“地球上所有生命的能量都来自太阳”这句话是真的吗?有多少生物量不是由光合作用产生的?

Question

在帮助我儿子学习大学生物学时，根据最新的数据，我发现了一些我认为是错误的陈述。版权是2017年的，所以它应该反映最新的知识。

它断言:“地球上所有的生命都从太阳获得能量。”

我们知道这是不正确的，因为在阳光无法穿透的深海火山喷口和地下环境中，观察到以替代能源为生的极端微生物。

事实上，据推测，地下生物量比我们熟悉的地球表面生物量要大。对于不是从光合作用产生的食物链中获得能量的生物质的规模，最新的估计是多少?

Answer 1

就像你说的，生物体的存在是由化学物质排出的热液喷口（化能自养生物)，立即将“地球上的所有生命都从太阳获得能量作为一个近似值。然而，对于所有的实际目的，一些近似是相当好的。然而，这种近似(即使是正确的)在评估其他天体(如木星的卫星)存在生命的可能性时具有一些深刻的意义欧罗巴这就是我参与这个话题的原因。

首先，关于你的问题，有一个非常重要的区别

不从光合作用中获得能量的生物量

正如你所描述的。但这是非常不同于“地下生物量”。特别是你提到的下面这句话:

.．.据推测，地下生物量大于我们熟悉的地球表面生物量。

指土壤中的生物量(如根、真菌、细菌、节肢动物等)，确实很大。你可能还包括深海生态系统。但在所有这些情况下，生物所使用的能量都是由光合作用产生的，最终由太阳产生。能量以埋在地下的死亡有机物的形式进入地下生态系统海雪．一些研究假设，在海洋地壳深处还有其他大规模的地下生态系统，大约占全球生物量的1/2到2/3．然而，正如所指出的惠特曼等人(1998)(上图的来源):“目前的证据表明，大部分地下生物量是由地表沉积的有机物支撑的”。因此，它将构成一个多光合支持的生态系统。

话虽如此，你问题的核心是“有多少生物量不是通过光合作用获得能量的?”这可以归结为:全局的比例是多少净初级产量来自于chemosinthesis?．

我不知道如何估计这个分数，但是为了计算an上限因为这应该是相当直截了当的，至少要有一种感觉，即“所有生命都从太阳获得能量”的近似值有多好，以及化学合成对全球生物量有多重要最多．让我们来分析一些数据:

首先考虑有多少能量可以用于化学合成。要做到这一点，重要的是要注意到，没有生物可以从地球内部的能量梯度中获得能量，所以可用的能量量不是地球内部的热量收支．相反，它与来自地球内部的化合物形式的生命可用能量相对应。根据Gaidos等人。，在最活跃的热液喷口地区，它对应于0.157 $MJ/m^2年$(读作百万焦耳每平方米每年)。同一篇论文指出

相比之下，上层海洋的初级生产相当于生物能量通量为~ 315.36 MJ/m^2年，而这仅占阳光总能量的0.01%。

然而，上层海洋生态系统营养有限，因此在热液喷口的效率可能更高。也许最高效的生态系统是热带雨林，效率在百分之几(~1-3%)的顺序。所以我们在寻找一个上限，假设在热液喷口的生态系统有10%的效率。这就剩下0.016美元MJ/m^2年美元来转化为有机物质。

现在:一公斤有机物质中有多少能量?它是不同的，但考虑到我们的目标是上限一个合理(低)的典型值是10美元MJ/kg美元．

我们还需要了解热液喷口的表面。为了再次瞄准上限，让我们假设所有大洋中脊都具有上述所述的能量可用性(指最活跃的热液喷口领域)。与8万公里的大洋中脊，宽约15公里我们有大约1.2$\乘以10^{12}$ $m^2$。记住，看已知热液喷口的全球分布在下图中，这很可能是一个严重的高估:

综上所述，我们的化学合成生物量上限为:

$\frac{0.016 MJ/m^2年\乘以1.2 \乘以10^{12}m^2}{10 MJ/kg}=1.92 \乘以10^9 kg/年$

现在，如果我们把它和1.7美元乘以10^{14}公斤/年美元，这是由光合作用初级生产者产生的．我们得到化学合成最多只产生0.001%的生物量．

可以说，化学合成也发生在热液喷口之外。但其他地方，比如间歇泉和温泉，要小得多。其他更广泛的化学合成生态系统也被提出，比如slies(地下岩石自养微生物生态系统)但是，即使它们分布在广泛的地区，它们的生产力也会非常小。

总之，更正确的说法是“地球上超过99.999%的生命从太阳获得能量”。考虑到我们所做的所有高估估计，如果更详细的计算会在这个数字上增加几个额外的“9”，我也不会感到惊讶。