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活細胞比天空中星星還要多
作者：辛雨 來源：中國科學(xué)報
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從細菌到藍鯨，生物體內(nèi)的細胞數(shù)量超過了地球上沙粒估計數(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，曾經(jīng)存活過的細胞數(shù)量還要大10個數(shù)量級。這些計算可以幫助科學(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)》。
未參與這項工作的加州理工學(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。他認為，簡單地計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團隊將現(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胞數(shù)量相結(jié)合，開始了盤點工作。結(jié)果確認大約1030個細胞是曾經(jīng)存活過的細胞總數(shù)的起點，其中大部分是藍藻。
這一計算的關(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團隊梳理了科學(xué)文獻，估計了不同時間點光合作用生物的數(shù)量和類型，以及它們生產(chǎn)了多少“食物”。了解了現(xiàn)代細胞的初級生產(chǎn)力后，研究人員就能夠?qū)�時鐘撥回到過去，計算出維持過去生產(chǎn)力水平需要多少細胞。他們還根據(jù)不同生命形式的進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——藍藻，它在34億到25億年前進化而來。Crockford說，在8億到6.5億年前的某個時候，藍藻的生產(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化時，其生產(chǎn)力又大大超過了藻類。
把所有都計算進去，大約有1039到1040個細胞存在過。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認為，這些數(shù)字似乎“合理而現(xiàn)實”，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
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