灿若繁星：活着的细胞数量比天上的星星还要多

来源：https://www.science.org/content/article/new-calculations-say-there-are-more-living-cells-grains-sand-or-stars-sky

从细菌到蓝鲸，所有生物体中的细胞数量超过了地球上预估的沙粒数量的一万亿倍。这个数字是宇宙中所有恒星数量的一百万倍。而且，据上周在《当前生物学》上报告的新估计，曾经活过的细胞数量还要大十个数量级。这些计算不仅仅是一种超级比较。他们还可以帮助科学家更好地理解地球的生育力并预测未来生命形式可能如何使用碳。

"这些努力是绝对不可或缺的，"加利福尼亚理工学院的生物物理学家罗布·菲利普斯说。他没有参与这项工作，但曾与一些作者进行过合作。量化这样的基线对科学家提出有意义问题的能力至关重要。"简单地计数和测量事物[是]是否能做科学的区别。"

卡尔顿大学的地质学家彼得·克罗福德和他的同事们首先通过结合现有的对海洋、土壤和地表下微生物数量的估计和更大生物体中的细胞数量开始他们的清单。结果是今天还活着的细胞数量。这个数字——一个令人瞠目的1030个细胞，其中大多数是蓝藻——是计算曾经活过的细胞总数的起点。

关键在于初级生产力，即将二氧化碳(CO2)转化为所有生命所需的碳基化合物的过程。这些化合物——例如糖和淀粉——沿着食物链向上移动：植物和光合作用微生物被其他生物吃掉，然后这些生物又被更大的生物吃掉。所有这些都会死亡，并被昆虫和微生物消耗并分解。那些消费者在他们呼吸和死亡时将CO2返回大气，完成了碳循环。

为了理解地球的地质历史上初级生产力是如何变化的，克罗福德和同事们梳理了科学文献，寻找不同时期光合作用生物的数量和种类以及它们生产的"食物"的估计。知道了现代细胞的初级生产力后，研究人员就能倒推计算出过去需要多少细胞来维持生产力水平。他们根据诸如生命形式何时演化以及冰河期如何降低这些生物活动的因素调整了计算。

第一种光合作用者是叫做蓝藻的微生物，它们大约在34亿年到25亿年前演化出来。在大约8亿年到6.5亿年前，它们的生产力被藻类超过，克罗福德说。当陆生植物在4.5亿年到3.5亿年前演化出来时，它们的生产力超过了藻类。

将所有的数学加在一起，曾经活过的细胞数量在1039和1040之间。这些光合作用者一起已经循环过地球所有的碳大约100次。而且，研究人员的计算结果表明，这些数字正在接近一个上限。地球根本没有资源支持超过1041个细胞，他们说。

这些数字看起来"合理且现实"，意大利国家研究委员会地中海农业和林业系统研究所的森林生态学家亚历西奥·科拉尔蒂说。这篇论文像是"地球上和地球上的生命的电影，以及它从一开始就是如何发展的，"他说。

然而，南丹麦大学的地球生物学家唐纳德·坎菲尔德警告说，"当我们追溯到更早的时期，这些估计就变得更加不确定。"

克罗福德和同事们也将他们的电影推向未来。随着太阳的老化，它会变得更加明亮，推动地质过程，逐渐降低空气中的CO2含量。作者们的情景设定是，大约在10亿年后，CO2水平会下降到如此低的程度，以至于光合作用会出现问题。植物会死亡。海洋温度会上升到如此高的程度，以至于初级生产者无法生存。不久之后，地球的生物质将暴跌，我们所知的生活将会停止。

"我希望他们是错的，"科罗拉多大学博尔德分校的生物化学家杰弗里·卡梅伦说。即便如此，"做这些计算并对它们进行辩论是一种很好的思维锻炼。"