สิ่งมีชีวิตบนโลกนี้ดำรงอยู่มามากเท่าใดแล้ว และจะมีมากเพียงใด?

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

สิ่งมีชีวิตทั้งหมดประกอบด้วยเซลล์ของสิ่งมีชีวิต แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากที่จะระบุอย่างแน่ชัดว่าเซลล์แรกเกิดขึ้นเมื่อใด แต่การประมาณการที่ดีที่สุดของนักธรณีวิทยาแนะนำว่าอย่างน้อยเร็วที่สุด 3.8 พันล้านปีก่อน. แต่ตั้งแต่เซลล์แรกบนโลกนี้มีชีวิตอยู่กี่ชีวิตแล้ว? และจะมีสิ่งมีชีวิตบนโลกนี้อีกมากเพียงใด?

ในการศึกษาใหม่ของเรา ตีพิมพ์ใน ชีววิทยาปัจจุบันเพื่อนร่วมงานของฉันจาก สถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann และ วิทยาลัยสมิ ธ และฉันก็มุ่งเป้าไปที่คำถามสำคัญๆ เหล่านี้

คาร์บอนบนโลก

ทุกปี คาร์บอนประมาณ 200 พันล้านตันจะถูกนำไปใช้ผ่านสิ่งที่เรียกว่าการผลิตขั้นต้น ในระหว่างการผลิตขั้นปฐมภูมิ คาร์บอนอนินทรีย์ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศและไบคาร์บอเนตในมหาสมุทร จะถูกนำไปใช้เป็นพลังงานและสร้างโมเลกุลอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตต้องการ

ปัจจุบัน ผู้สนับสนุนที่โดดเด่นที่สุดในความพยายามนี้คือ การสังเคราะห์แสงด้วยออกซิเจนโดยที่แสงแดดและน้ำเป็นส่วนประกอบสำคัญ อย่างไรก็ตาม การถอดรหัสอัตราการผลิตขั้นต้นในอดีตถือเป็นงานที่ท้าทาย แทนที่จะใช้ไทม์แมชชีน นักวิทยาศาสตร์เช่นตัวฉันเองอาศัยเบาะแสที่หลงเหลืออยู่ในหินตะกอนโบราณเพื่อสร้างสภาพแวดล้อมในอดีตขึ้นมาใหม่

ในกรณีของการผลิตขั้นต้น องค์ประกอบไอโซโทปของ ออกซิเจน ในรูปของซัลเฟตในแหล่งเกลือโบราณทำให้สามารถประมาณค่าดังกล่าวได้

In การศึกษาของเราเราได้รวบรวมการประมาณการการผลิตขั้นปฐมภูมิโบราณก่อนหน้านี้ทั้งหมดที่ได้มาจากวิธีการข้างต้น เช่นเดียวกับอื่นๆ อีกมากมาย ผลลัพธ์ของการสำรวจสำมะโนผลผลิตนี้คือ เราสามารถประมาณได้ว่าคาร์บอนจำนวน 100 ควินล้านล้านตัน (หรือ 100 พันล้านล้าน) ตันได้ผ่านการผลิตขั้นปฐมภูมินับตั้งแต่กำเนิดสิ่งมีชีวิต

ตัวเลขจำนวนมากเช่นนี้เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการ คาร์บอน 100 ควินล้านตันคิดเป็นประมาณ 100 เท่าของปริมาณคาร์บอนที่มีอยู่ภายในโลก ซึ่งถือเป็นความสำเร็จที่น่าประทับใจสำหรับผู้ผลิตหลักของโลก

การผลิตขั้นต้น

ปัจจุบัน การผลิตขั้นปฐมภูมิส่วนใหญ่ทำได้โดยพืชบนบกและจุลินทรีย์ในทะเล เช่น สาหร่ายและไซยาโนแบคทีเรีย ในอดีตสัดส่วนของผู้มีส่วนร่วมหลักเหล่านี้แตกต่างกันมาก ในกรณีของประวัติศาสตร์ยุคแรกสุดของโลก การผลิตขั้นปฐมภูมิดำเนินการโดยกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงซึ่งไม่ต้องอาศัยการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อให้มีชีวิตอยู่

การผสมผสานเทคนิคต่างๆ เข้าด้วยกันสามารถให้ความรู้สึกได้ว่าเมื่อใดที่ผู้ผลิตหลักแต่ละรายมีบทบาทมากที่สุดในโลกในอดีต ตัวอย่างของเทคนิคดังกล่าวรวมถึงการระบุ ป่าที่เก่าแก่ที่สุด หรือใช้โมเลกุลฟอสซิลที่เรียกว่า biomarkers.

In การศึกษาของเราเราใช้ข้อมูลนี้เพื่อสำรวจว่าสิ่งมีชีวิตใดมีส่วนช่วยในการผลิตขั้นต้นทางประวัติศาสตร์ของโลกมากที่สุด เราพบว่าแม้จะมาสาย แต่พืชบกก็มีส่วนช่วยมากที่สุด อย่างไรก็ตาม มีความเป็นไปได้อย่างมากที่ไซยาโนแบคทีเรียมีส่วนช่วยมากที่สุด

แบคทีเรียที่มีลักษณะคล้ายเส้นผมสีเขียว — ไซยาโนแบคทีเรียเส้นใยจากบ่อน้ำขึ้นน้ำลงที่บึงน้ำเค็ม Little Sippewissett, Falmouth, Mass เครดิตรูปภาพ: อาร์กอนห้องปฏิบัติการแห่งชาติ, CC BY-NC-SA

ชีวิตทั้งหมด

ด้วยการกำหนดจำนวนการผลิตขั้นปฐมภูมิที่เคยเกิดขึ้น และโดยการระบุว่าสิ่งมีชีวิตใดที่รับผิดชอบต่อการผลิตดังกล่าว เราจึงสามารถประมาณได้ว่าเคยมีสิ่งมีชีวิตบนโลกจำนวนเท่าใด

ปัจจุบันเราอาจประมาณจำนวนมนุษย์ได้โดยดูจากปริมาณอาหารที่บริโภค ในทำนองเดียวกัน เราสามารถปรับเทียบอัตราส่วนของการผลิตหลักกับจำนวนเซลล์ที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมสมัยใหม่ได้

แม้จะมีความแปรปรวนอย่างมากในจำนวนเซลล์ต่อสิ่งมีชีวิตและขนาดของเซลล์ที่แตกต่างกัน ภาวะแทรกซ้อนดังกล่าวกลายเป็นเรื่องรองเนื่องจากจุลินทรีย์เซลล์เดียวครองจำนวนเซลล์ทั่วโลก ในที่สุดเราก็สามารถประมาณได้ประมาณ 10³⁰ ปัจจุบันมีเซลล์ (10 ล้านล้านเซลล์) และระหว่าง 10 เซลล์³⁹ (ดูโอเดซิล้าน) และ 10⁴⁰ เซลล์ต่างๆเคยมีอยู่บนโลก

โลกจะมีชีวิตได้มากเพียงใด?

ยกเว้นความสามารถในการเคลื่อนโลกเข้าสู่วงโคจรของดาวอายุน้อย อายุชีวมณฑลของโลกนั้นมีจำกัด ความจริงอันเลวร้ายนี้เป็นผลมาจาก วงจรชีวิตของดาวฤกษ์ของเรา. นับตั้งแต่กำเนิด ดวงอาทิตย์ค่อยๆ สว่างขึ้นอย่างช้าๆ ในช่วงสี่พันล้านปีที่ผ่านมา เนื่องจากไฮโดรเจนถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียมในแกนกลาง

ในอนาคตอันใกล้นี้ ประมาณสองพันล้านปีต่อจากนี้ ระบบป้องกันความผิดพลาดทางชีวธรณีเคมีทั้งหมดที่ทำให้โลกสามารถอยู่อาศัยได้ จะถูกผลักดันให้ผ่านพ้นไป ขีด จำกัด. ประการแรก พืชบกจะตาย และในที่สุดมหาสมุทรก็จะเดือด และโลกจะกลับสู่ดาวเคราะห์หินที่ไม่มีชีวิตขนาดใหญ่เหมือนที่มันยังยังเป็นทารก

แต่จนกว่าจะถึงตอนนั้น โลกจะมีชีวิตเหลืออยู่เท่าใดตลอดช่วงชีวิตที่สามารถอยู่อาศัยได้ทั้งหมด? เมื่อคาดการณ์ระดับการผลิตขั้นต้นในปัจจุบันของเราไปข้างหน้า เราประมาณไว้ประมาณ 10⁴⁰ เซลล์จะครอบครองโลก

ดาวเคราะห์สีน้ำเงินในอวกาศ — ระบบดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างออกไป 100 ปีแสงในกลุ่มดาวโดราโดเป็นที่ตั้งของดาวเคราะห์ในเขตเอื้ออาศัยได้ขนาดเท่าโลกดวงแรก ซึ่งค้นพบโดยดาวเทียมสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบเปลี่ยนผ่านของ NASA เครดิตรูปภาพ: NASA Goddard Space Flight Center

โลกในฐานะดาวเคราะห์นอกระบบ

เมื่อไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ดาวเคราะห์นอกระบบ (ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่น) เป็นเพียงสมมติฐานเท่านั้น ตอนนี้เราไม่เพียงแต่สามารถ ตรวจจับพวกเขาแต่บรรยายแง่มุมต่างๆ ของโลกห่างไกลหลายพันดวงรอบดาวฤกษ์อันไกลโพ้น

แต่โลกเปรียบเทียบกับวัตถุเหล่านี้ได้อย่างไร ในการศึกษาใหม่ของเรา เราได้มองชีวิตบนโลกจากมุมสูง และยกโลกมาเป็นเกณฑ์มาตรฐานในการเปรียบเทียบดาวเคราะห์ดวงอื่น

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ฉันพบว่าน่าสนใจจริงๆ ก็คือสิ่งที่อาจเกิดขึ้นในอดีตของโลกเพื่อสร้างวิถีโคจรที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง และด้วยเหตุนี้จึงมีปริมาณชีวิตที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงที่สามารถเรียกโลกว่าบ้านได้ ตัวอย่างเช่น จะเกิดอะไรขึ้นถ้าการสังเคราะห์ด้วยแสงแบบออกซิเจนไม่เกิดขึ้น หรือจะเกิดอะไรขึ้นถ้าภาวะเอนโดซิมไบโอซิสไม่เคยเกิดขึ้น?

คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้คือสิ่งที่ขับเคลื่อนห้องปฏิบัติการของฉัน มหาวิทยาลัย Carleton ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: มิฮาลี โคเลส / Unsplash