Данный материал является переводом оригинальной статьи, размещённой на сайте The Conversation.
Все организмы состоят из живых клеток. И хотя трудно точно определить, когда появились первые клетки, по лучшим оценкам геологов, это произошло как минимум 3,8 миллиарда лет назад. Но сколько жизни населило эту планету со времени появления первой клетки на Земле? И сколько жизни когда-либо будет вообще существовать на Земле?
В нашем новом исследовании, опубликованном в журнале Current Biology, мы с моими коллегами из Института науки Вейцмана и колледжа Смита попытались ответить на эти важные вопросы.
Углерод на Земле
Ежегодно около 200 миллиардов тонн углерода поглощается посредством так называемого первичного производства. Во время первичного производства неорганический углерод, такой как углекислый газ в атмосфере и бикарбонат в океане, используется для получения энергии и создания органических молекул, необходимых для жизни.
Сегодня наиболее заметный вклад в эти усилия вносит кислородный фотосинтез, ключевыми ингредиентами которого являются солнечный свет и вода. Однако расшифровка прошлых темпов первичного производства оказалась сложной задачей. Вместо машины времени учёные, подобные мне, полагаются на подсказки, оставленные в древних осадочных породах, чтобы реконструировать окружающую среду прошлого.
В случае первичной добычи такие оценки позволяет сделать изотопный состав кислорода в форме сульфата в древних соляных отложениях.
В нашем исследовании мы собрали все предыдущие оценки древнего первичного производства, полученные с помощью описанного выше метода, а также многие другие. Результатом этой переписи продуктивности стало то, что мы смогли подсчитать, что с момента зарождения жизни через первичное производство прошло 100 квинтиллионов (или 100 миллиардов миллиардов) тонн углерода.
Большие числа подобные этому трудно представить; 100 квинтиллионов тонн углерода — это примерно в 100 раз больше, чем количество углерода, содержащегося на Земле, — довольно впечатляющий результат для основных создателей Земли.
Первичное производство
Сегодня первичное производство в основном обеспечивается растениями на суше и морскими микроорганизмами, такими как водоросли и цианобактерии. В прошлом доля этих основных источников была совсем другой; в случае с самой ранней историей Земли первичное производство в основном осуществлялось совершенно другой группой организмов, которые для поддержания жизни не полагались на кислородный фотосинтез.
Комбинация различных методов смогла дать представление о том, когда различные первичные производители были наиболее активны в прошлом Земли. Примеры таких методов включают идентификацию самых старых лесов или использование молекулярных окаменелостей, называемых биомаркерами.
В нашем исследовании мы использовали эту информацию, чтобы выяснить, какие организмы внесли наибольший вклад в историческое первичное создание Земли. Мы обнаружили, что, несмотря на позднее появление на сцене, наземные растения, вероятно, внесли наибольший вклад. Однако также весьма вероятно, что немалый вклад внесли цианобактерии.
Тотальная жизнь
Определив, сколько первичного производства когда-либо происходило, и выявив, какие организмы были ответственны за него, мы также смогли оценить, сколько жизни когда-либо существовало на Земле.
Сегодня можно приблизительно определить, сколько существует людей, исходя из количества потребляемой ими пищи. Аналогичным образом, мы смогли откалибровать соотношение первичной продукции к количеству клеток, существующих в современной среде.
Несмотря на большую вариабельность числа клеток в организме и размеров различных клеток, такие осложнения становятся вторичными, поскольку в глобальных клеточных популяциях доминируют одноклеточные микробы. В конце концов, мы смогли оценить, что сегодня существует около 1030 (10 неиниллионов) клеток и что на Земле когда-либо существовало от 1039 (дуодециллион) до 1040 клеток.
Сколько жизни за всё время будет на Земле?
За исключением способности переместить Землю на орбиту молодой звезды, срок жизни биосферы Земли ограничен. Этот мрачный факт является следствием жизненного цикла нашей звезды. С момента своего рождения Солнце в течение четырёх с половиной миллиардов лет медленно становится ярче, поскольку в его ядре водород превращается в гелий.
В далёком будущем, примерно через два миллиарда лет, все биогеохимические средства защиты, которые делают Землю пригодной для жизни, выйдут за пределы своих возможностей. Сначала вымрут наземные растения, а затем, в конце концов, закипят океаны, после чего Земля снова станет практически безжизненной каменистой планетой, какой она была в зачаточном состоянии.
Но до тех пор, сколько жизни сможет вместить Земля за весь свой пригодный для обитания срок службы? Прогнозируя наши текущие уровни первичной продуктивности на будущее, мы подсчитали, что когда-либо Землю будут населять около 1040 клеток.
Земля как экзопланета
Всего несколько десятилетий назад экзопланеты (планеты, вращающиеся вокруг других звёзд) были всего лишь гипотезой. Теперь мы можем не только обнаружить их, но и описать многие аспекты тысяч далёких миров вокруг далёких звезд.
Но как Земля соотносится с этими телами? В нашем новом исследовании мы взглянули на жизнь на Земле с высоты птичьего полёта и предложили Землю в качестве эталона для сравнения других планет.
Однако что мне действительно интересно, так это то, что могло произойти в прошлом Земли, что привело к радикально другой траектории и, следовательно, к радикально другому количеству жизни, которая смогла назвать Землю своим домом. Например, что, если бы оксигенный фотосинтез никогда не возник, или что, если бы никогда не возник эндосимбиоз?
Ответы на подобные вопросы – вот что будет стимулировать работу в моей лаборатории в Карлтонском университете в ближайшие годы.
