Bao nhiêu sự sống đã từng tồn tại trên Trái đất và sẽ còn bao nhiêu?

Bao nhiêu sự sống đã từng tồn tại trên Trái đất và sẽ còn bao nhiêu?

Dấu thời gian: 30:2024 chiều ngày 3 tháng 36 năm XNUMX

Mọi sinh vật đều được cấu tạo từ tế bào sống. Mặc dù rất khó để xác định chính xác thời điểm các tế bào đầu tiên xuất hiện nhưng ước tính tốt nhất của các nhà địa chất cho thấy ít nhất là sớm nhất 3.8 tỷ năm trước. Nhưng có bao nhiêu sự sống đã sinh sống trên hành tinh này kể từ tế bào đầu tiên trên Trái đất? Và bao nhiêu sự sống sẽ tồn tại trên Trái đất?

Trong nghiên cứu mới của chúng tôi, được công bố trên Hiện tại Sinh học, đồng nghiệp của tôi từ Viện khoa học Weizmann và Smith College và tôi đã nhắm đến những câu hỏi lớn này.

Cacbon trên Trái đất

Mỗi năm, khoảng 200 tỷ tấn carbon được hấp thụ thông qua quá trình sản xuất sơ cấp. Trong quá trình sản xuất sơ cấp, carbon vô cơ—chẳng hạn như carbon dioxide trong khí quyển và bicarbonate trong đại dương—được sử dụng làm năng lượng và tạo ra các phân tử hữu cơ cần thiết cho sự sống.

Ngày nay, người đóng góp đáng chú ý nhất cho nỗ lực này là quang hợp oxy, nơi ánh sáng mặt trời và nước là thành phần chính. Tuy nhiên, việc giải mã tỷ lệ sản xuất sơ cấp trong quá khứ là một nhiệm vụ đầy thách thức. Thay vì cỗ máy thời gian, các nhà khoa học như tôi dựa vào những manh mối còn sót lại trong đá trầm tích cổ xưa để tái tạo lại môi trường trong quá khứ.

Trong trường hợp sản xuất sơ cấp, thành phần đồng vị của ôxy ở dạng sunfat trong các mỏ muối cổ xưa cho phép thực hiện những ước tính như vậy.

In nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã tổng hợp tất cả các ước tính trước đây về sản lượng sơ cấp cổ xưa có được thông qua phương pháp trên, cũng như nhiều ước tính khác. Kết quả của cuộc điều tra về năng suất này là chúng ta có thể ước tính rằng 100 triệu tỷ (hoặc 100 tỷ tỷ) tấn carbon đã được thải ra từ quá trình sản xuất sơ cấp kể từ khi có sự sống.

Những con số lớn như thế này rất khó hình dung; 100 triệu tấn carbon gấp khoảng 100 lần lượng carbon chứa trong Trái đất, một thành tích khá ấn tượng đối với các nhà sản xuất chính của Trái đất.

Sản xuất chính

Ngày nay, sản xuất sơ cấp chủ yếu được thực hiện nhờ thực vật trên đất liền và các vi sinh vật biển như tảo và vi khuẩn lam. Trước đây, tỷ lệ những người đóng góp chính này rất khác nhau; trong trường hợp lịch sử sớm nhất của Trái đất, quá trình sản xuất sơ cấp chủ yếu được thực hiện bởi một nhóm sinh vật hoàn toàn khác không dựa vào quá trình quang hợp oxy để tồn tại.

Sự kết hợp của các kỹ thuật khác nhau có thể mang lại cảm giác về thời điểm các nhà sản xuất sơ cấp khác nhau hoạt động tích cực nhất trong quá khứ của Trái đất. Ví dụ về các kỹ thuật như vậy bao gồm việc xác định rừng già nhất hoặc sử dụng hóa thạch phân tử được gọi là chỉ thị sinh học.

In nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã sử dụng thông tin này để khám phá những sinh vật nào đã đóng góp nhiều nhất vào quá trình sản xuất sơ cấp lịch sử của Trái đất. Chúng tôi nhận thấy rằng mặc dù xuất hiện muộn nhưng thực vật trên đất liền có thể đã đóng góp nhiều nhất. Tuy nhiên, cũng rất có lý khi vi khuẩn lam đóng góp nhiều nhất.

những sợi vi khuẩn giống như sợi tóc màu xanh lá cây
Vi khuẩn lam dạng sợi từ ao thủy triều ở đầm lầy muối Little Sippewisett, Falmouth, Mass. Nguồn hình ảnh: Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA

Tổng cuộc sống

Bằng cách xác định số lượng quá trình sản xuất sơ cấp đã từng diễn ra và bằng cách xác định những sinh vật nào chịu trách nhiệm cho quá trình này, chúng tôi cũng có thể ước tính số lượng sự sống đã từng tồn tại trên Trái đất.

Ngày nay, người ta có thể ước chừng có bao nhiêu người tồn tại dựa trên lượng thức ăn được tiêu thụ. Tương tự như vậy, chúng tôi có thể hiệu chỉnh tỷ lệ sản xuất sơ cấp với số lượng tế bào tồn tại trong môi trường hiện đại.

Mặc dù có sự khác biệt lớn về số lượng tế bào trên mỗi sinh vật và kích thước của các tế bào khác nhau, những biến chứng như vậy chỉ trở thành thứ yếu vì các vi khuẩn đơn bào thống trị quần thể tế bào toàn cầu. Cuối cùng, chúng tôi có thể ước tính rằng khoảng 1030 (10 noninillion) tế bào tồn tại ngày nay, và khoảng 1039 (một chục tỷ) và 1040 tế bào đã từng tồn tại trên Trái đất.

Trái đất sẽ có bao nhiêu sự sống?

Ngoại trừ khả năng di chuyển Trái đất vào quỹ đạo của một ngôi sao trẻ hơn, thời gian tồn tại của sinh quyển Trái đất là có hạn. Thực tế bệnh hoạn này là hậu quả của vòng đời của ngôi sao của chúng ta. Kể từ khi ra đời, mặt trời dần dần sáng hơn trong bốn tỷ rưỡi năm qua khi hydro được chuyển đổi thành heli trong lõi của nó.

Trong tương lai xa, khoảng hai tỷ năm nữa, tất cả các biện pháp đảm bảo an toàn về sinh địa hóa giúp Trái đất có thể sinh sống được sẽ bị đẩy ra ngoài tầm kiểm soát của chúng. giới hạn. Đầu tiên, thực vật trên cạn sẽ chết đi, sau đó các đại dương sẽ sôi sục và Trái đất sẽ trở lại là một hành tinh đá hầu như không có sự sống như thời kỳ sơ khai.

Nhưng cho đến lúc đó, Trái đất sẽ chứa bao nhiêu sự sống trong suốt thời gian tồn tại sự sống của nó? Dự báo mức năng suất sơ cấp hiện tại của chúng ta trong tương lai, chúng tôi ước tính rằng khoảng 1040 các tế bào sẽ chiếm giữ Trái đất.

một hành tinh xanh trong không gian
Một hệ hành tinh cách chúng ta 100 năm ánh sáng trong chòm sao Dorado là nơi có hành tinh có kích thước bằng Trái đất đầu tiên có thể ở được, được phát hiện bởi Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh của NASA. Tín dụng hình ảnh: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA

Trái đất như một ngoại hành tinh

Chỉ cách đây vài thập kỷ, các ngoại hành tinh (các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác) chỉ là một giả thuyết. Bây giờ chúng ta không chỉ có thể phát hiện chúng, nhưng mô tả nhiều khía cạnh của hàng ngàn thế giới xa xôi xung quanh các ngôi sao xa xôi.

Nhưng Trái đất so sánh với những thiên thể này như thế nào? Trong nghiên cứu mới của chúng tôi, chúng tôi đã có cái nhìn toàn cảnh về sự sống trên Trái đất và lấy Trái đất làm chuẩn mực để so sánh với các hành tinh khác.

Tuy nhiên, điều tôi thấy thực sự thú vị là những gì có thể đã xảy ra trong quá khứ của Trái đất để tạo ra một quỹ đạo hoàn toàn khác và do đó, một lượng sự sống hoàn toàn khác có thể gọi Trái đất là nhà. Ví dụ, điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình quang hợp oxy không bao giờ diễn ra, hoặc điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình nội cộng sinh không bao giờ xảy ra?

Câu trả lời cho những câu hỏi như vậy là điều sẽ thúc đẩy phòng thí nghiệm của tôi Đại học Carleton trong những năm tới.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: Mihály Köles / Unsplash 

Dấu thời gian:

Thêm từ Trung tâm cá biệt