Oxy trên Trái đất có nguồn gốc từ đâu?

Trong nửa đầu lịch sử của Trái đất hoàn toàn không có oxy, nhưng điều đó không có nghĩa là không tồn tại sự sống. Hiện nay vẫn còn nhiều tranh cãi về những yếu tố sinh học chính trong thế giới "tiền oxy", các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm chứng cứ từ bên trong những lớp đá trầm tích lâu đời nhất trên hành tinh của chúng ta.

Hầu hết, các nhà khoa học đều cho rằng lượng oxy có trong khí quyển không đáng kể cho tới tận 2,4 tỷ năm trước đây, khi GOE xảy ra. Lúc đó, mức độ oxy dường như đột ngột tăng vọt. Sự nhảy vọt về nồng độ oxy này chủ yếu là do vi khuẩn lam (cyanobacteria), còn gọi là tảo xanh - loài vi khuẩn quang hợp nhả khí oxy.

Giải thích GOE: Great Oxidation Event (Sự kiện oxy hóa lớn) – còn được gọi là Thảm họa oxy, là sự xuất hiện của O2 trong bầu khí quyển của trái đất do sinh học gây ra.

Loài vi khuẩn nhả ra oxy này xuất hiện như thế nào và xuất hiện khi nào vẫn chưa được xác định rõ ràng, bởi thực tế sự kiện GOE xảy ra tại điểm giao của cùng lúc 3 yếu tố: quá trình đóng băng toàn cầu, sự biến động khoáng vật và sự phát triển dồi dào của các loài mới.

"Chúng tôi không biết nguyên nhân là gì và hậu quả là như thế nào. Nhiều sự kiện xảy ra cùng một thời điểm, do đó câu chuyện về nó vẫn chưa rõ ràng" - tiến sĩ Dominic Papineau tại Học viện Carnegie Washington cho biết.

Để giúp phân loại sơ đồ địa chất, Papineau nghiên cứu sự hình thành các tầng sắt dạng dải (banded iron formations – BIFs), đá trầm tích hình thành ở đáy các vùng biển cổ đại.

Nghiên cứu của Papineau, được hỗ trợ bởi Chương trình Sinh vật học tiến hóa của NASA, tập trung vào những khoáng chất cụ thể trong BIFs có thể liên quan chặt chẽ đến sự sống (và cái chết) của vi sinh vật cổ đại.

Khai thác sự hình thành các tầng sắt tạo dãy BIFs

Khoáng chất sắt trong BIFs là nguồn quặng sắt lớn nhất trên thế giới. Tuy nhiên, loại đá này có giá trị nhiều hơn cả việc chế tạo thép. Các nhà địa chất học đã khai thác chúng bằng cách ghi chép lại lịch sử phong phú kéo dài từ 3,8 tỷ đến 0,8 tỷ năm trước.

Tuy nhiên, nguồn gốc của BIFs lâu đời nhất vẫn còn là một bí ẩn. Những gì mà các nhà khoa học cần đến là sự giúp đỡ của các sinh vật để hình thành nhận thức chung hiện tại, nhưng đó là loài sinh vật nào? Những sinh vật biển đơn bào không để lại bất cứ mảnh xương hay vỏ nào để chúng ta có thể tìm hiểu cả nhưng Papineau cho rằng có thể có khoáng chất hoặc hóa thạch địa hóa trong BIFs.

Ông cùng đồng nghiệp của mình đã tìm ra vật liệu carbon trong BIFs có liên quan chặt chẽ với apatit - một khoáng chất chứa photpho. Điều này có nghĩa rằng những gì hình thành trong BIF nằm trong chính những thành phẩm của chúng.

Để xác minh rõ điều này, nhóm nghiên cứu của Papineau sẽ nghiên cứu carbon có trong BIF và so sánh nó với các khoáng chất carbon khác không có nguồn gốc sinh học, bao gồm những khoáng chất được tìm thấy trong một thiên thạch sao Hỏa.

"Nghiên cứu này có khả năng chứng minh rằng sinh khối vi khuẩn được liên kết và lắng đọng cùng với khoáng chất sắt" - giáo sư Andreas Kappler từ trường Đại học Tuebingen tại Đức - người không tham gia vào nghiên cứu này cho biết.

Sự xuất hiện sớm của "oxy được nhả ra"

Có thể những vi khuẩn được xây dựng trong BIF là vi khuẩn lam, bởi vì khí oxy từ những vi khuẩn này khiến sắt bị oxy hóa trong các vùng biển trước sự kiện GOE. Nhưng nếu vi khuẩn lam xuất hiện trước GOE thì tại sao nó phải cần đến hàng trăm triệu năm để lượng oxy nhả ra tích tụ lại trong khí quyển?

Papineau cùng đồng nghiệp đã tìm được một phần câu trả lời trong bối cảnh giao thoa phức tạp giữa sinh vật học và địa lý học. Oxy từ vi khuẩn lam có thể bị phá hủy bởi sự vượt trội của metan. Hai loại khí này phản ứng với nhau để tạo ra khí carbon dioxide (CO₂) và nước.

"Oxy không thể tích lũy được trong môi trường giàu metan" - Papineau nói.

Metan được cho là có nguồn gốc từ vi khuẩn có tên gọi là cố khuẩn sinh methane (methanogens), giải phóng metan sau khi tiêu thụ khí carbon dioxide và khí hydro.

Trong trường hợp này, cố khuẩn sinh methane và vi khuẩn lam chia sẻ vùng biển cổ đại, nhưng cố khuẩn sinh methane lại chiếm ưu thế hơn- giải phóng metan, kiềm chế oxy và làm ấm hành tinh bằng hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, cho đến thời điểm sự kiện GOE, những sinh vật này bắt đầu mất dần đi và sự cạn kiệt metan trong khí quyển lấp đầy khí oxy từ vi khuẩn lam.

Không có "nickel" để dự trữ

Hình ảnh vi khuẩn methanogen qua kính hiển vi điện tử.

Kết nối sự kiện GOE với sự giảm sút của cố khuẩn sinh methane từng được đề cập đến trước đây nhưng vẫn còn rất ít bằng chứng để chứng minh được sự biến mất của nikel. Tuy nhiên, thời gian gần đây, tiến sĩ Papineau và đồng nghiệp của ông đã thông báo trên tạp chí Nature rằng: "Vào khoảng 2,7 tỷ năm trước, nồng độ nikel trong BIFs đã giảm đáng kể".

Hàm lượng nikel trong đại dương đã giảm 50% ngay trước sự kiện GOE. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì cố khuẩn sinh methane sống phụ thuộc vào nikel: đó là nguyên liệu chính để các enzim tham gia trao đổi chất trong quá trình hình thành ra metan. Khi hàm lượng nikel giảm, đồng nghĩa với việc cố khuẩn sinh methane sẽ bị "bỏ đói".

Trường hợp khan hiếm nikel khiến sự phát triển trước sự kiện GOE của vi khuẩn lam trở nên hợp lý hơn, nhưng vẫn cần phải có nhiều bằng chứng để chứng minh cho điều này.

Kappler tin rằng: "Nghiên cứu về nguồn gốc BIFs lâu đời nhất có thể cho chúng ta biết sự sống phát triển khả năng thở ra oxy và do đó làm thay đổi thế giới mãi mãi".