地球历史中的非平衡生物标志及其对系外行星生命探测的启示

行星大气中的化学非平衡已被提出作为一种通过遥感光谱学探测系外行星生命的通用方法。在具有浓厚大气的太阳系行星中，由于生命的存在，现代地球具有最大的热力学化学非平衡。然而，这种非平衡如何随时间变化，特别是太古宙缺氧时期或元古宙低氧时期的生物源非平衡尚属未知。我们利用基于保守代理和模型的早期大气与海洋组成估计，计算了前寒武纪的大气-海洋非平衡。我们排除了地壳固体，因为与地表之上的挥发性物质不同，系外行星的地壳组成无法被探测。我们发现：(i) 非平衡随氧气上升而逐步增加；(ii) 元古宙和显生宙可能因 O$_{2}$、N$_{2}$ 与液态水共存而具有可遥感探测的生物源非平衡；(iii) 太古宙存在由 N$_2$、CH$_4$、CO$_2$ 与液态水共存导致的生物源非平衡，对于系外行星孪生体而言可能可被遥感探测。基于该非平衡，我们认为在宜居系外行星大气中同时探测到大量 CH$_{4}$ 与 CO$_{2}$ 是一种潜在的生物标志。具体而言，我们表明甲烷混合比大于 0.001 即可能为生物源，而超过 0.01 则因在无氧大气中维持高甲烷水平所需巨大非生物甲烷通量的困难而很可能为生物源。若缺乏大量 CO，则生物源性将得到加强，因为在生物学情景中 CO 不应与之共存。