모든 유기체는 살아있는 세포로 이루어져 있다. 최초의 세포가 언제 존재했는지 정확하게 알아내기는 어렵지만, 지질학자들의 최선의 추정에 따르면 적어도 38억년 전으로 추정된다 . 하지만 지구상 최초의 세포가 탄생한 이래 얼마나 많은 생명체가 이 행성에 거주했을까? 그리고 지구에는 얼마나 많은 생명체가 존재할 것인가?
Current Biology 에 발표된 새로운 연구에서 Weizmann Institute of Science 와 Smith College 의 동료들 과 저는 이러한 큰 질문을 목표로 삼았다.
지구상의 탄소
매년 약 2000억 톤의 탄소가 소위 1차 생산을 통해 흡수된다. 1차 생산 과정에서 대기 중 이산화탄소, 해양 중탄산염과 같은 무기 탄소는 에너지로 사용되며 생명에 필요한 유기 분자를 만드는 데 사용된다.
오늘날 이러한 노력에 가장 주목할만한 기여자는 햇빛과 물이 핵심 성분인 산소 광합성이다 . 그러나 과거의 1차 생산량 비율을 해독하는 것은 어려운 작업이었다. 타임머신 대신 나와 같은 과학자들은 고대 퇴적암에 남겨진 단서에 의존하여 과거 환경을 재구성한다.
1차 생산의 경우, 고대 소금 퇴적물에 존재하는 황산염 형태의 산소 동위원소 조성을 통해 이러한 추정이 가능하다.
우리의 연구에서 우리는 위의 방법을 통해 파생된 고대 1차 생산에 대한 모든 이전 추정치와 기타 많은 추정치를 수집했다. 이번 생산성 조사 결과, 생명이 탄생한 이후 1차 생산을 통해 배출된 탄소의 양이 1000경(또는 1000억)톤에 달하는 것으로 추산할 수 있게 되었다.
이와 같은 큰 숫자는 상상하기 어렵습니다. 100조 톤의 탄소는 지구에 포함된 탄소 양의 약 100배에 달하며, 이는 지구의 주요 생산자에게는 매우 인상적인 업적이다.
1차 생산
오늘날 1차 생산은 주로 육상 식물과 조류, 남세균과 같은 해양 미생물에 의해 이루어진다. 과거에는 이러한 주요 기여자의 비율이 매우 달랐다. 지구 초기 역사의 경우, 1차 생산은 주로 생존을 위해 산소 광합성에 의존하지 않는 완전히 다른 유기체 그룹에 의해 수행되었다.
다양한 기술의 조합을 통해 과거 지구에서 다양한 1차 생산자가 가장 활발하게 활동했던 시기를 알 수 있었다. 이러한 기술의 예로는 가장 오래된 숲을 식별하거나 바이오마커라고 불리는 분자 화석을 사용하는 것이 있다.
우리 연구 에서 우리는 이 정보를 사용하여 지구의 역사적 일차 생산에 가장 큰 기여를 한 유기체를 탐색했다. 우리는 현장에 늦게 등장했음에도 불구하고 육상 식물이 가장 큰 기여를 했다는 사실을 발견했다. 그러나 시아노박테리아가 가장 큰 기여를 했다는 것도 매우 그럴듯하다.
매사추세츠주 팰머스에 있는 Little Sippewissett 염습지의 조수 연못에서 나온 사상성 시아노박테리아. 이미지 출처: Argonne National Laboratory , CC BY-NC-SA
총 수명
일차 생산이 얼마나 많이 발생했는지 확인하고 어떤 유기체가 이를 담당했는지 확인함으로써 우리는 지구에 얼마나 많은 생명체가 있었는지 추정할 수도 있었다.
오늘날에는 소비되는 음식의 양을 기준으로 인간의 수를 대략적으로 추정할 수 있다. 마찬가지로 우리는 현대 환경에 얼마나 많은 셀이 존재하는지에 대한 1차 생산 비율을 보정할 수 있었다.
유기체당 세포 수와 다양한 세포 크기의 큰 변동에도 불구하고 단세포 미생물이 전 세계 세포 집단을 지배하기 때문에 이러한 합병증은 부차적이다. 결국, 우리는 현재 약 10 30 (10 10 100만개)의 세포가 존재하며, 지구상에는 10 39 (10십년)에서 10 40 개 사이의 세포가 존재했다고 추정할 수 있었습니다.
지구에는 얼마나 많은 생명이 살게 될까?
지구를 더 어린 별의 궤도로 이동시키는 능력을 제외하고 지구 생물권의 수명은 제한되어 있다. 이 병적인 사실은 우리 별의 생애주기의 결과이다 . 태양은 탄생 이후 지난 45억 년 동안 핵에서 수소가 헬륨으로 전환되면서 서서히 밝아지고 있다.
지금으로부터 약 20억년 후인 먼 미래에는 지구를 거주 가능하게 유지하는 모든 생지화학적 안전 장치가 한계를 넘어설 것이다. 첫째, 육상 식물은 죽을 것이고, 결국에는 바다가 끓어오르게 될 것이며, 지구는 초기 단계와 마찬가지로 생명이 거의 없는 암석 행성으로 돌아갈 것이다.
하지만 그때까지 지구는 거주 가능한 전체 수명 동안 얼마나 많은 생명체를 수용하게 될까요? 현재의 1차 생산성 수준을 예측해 보면 약 10 40개의 세포가 지구를 차지할 것으로 추정된다.
Dorado 별자리에서 100광년 떨어진 행성계에는 NASA의 Transiting Exoplanet Survey Satellite가 발견한 최초의 지구 크기의 거주 가능 구역 행성이 있습니다. 이미지 출처: NASA 고다드 우주 비행 센터
외계행성으로서의 지구
불과 수십 년 전만 해도 외계 행성(다른 별을 공전하는 행성)은 단지 가설에 불과했다. 이제 우리는 그것들을 탐지 할 수 있을 뿐만 아니라 먼 별 주위에 있는 수천 개의 먼 세계의 여러 측면을 설명할 수 있다.
그러나 지구는 이 물체와 어떻게 비교되나? 우리의 새로운 연구에서 우리는 지구상의 생명체에 대한 조감도를 취하고 지구를 다른 행성과 비교하기 위한 벤치마크로 제시했다.
그러나 내가 정말로 흥미로워하는 것은 과거에 지구에 일어난 일이 근본적으로 다른 궤도를 만들어 지구를 집으로 부를 수 있었던 근본적으로 다른 양의 생명체를 생성할 수 있었다는 것. 예를 들어, 산소 광합성이 전혀 이루어지지 않거나, 내부공생이 전혀 일어나지 않았다면 어떨까?
그러한 질문에 대한 답이 앞으로 몇 년 동안 칼튼대학의 내 연구실을 이끌어 갈 것이다.
이 기사는 크리에이티브 커먼즈 라이센스에 따라 The Conversation 에서 재출판되었다. 원본 기사를 읽어보자. 이미지 출처: Mihály Köles / Unsplash
