Сколько жизни когда-либо существовало на Земле?

Все организмы состоят из живых клеток. Хотя трудно точно определить, когда появились первые клетки, по лучшим оценкам ученых, это произошло, по крайней мере, 3,8 миллиарда лет назад. Но сколько жизни населяло эту планету со времени появления первой клетки на Земле? И сколько жизни когда-либо будет 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.

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 заметным вкладом в эти усилия является кислородный фотосинтез, ключевыми ингредиентами которого являются солнечный свет и вода. Однако расшифровка прошлых темпов первичного производства была сложной задачей. Вместо машины времени ученые, 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 месторождениях.

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 100 квинтиллионов (или 100 миллиардов миллиардов) тонн углерода прошло через первичное производство с момента зарождения жизни.

Такие большие цифры трудно представить; 100 квинтиллионов тонн углерода — это примерно в 100 раз больше, чем количество углерода, содержащегося на Земле, — довольно впечатляющий результат для основных производителей Земли.

Основное производство

Сегодня первичное производство осуществляется в основном за счет наземных растений и морских микроорганизмов, таких как водоросли и цианобактерии. В прошлом доля этих основных вкладчиков была совсем другой. В случае древнейшей истории Земли первичное производство в основном осуществлялось совершенно другой группой организмов, которые не полагались на кислородный фотосинтез, чтобы остаться в живых.

Комбинация различных методов позволила дать представление о том, когда разные первичные производители были наиболее активны в прошлом Земли. Примеры таких методов включают выявление древнейших лесов или использование молекулярных окаменелостей, называемых биомаркерами.

В нашем исследовании мы использовали эту информацию, чтобы выяснить, какие организмы внесли наибольший вклад в историческое первичное производство Земли. Мы обнаружили, что, несмотря на запоздание, наземные растения, вероятно, внесли наибольший вклад. Однако вполне вероятно, что наибольший вклад внесли цианобактерии.

Общая жизнь

Определив, сколько первичного производства когда-либо происходило, и определив, 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 пищи. Точно так же мы смогли откалибровать соотношение первичной продукции и количества клеток, существующих в современной среде.

Несмотря на большую вариабельность количества клеток в организме и размеров различных клеток, такие осложнения становятся вторичными, поскольку одноклеточные микробы доминируют в глобальных клеточных популяциях.

В конце концов, нам удалось подсчитать, что сегодня существует около 10 ³⁰ (10 нониллионов) клеток и что на Земле когда-либо существовало от 10 ³⁹ (дуодециллион) до 10 ⁴⁰ клеток.

Сколько жизни когда-либо будет на Земле?

За исключением возможности вывести Землю на орбиту более молодой звезды, время жизни земной биосферы ограничено. Этот болезненный факт является следствием жизненного цикла нашей звезды. С момента своего рождения Солнце постепенно становилось ярче в течение последних четырех с половиной миллиардов лет, поскольку водород в его ядре превращается в гелий.

В далеком 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, океаны закипят, и Земля снова станет практически безжизненной каменистой планетой, какой она была в первоначальном состоянии.

Но до тех пор, сколько жизни будет на Земле за всю ее обитаемую историю? Прогнозируя наши нынешние уровни первичной продуктивности, мы подсчитали, что около 10 ⁴⁰ клеток когда-либо будут населять Землю.

Земля как экзопланета

Всего несколько десятилетий назад экзопланеты (планеты, вращающиеся вокруг других звезд) были всего лишь гипотезой. Теперь мы можем не только обнаружить их, но и описать многие аспекты тысяч далеких миров возле других звезд.

Но как Земля соотносится с этими телами? В нашем новом исследовании мы взглянули на жизнь на Земле с высоты птичьего полета 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 кислородный фотосинтез никогда не возник, или что, если бы эндосимбиоза никогда бы не возникло?

Ответы на подобные вопросы – вот что будет стимулировать мою лабораторию в Карлтонском университете в ближайшие годы.