Жизнь на Земле существует в масштабах, которые бросают вызов человеческому воображению. Число клеток в живых организмах сегодня составляет ошеломляющие 10 30 , это в миллион раз больше клеток, чем звезд в известной нам Вселенной. Если говорить более приземленно, то число клеток превышает все песчинки планеты в один триллион раз.
Новое исследование расширяет этот подсчет на прошлое, оценивая, что за всю историю Земли существовало где-то от 10 39 до 10 40 клеток. По мнению ученых, совокупная фиксация биосферы составляет до триллиона гигатонн углерода с момента зарождения жизни. Эта цифра превышает весь запас углерода на Земле в 100 раз. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.
Помимо простых цифр, эти расчеты помогают ученым понять механизмы поддержания жизни на планете и ее будущие ограничения.
«В этом разница между тем, чтобы заниматься наукой, и тем, чтобы не заниматься ею», — сказал Роб Филлипс, биофизик из Калифорнийского технологического института, в интервью журналу Science . Он утверждает, что количественная оценка фундаментальных строительных блоков жизни закладывает основу для ответа на важнейшие вопросы об экологии и будущем нашей планеты.
Первичная продуктивность лежит в основе биосферы Земли. Без нее не было бы пригодного для дыхания кислорода, глобальных пищевых сетей и углеродного цикла, какими мы их знаем. Исследовательская группа под руководством геолога Питера Крокфорда из Карлтонского университета реконструировала историю этого биологического двигателя, охватывающую период от зарождения жизни до наших дней.
Их исследование выявило критические скачки: возникновение кислородного фотосинтеза более двух миллиардов лет назад, появление водорослей около 800 миллионов лет назад и захват суши наземными растениями около 450 миллионов лет назад.
Объединив имеющиеся данные о микробах и более крупных организмах, исследователи пришли к ошеломляющей цифре в 1030 клеток, живущих сегодня. Только человеческое тело содержит около 30 триллионов клеток.
Следующим шагом было оглянуться назад во времени. Используя современные показатели первичной продуктивности — превращения углекислого газа в богатые энергией соединения — команда реконструировала, как жизнь осуществляла круговорот углерода в истории Земли.
История начинается более трех миллиардов лет назад, когда впервые появились цианобактерии. На протяжении почти двух миллиардов лет эти микробы были основными фотосинтетическими организмами Земли, улавливая солнечный свет и преобразуя его в химическую энергию. Около 800 миллионов лет назад появились водоросли, превзойдя цианобактерии по производительности. Затем, 450 миллионов лет назад, на сцену вышли наземные растения и изменили углеродный цикл, значительно увеличив биомассу планеты.
Хотя на протяжении большей части истории жизни цианобактерии доминировали в первичной продукции, сегодня в продуктивности лидируют наземные растения, за которыми следуют морские водоросли.
Чтобы собрать воедино эту грандиозную историю жизни на Земле, Крокфорд и его коллеги проанализировали данные о древних фотосинтезаторах и смоделировали их производительность в различных климатических и геологических условиях. Ледниковые периоды, например, подавляли первичную производительность, тогда как эволюция новых организмов ее повышала.
Их расчеты показывают, что жизнь на Земле осуществила цикл всего углерода планеты примерно 100 раз. Но исследователи также предполагают, что предел уже близок. Ресурсы Земли могут поддерживать только до 1041 клеток , прежде чем закончится углерод, необходимый для их поддержания.
Алессио Коллалти, лесной эколог из Национального исследовательского совета Италии, назвал статью «фильмом о жизни на Земле и о том, как она развивалась с самого начала».
По мере того, как Солнце продолжает стареть, его увеличивающаяся яркость будет приводить к геологическим изменениям, которые постепенно уменьшат содержание CO 2 в атмосфере . Примерно через миллиард лет уровень CO 2 может упасть настолько, что фотосинтез прекратится. Без растений и океанических производителей жизнь на Земле может остановиться.
Исследование Крокфорда также поднимает новые вопросы: как ранние показатели производительности влияли на темпы эволюции? Насколько надежны эти оценки, учитывая пробелы в палеонтологической летописи? И какие уроки могут извлечь из этой древней истории сегодняшние экосистемы, испытывающие стресс от углерода?
Однако на данный момент планета по-прежнему кишит почти непостижимым изобилием клеток, каждая из которых является свидетельством устойчивости и сложности жизни.
