沒有什麼發現能比探測另一個星球上的生命更大的了。無論是岩石星球，還是巨大的氣體星球，熱的，冷的，或者介於兩者之間的星球，我們都不挑剔：只要一個世界有生命，我們就想找到它。
只要我們搜索過，我們就會想到一個圖像：地球。畢竟，地球是宇宙中唯一一個我們知道有生命存在的行星。
但是地球並不總是像現在這樣。在我們這個星球存在的45億年裡，它經歷了巨大的變化：冰河時期和變暖時期，大氣無法呼吸的時期，大面積沙漠的時期，或者兩極擁有茂密的熱帶森林的時期。在這段動盪的歷史的時間裡，生命不知何故仍在繼續。
如果有一本關於我們今天所居住的世界的指南，我們發現類似於早期地球的系外行星，我們是否會認出它們？也許不會。我們知道如何尋找相對先進的智能生命跡象，如嘈雜的無線電傳輸和特大城市的明亮燈光。然而，如果一個星球有不那麼複雜的居住者，我們就必須依靠識別生命的其他特徵。這就是為什麼科學家們對填補我們尋找智能生命的盲點感興趣的原因，他們已經開始在離地球更近的地方尋找智能生命。他們想要想象一下，如果從太陽系以外的地方看到早期的地球，會是怎樣的景象。
我們第一次嘗試從遠處研究我們的星球是在1989年發射伽利略任務時。按照程序，它繞地球運行兩週，利用行星的引力彈射，在前往最終目標木星的途中給它提供動力。天文學家卡爾·薩根(Carl Sagan)建議利用這個機會，將我們最好的外星探測設備指向地球本身。他推斷，如果它什麼也沒發現，那就意味著其他地方的生命也可能逃過我們的注意。
他們證實，我們的技術文明應該可以被遙遠的、同樣先進的外星文明所探測到。
在沒有科技跡象的地方，迄今為止最好的生命跡象就是氧氣。它在我們大氣中的丰度(21%)，如果沒有植物，將很難維持下去。甲烷是一種更為模糊的生物特徵，因為有許多非生物機制可以產生這種氣體，而細菌也會釋放出甲烷。
然而，一個比氧氣或甲烷本身更大的跡象，是兩者的共同存在。這是因為這種混合物是可燃的，並在反應時釋放能量，形成二氧化碳和水。喬治亞理工學院的克里斯·萊因哈德(Chris Reinhard)說：“如果把這兩種氣體留給它們自己的設備中，通常會熄滅。它們都以相對較高的丰度存在這一事實表明，它們正以非常高的速率進入大氣，這可能是生物造成的。”
另一個可靠的生命跡象是植物反射的光。雖然我們星球的植被吸收了大部分可見波長，但除了綠色光外，它吸收的綠色光比紅外光要少得多。其結果是在地球反射光譜中出現一種稱為“紅邊效應”的突變現象，這種現象如果沒有生物就很難複製。
尋找高水平的氧氣，甲烷與氧氣共存，或紅邊效應將是一個很好的方式，以篩選像地球的行星。
已知最早的生命形式出現在大約40億年前，當時地球的地殼正在冷卻，形成岩石和大陸的起源。在這個時候，被稱為太古宙，地球的大氣層被由活火山產生的二氧化碳所控制。在這個充滿敵意的環境中，原始的微生物產生了甲烷，氧氣水平處於歷史最低水平。如果氧氣再高一點，我們所知道的生命可能根本就不會出現。
大約10億年後，這顆行星進入了一個叫做元古代的時代。光合作用已經在進行中，但正是在這個時候，二氧化碳轉化為氧氣的能力對地球產生了持久的影響。氧氣、二氧化碳和甲烷首次在大氣中共存，從而加速了多細胞生命的進化。
在這段時間裡，發生了兩次“雪球地球”事件，當時整個星球都被冰覆蓋著。導火索可能是一些微不足道的事情，比如全球氣溫的短暫下降，使得極地冰蓋擴張。這反射了更多的陽光，最終凍結了整個地球。麻煩的是，我們不知道冰天雪地會如何影響觀察生命的機會。萊因哈德說：“在雪球地球事件期間，大氣層的組成實際上並不是非常廣為人知。”
然而，元古代的主要特徵是從18億年前到8億年前的10億年的明顯穩定時期。在多細胞生命的瘋狂出現和第一次雪球地球事件的混亂之後，這個星球享受到了一次喘息的機會。氣候恆定，生命似乎變得非常緩慢，氧氣仍然維持在低水平。難怪地質學家把這叫做“無聊十億年”。
有些人認為這個名字有點不公平。劍橋大學的尼克·巴特菲爾德(Nick Butterfield)說，畢竟，這是有性生殖首次進化的時期，也是第一批真核生物-具有複雜細胞的生物-出現的時候，這些細胞最終形成了我們自己，“這是一件了不起的事情”，劍橋大學的尼克·巴特菲爾德說。然而，從外星伽利略空間探測器的角度來看，似乎沒有什麼變化。
當這無聊十億年結束的時候，生命真的是踩上了油門踏板。在這個時候，被稱為顯生宙的時代，生命形式的多樣性在所謂的寒武紀大爆發中迅猛發展，氧氣最終達到了可以被探測到的水平，植物開始在地球表面繁衍。這是第一次看到紅邊效應的時候。
這段複雜的歷史為那些根據地球目前的面貌獵取系外行星的人們提供了一個慘痛的教訓。萊因哈德說：“在地球歷史上大約五分之四的時間裡，我們都無法看到地表生命的證據。”無論是尋找高含氧量、氧-甲烷共存還是紅邊效應，你多半都是兩手空空的。奧爾森說：“顯而易見的生物特徵候選方案不會像我們想象的那麼有效。”
部分問題在於我們對早期地球所知甚少。可以毫不誇張地說，在某些方面我們很快就會了解數十億公里以外的行星，這比了解幾十億年前我們自己的世界更容易。由於僅存的證據如此之少，重建地球的歷史是一項重大的挑戰。在空白被填補之前，尋找生命的天文學家所需要的是一種更寬泛的方式來確定哪些行星需要進一步研究。
對於加那利群島天體物理研究所的恩裡克·帕萊(Enric Pallé)來說，一條充滿希望的道路是古代紅邊效應。從太古宙時代起，在大陸成為植物溫床之前很久，它們就可能被紫色的單細胞細菌席子所淹沒。帕萊說，如果這些微小的生物數量足夠多，它們對星球反射光的影響將與植物的影響相似，但會向光譜的遠紅端移動。
雖然這聽起來很吸引人，但它的信號可能很弱，很難從遠處發現。奧爾森和她的同事認為，他們已經找到了兩條更有前途的途徑。第一種方法是對行星進行長時間的觀測，而不僅僅是對其大氣層的組成情況進行截圖。例如，以這種方式觀測地球將揭示大氣二氧化碳水平的季節性變化。這是因為植物在生長季節會消耗更多的二氧化碳，而北半球則由於其陸地面積更大而佔據主導地位。
在沒有植物的行星上，如元古代地球，微生物的光合作用不太可能導致二氧化碳水平的明顯波動。相反，呼吸的生物體可能會在氧氣中產生類似的季節性變化。雖然氧氣水平本身可能太低，無法從遠處發現，但其波動對臭氧等其他化學物質水平的影響可以想象得到。
使用季節性作為生物特徵的一個缺點是，有些世界沒有季節。Méndez指出，較小、較暗的恆星是地球最近的鄰居，它們周圍的行星必須靠近它們的恆星，才有可能適合居住，但這樣做意味著它們最終總是傾向於保持同一面指向它們的恆星。“它們被潮水鎖住了，”他說，“所以你不會有任何季節。”
奧爾森和她的同事們正在研究的另一個想法可能會更有成效。它涉及到重新思考生命會如何影響大氣的構成。就像如果現在所有的生命都消失了，甲烷和氧氣就不會在地球上共存一樣，科學家們認為還有其他一些氣體的組合處於不平衡狀態，也就是說，沒有生命它們將很難維持下去。例如，在太古宙時期，大氣中的甲烷與二氧化碳、氮和水的不平衡，一旦停止產生，就會迅速消失。
但是沒有必要同時尋找所有這些氣體。奧爾森的研究小組認為，你只需在大氣中看到二氧化碳和足夠多的甲烷，就能意識到生物可能正在發生某種變化。儘管氧和甲烷的相對丰度在地球歷史上的任何時候都無法從遠處測量出來，但二氧化碳和甲烷的相對丰度可能是可以測量的。奧爾森說：“可檢測到的二氧化碳和甲烷不平衡更可能發生在更廣泛的行星上，包括那些氧氣水平無法檢測到的行星。”
巴特菲爾德認為，尋找這些大氣不平衡是一個有趣的想法，但警告說：“僅僅看到不平衡是很有趣的，但這不一定是生物活動。”
雖然假陽性是不可避免的，奧爾森希望像不平衡和季節性這樣的線索將有助於填補我們在尋找生命過程中的一些盲點。首先，奧爾森說，“它們與特定的代謝無關”。外星生命不一定需要像我們一樣，甚至是碳基的，這些潛在的生物特徵可以揭示它在遙遠星球上的存在。
然而，要有足夠好的眼光去找出答案並不是一件容易的事。弄清楚一顆系外行星的大氣層中發生了什麼，意味著要儘可能地從它身上收集更多的光。當然，行星並不會產生光，它們只會反射光，而光信號在恆星的光作用下會變得很小。為了將它們分開，我們需要巨大的望遠鏡，比如美國宇航局的詹姆斯韋伯望遠鏡，預計在2021年發射，或者下一代的超大型地面望遠鏡。即使有了這些設備，這項任務也將是棘手的。觀察一顆系外行星的季節性將需要大量時間時間。
任何單一的測量都不會是決定性的。通過觀察行星大氣的組成，它是如何隨著時間的推移而變化的，以及表面上出現的任何不尋常的現象，研究人員將轉而建立一幅緩慢演變的畫面，來描述這個世界容納生命的機會。帕萊說：“你在挖掘到一個東西的時候，你說，'就是這樣！我找到了它。'但這並不是這樣一個過程，在這個過程中，我們正在慢慢地選擇我們最好的候選人。”
我們對地球原始過去各方面的持續無知，也可能阻礙對遙遠生命的搜尋。例如，是什麼引發了元古代的雪球地球，至今仍是一個謎。賴因哈德說，即使我們在冰河時期發現了一顆系外行星，我們也不知道如何解釋我們所看到的。歷史上最重大的發現之一可能再一次使我們望而卻步。
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