Att upptäcka] atmosfärisk metan skulle ha varit problematiskt under större delen av de senaste ~2,5 miljarder åren av jordens historia, " Reinhard och kollegor skriver. För steniga världar med hav, som jorden, dessa gaser skulle kunna återvinnas i haven, snarare än att kunna upptäckas i atmosfären. Denna möjlighet innebär att "planeter som är mest gynnsamma för utveckling och underhåll av en genomträngande biosfär, som de med vittringskontinenter och stora hav, kommer ofta att vara utmanande att karakterisera med hjälp av konventionella atmosfäriska biosignaturer, " de skriver.

Dessutom, även om både syre och metan är närvarande, de är inte nödvändigtvis produkter av liv.

Syre kan vara resultatet av fotosyntes, och mikrober producerar metan, men de kan också bildas genom fotokemiska och geologiska processer. Faktiskt, NASA Astrobiology Institute har ett team som undersöker metanproduktion via geologiska snarare än biologiska reaktioner.

"Produkterna av dessa reaktioner kan upprätthålla liv på en havsvärld, men själva gaserna kanske inte har något med livet att göra, " säger Lyons. "Du kan inte utvärdera vad gaserna betyder utan ett rigoröst sammanhang."

"Vi ser vanligtvis beboelighet som binär:en planet kan antingen försörja liv eller inte, men det finns sannolikt ett spektrum av beboelighet, tillägger Olson.

En proxy för syre

Forskare inom Alternative Earths-teamet kombinerar vad de vet om de olika tillstånden på vår planet och använder deras data och tillhörande datorsimuleringar för att generera exempel på vilka kemiska fingeravtryck, eller syntetiska spektra, forskare borde leta efter runt exoplaneter.

Lyons pekar på ozon och säsongsvariationer som särskilt viktiga i sökandet efter liv på andra planeter.

"Vi är stora fans av ozon [O ₃ ] eftersom det lättare kan detekteras med spektroskopiska tekniker än [molekylärt] syre [O ₂ ]", säger han. "Vi vill leta efter ozon och dess tidsvariabilitet som en proxy för O ₂ och dess säsongsvariationer."

Upptäckten av möjliga falska negativa effekter med hjälp av traditionella metoder för livsdetektering har fått teamet att tänka på nya och kanske ännu mer robusta livstecken. "Det har varit den roligaste delen, säger Lyons.

Medan O ₂ kan ha varit svårt att upptäcka på distans från den unga jorden, ozon, som bildas från O ₂ , kanske inte har varit det. Detta är bara ett exempel på de många sätt på vilka jordens historia informerar vårt val av möjliga exoplanetära mål för att upptäcka liv.

Dock, om astrobiologer vill kunna leta efter ozon på exoplaneter, de måste driva på för att dessa experiment ska inkluderas i framtida uppdrag.

"Vi börjar bara få data från andra planeter, " säger Lyons. "För att skaffa rätt data från dessa planeter i framtiden, vi måste börja planera nu."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.