地球上曾经存在过多少生命，未来还会有多少生命？

所有生物体都是由活细胞组成的。虽然很难准确确定第一个细胞出现的时间，但地质学家的最佳估计表明至少早在38 亿年前。但自从地球上出现第一个细胞以来，这个星球上已经存在了多少生命呢？地球上还会存在多少生命？

在我们发表在《当代生物学》上的新研究中，我和来自魏茨曼科学研究所和史密斯学院的同事瞄准了这些重大问题。

地球上的碳

每年，大约有 2000 亿吨碳通过所谓的初级生产被吸收。在初级生产过程中，无机碳（例如大气中的二氧化碳和海洋中的碳酸氢盐）用于获取能量并构建生命所需的有机分子。

如今，这一努力最显着的贡献者是氧气光合作用，其中阳光和水是关键成分。然而，破译过去的初级生产率一直是一项具有挑战性的任务。像我这样的科学家不是依靠时间机器，而是依靠古代沉积岩中留下的线索来重建过去的环境。

在初级生产的情况下，古代盐矿床中硫酸盐形式的氧的同位素组成允许进行这样的估计。

在我们的研究中，我们汇编了通过上述方法以及许多其他方法得出的所有先前对古代初级生产的估计。这次生产力普查的结果是，我们能够估计，自生命起源以来，初级生产过程中已经产生了 100 百亿吨（或千亿吨）碳。

像这样的大数字很难想象。 100 万亿吨碳大约是地球内碳含量的 100 倍，这对于地球的初级生产者来说是一个相当令人印象深刻的壮举。

如今，初级生产主要由陆地植物和海洋微生物（如藻类和蓝细菌）实现。过去，这些主要贡献者的比例差异很大；就地球最早的历史而言，初级生产主要是由一组完全不同的生物体进行的，它们不依赖氧气光合作用来维持生命。

不同技术的结合已经能够了解不同初级生产者在地球过去最活跃的时间。此类技术的例子包括识别最古老的森林或使用称为生物标记的分子化石。

在我们的研究中，我们利用这些信息来探索哪些生物体对地球历史上的初级生产贡献最大。我们发现，尽管陆地植物出现得较晚，但其贡献可能最大。然而，蓝藻的贡献也很可能最大。

马萨诸塞州法尔茅斯 Little Sippewissat 盐沼潮汐池中的丝状蓝藻。图片来源：阿贡国家实验室， CC BY-NC-SA

通过确定曾经发生过多少初级生产，并确定哪些生物体对其负责，我们还能够估计地球上曾经有过多少生命。

今天，人们或许可以根据消耗的食物量来估算人类的数量。同样，我们能够校准初级生产与现代环境中存在的细胞数量的比率。

尽管每个生物体的细胞数量和不同细胞的大小存在很大差异，但由于单细胞微生物在全球细胞群中占主导地位，因此这种并发症变得次要。最后，我们能够估计当今地球上存在大约 10 ³⁰ （十亿）个细胞，而地球上曾经存在过 10 ³⁹ （十二十亿）到 10 ^{40 个}细胞。

除了能够将地球移入较年轻恒星的轨道之外，地球生物圈的寿命是有限的。这个病态的事实是我们恒星生命周期的结果。自诞生以来，太阳在过去的四亿五亿年里慢慢变得越来越亮，因为氢在其核心转化为氦。

在遥远的未来，大约二十亿年后，所有维持地球适宜居住的生物地球化学故障保险装置都将突破其极限。首先，陆地植物将会死亡，然后最终海洋将沸腾，地球将回到一个基本上没有生命的岩石星球，就像它处于婴儿期一样。

但在那之前，地球在其整个宜居寿命期间将容纳多少生命？预测我们目前的初级生产力水平，我们估计大约有 10 ⁴⁰个细胞将占据地球。

距离金剑鱼座 100 光年的行星系统是美国宇航局凌日系外行星勘测卫星发现的第一颗地球大小的宜居带行星的所在地。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

仅在几十年前，系外行星（绕其他恒星运行的行星）还只是一个假设。现在我们不仅能够探测到它们，还能描述遥远恒星周围数千个遥远世界的许多方面。

但地球与这些天体相比如何呢？在我们的新研究中，我们鸟瞰地球上的生命，并提出地球作为比较其他行星的基准。

然而，我发现真正有趣的是，地球过去可能发生的事情会产生完全不同的轨迹，从而产生完全不同数量的生命，这些生命能够以地球为家。例如，如果产氧光合作用从未发生过，或者内共生从未发生过怎么办？

这些问题的答案将推动我在卡尔顿大学的实验室在未来几年的发展。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。