Nguồn gốc của oxy trên Trái Đất

Nửa phần đầu của lịch sử Trái Đất hoàn toàn không có oxy, nhưng điều đó không đồng nghĩa với việc không có sự sống. Hiện vẫn có rất nhiều tranh cãi với những yếu tố sinh học chính trong thế giới “tiền oxy” và các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm đầu mối từ những lớp đá trầm tích lâu đời nhất trên hành tinh của chúng ta.

Hầu hết các nhà khoa học tin rằng lượng oxy tồn tại trong khí quyển không đáng kể cho đến 2,4 tỷ năm trước, khi Sự kiện ôxy hóa vĩ đại (GOE) xảy ra. Sự nhảy vọt về nồng độ oxy chủ yếu là do vi khuẩn xyano – loài vi khuẩn quang hợp thở ra oxy. Khi nào và làm thế nào loài vi khuẩn thở ra oxy này xuất hiện vẫn chưa được biết rõ, do thực tế rằng sự kiện GOE là giao lộ của sự đóng băng toàn cầu, sự biến động khoáng vật và sự phát triển dồi dào của các loài mới.
Dominic Papineau thuộc Học viện Carnegie Washington, cho biết: “Chúng tôi không biết nguyên nhân là gì và hậu quả là gì. Một số sự kiện xảy ra cùng một lúc, do đó câu chuyện vẫn không rõ ràng”. Để giúp giải quyết câu hỏi địa lý này, Papineau đang nghiên cứu sự hình thành sắt tập hợp hay BIFs (banded iron formations), đá trầm tích hình thành tại đáy các vùng biển cổ đại.

Nghiên cứu của Papineau, do Chương trình sinh vật học tiến hóa của NASA tài trợ, tập trung vào những khoáng chất nhất định bên trong BIFs có thể liên quan chặt chẽ đến sự sống (và cái chết) của vi khuẩn cổ đại

Tìm hiểu BIFs

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

Tuy nhiên, nguồn gốc của BIF lâu đời nhất vẫn là một bí ẩn. Các nhà khoa học cho rằng chúng cần đến sự hỗ trợ của sinh vật để có thể hình thành, nhưng sinh vật nào? Những loài vật biển đơn bào không để lại xương hoặc vỏ để chúng ta có thể tìm hiểu, nhưng Papineau cho rằng vẫn có thể có khoáng chất hoặc hóa thạch địa hóa trong BIFs.

Ông và các đồng nghiệp đã phát hiện vật liệu cácbon trong BIFs liên quan đến apatit, một loại khoáng chất photphat thường có liên hệ chặt chẽ với sinh học. Điều này có nghĩa rằng những gì hình thành nên BIF vẫn nằm trong chính thành phẩm của chúng.

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

Andreas Kappler thuộc Đại học Tuebingen tại Đức, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết: “Nghiên cứu này có tiềm năng chứng minh rằng sinh khối vi khuẩn được liên kết và lắng đọng cùng với khoáng chất sắt”.

Sự xuất hiện sớm của vi khuẩn thở ra oxy

Rất có thể những vi khuẩn hình thành nên BIF chính là vi khuẩn xyano, vì oxy từ những vi khuẩn này khiến sắt bị oxy hóa trong các vùng biển trước sự kiện GOE.

Nhưng nếu vi khuẩn xyano xuất hiện trước GOE từ lâu, tại sao nó cần đến hàng trăm triệu năm để lượng oxy do chúng thở ra tích lại trong khí quyển?

Papineau và các đồng nghiệp có thể đã tìm ra một phần của câu trả lời trong bối cảnh giao thao phức tạp giữa sinh vật học và địa lý học.

Oxy từ vi khuẩn xyano có thể đã bị phá hủy do sự vượt trội của mêtan. Hai loại khí này phản ứng với nhau để tạo ra cácbon đioxit và nước.

Papineau giải thích: “Oxy không thể tích lũy trong môi trường giàu mêtan”.

Mêtan được cho là có nguồn gốc từ vi khuẩn gọi là methanogens, chúng giải phóng mêtan sau khi tiêu thụ cácbon đioxit và hydro.

Trong trường hợp này, methanogen và vi khuẩn xyano chia sẻ vùng biển cổ đại, nhưng methanogens chiếm ưu thế - sự giải phóng mêtan của chúng kiềm chế oxy, và làm ấm hành tinh qua tác động nhà kính. Tuy nhiên cho đến gần thời điểm GOE, những sinh vật này bắt đầu mất dần, và oxy từ vi khuẩn xyano lấp đầy khí quyển đã cạn kiệt mêtan.

Thiếu kền

Nối kết sự kiện GOE với sự giảm sút của methanogen đã từng được đề cập đến trước đây, nhưng có rất ít bằng chứng củng cố cho giả thuyết này. Tuy nhiên, gần đây Papineau và các đồng nghiệp đã báo cáo trên tạp chí Nature rằng nồng độ kền trong BIFs giảm đáng kể khoảng 2,7 tỷ năm trước.

Nồng độ kền trong biển giảm 50% ngay trước khi GOE xảy ra. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì methanogens phụ thuộc vào kền: đó là nguyên liệu trung tâm cho các enzim trao đổi chất tham gia vào quá trình hình thành mêtan. Khi nồng độ kền giảm, methanogens bị “đói”.

Tình huống khan hiếm kền khiến sự phát triển tiền GOE của vi khuẩn xyano trở nên hợp lý hơn, nhưng vẫn cần nhiều bằng chứng hơn nữa để khẳng định điều này.

Kappler tin rằng nghiên cứu nguồn gốc của BIFs lâu đời nhất có thể cho chúng ta biết khi nào sự sống bắt đầu phát triển khả năng thở ra oxy và do đó thay đổi thế giới mãi mãi