活細(xì)胞比天空中星星還要多
從細(xì)菌到藍(lán)鯨，生物體內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量超過了地球上沙粒估計(jì)數(shù)量的一萬億倍，比宇宙中所有恒星都要大一百萬倍。根據(jù)最新估計(jì)，曾經(jīng)存活過的細(xì)胞數(shù)量還要大10個數(shù)量級。這些計(jì)算可以幫助科學(xué)家更好地了解地球的繁殖力，并預(yù)測未來的生命形式如何使用碳。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于10月11日的《當(dāng)代生物學(xué)》。
圖片來源：FRANK FOX/SCIENCE SOURCE
未參與這項(xiàng)工作的加州理工學(xué)院生物物理學(xué)家Rob Phillips表示，量化這些基線對于科學(xué)家提出有意義問題的能力至關(guān)重要。他認(rèn)為，簡單地計(jì)算和測量事物是能否做科學(xué)的區(qū)別。
卡爾頓大學(xué)地質(zhì)學(xué)家Peter Crockford團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)有的海洋、土壤和地下微生物的數(shù)量與大型生物體的細(xì)胞數(shù)量相結(jié)合，開始了盤點(diǎn)工作。結(jié)果確認(rèn)大約1030個細(xì)胞是曾經(jīng)存活過的細(xì)胞總數(shù)的起點(diǎn)，其中大部分是藍(lán)藻。
這一計(jì)算的關(guān)鍵是初級生產(chǎn)力，即二氧化碳轉(zhuǎn)化為所有生命所需的碳基化合物的能力。這些化合物，如糖和淀粉，沿著食物鏈向上移動：植物和進(jìn)行光合作用的微生物被其他生物吃掉，而其他生物又被更大的生物吃掉。所有這些生物都會死亡，被昆蟲和微生物消耗和分解。這些消費(fèi)者在呼吸和死亡時將二氧化碳排放到大氣中，完成了碳循環(huán)。
為了解初級生產(chǎn)力在地球地質(zhì)歷史上是如何變化的，Crockford團(tuán)隊(duì)梳理了科學(xué)文獻(xiàn)，估計(jì)了不同時間點(diǎn)光合作用生物的數(shù)量和類型，以及它們生產(chǎn)了多少“食物”。了解了現(xiàn)代細(xì)胞的初級生產(chǎn)力后，研究人員就能夠?qū)r鐘撥回到過去，計(jì)算出維持過去生產(chǎn)力水平需要多少細(xì)胞。他們還根據(jù)不同生命形式的進(jìn)化時間以及冰河時代如何抑制這些生物的活動等因素調(diào)整了計(jì)算結(jié)果。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最早的光合作用者是一種微生物——藍(lán)藻，它在34億到25億年前進(jìn)化而來。Crockford說，在8億到6.5億年前的某個時候，藍(lán)藻的生產(chǎn)力被藻類超越了，而當(dāng)4.5億到3.5億年前陸地植物進(jìn)化時，其生產(chǎn)力又大大超過了藻類。
把所有都計(jì)算進(jìn)去，大約有1039到1040個細(xì)胞存在過。這些光合作用生物總共大約循環(huán)了地球上所有的碳100次。研究人員的計(jì)算表明，這些數(shù)字正在接近上限，地球根本沒有資源來支持超過1041個細(xì)胞。
意大利地中海農(nóng)林系統(tǒng)研究所國家研究委員會森林生態(tài)學(xué)家Alessio Collalti認(rèn)為，這些數(shù)字似乎“合理而現(xiàn)實(shí)”，這篇論文讀起來“就像一部關(guān)于地球上生命的電影”。
然而，南丹麥大學(xué)地理生物學(xué)家Donald Canfield警告，隨著時間的推移，這些估計(jì)會變得更加不確定。
研究人員表示，隨著太陽年齡的增長，它會變亮，推動地質(zhì)過程，逐漸降低空氣中的二氧化碳含量。根據(jù)研究人員的設(shè)想，大約10億年后，二氧化碳水平將降至極低水平，光合作用將受到影響，植物會死亡，海洋溫度將大幅上升，那里的初級生產(chǎn)者也將無法生存。此后不久，地球的生物量將急劇下降，我們所知道的生命將逐漸停止。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.09.040
