Câu chuyện Oxi

Quá trình này tiếp diễn như thế nào? Các nhà khoa học về Trái đất tập trung chú ý vào lĩnh vực “sinh học vũ trụ” đang nổi lên cố gắng vạch ra bức tranh lịch sử của oxy trên trái đất từ những mảnh đá vụn rất tinh tế đã thu nhặt được. Theo họ, oxi trong khí quyển rất phong phú hiện nay đã xuất hiện từ cái không có gì qua hai bước lớn cách nhau chừng hai tỷ năm. Sự sống tương đối đơn giản có lẽ đã tạo điều kiện cho bước thứ nhất tiến triển và có thể là bước thứ hai, với sự tổn hại cho chính nó nhưng lại có lợi cho sự sống phức tạp hơn. Dưới đây là bản lược thuật câu chuyện này từ bài viết của Richard A. Kerr trên tạp chí “Science” số ra ngày 17 tháng 6 năm 2995.

Một sự bắt đầu nào đó

Các nhà viết lịch sử oxi của Trái đất luôn luôn thống nhất về một điểm. Trái đất đã bắt đầu sự phát triển của nó mà không có oxi tự do, là oxi lưỡng nguyên tử, O _2.Tất cả oxi đều liên kết trong đá và nước. Trong suốt nửa thế kỷ, các nhà nghiên cứu đã băn khoăn không hiểu cái chất khí đã tạo nên điều kiện cho sự hình thành những vật liệu đầu tiên của sự sống là cái gì. Nếu không có oxi tự do thì vật sống đầu tiên (đã xuất hiện có lẽ là 3,5 tỷ năm về trước) phải “thở” bằng những nguyên tố như sắt, chế biến nó để thu lấy một chút năng lượng.

Trong một số thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã bàn bạc rất nhiều về cái khoảng thời gian kéo dài mà hành tinh vẫn chưa có oxi và như vậy chỉ thuận lợi cho những vi sinh vật bé nhỏ rất đơn giản. Cho tới gần đây, ý tưởng về trái đất giai đoạn ban đầu không oxi kéo dài hơn hai tỷ năm (chủ yếu do nhà địa hoá học Heinrich Holland ở Đại học Harvard đưa ra) đã thống trị lĩnh vực nghiên cứu này. Những người bảo vệ ý tưởng này đã đưa ra chứng cớ khác nhau. Các khoáng vật già hơn khoảng 2,2 - 2,4 tỷ năm tìm thấy trong các đất, các lòng sông và các trầm tích khác cổ xưa dường như không có dấu hiệu gì là đã từng phơi ra trước oxi. Ví dụ như không có những “lòng sông đỏ” của trầm tích đã biến màu do các khoáng vật có sắt gỉ. Ý tưởng này gần đây đã gặp phải sự phản đối. Theo Hiroshi Ohmoto ở Đại học Pennáylvania, học trò cũ của Hollad, thì khí quyển trái đất đã được sản sinh oxi từ rất lâu, trước những thời gian cổ xưa nhất mà các nhà địa chất có thể đi ngược tới. Ohmoto và những người phản đối khác đã chỉ ra những mảnh khoáng vật mà theo họ đã bị oxi hoá từ 3 tỷ năm trước hay còn lâu hơn.

Một bước đi lên

Cuộc tranh cãi giữa thầy và trò nay dường như đã được giải quyết và thiên về phía thầy. Các nhà nghiê ncứu đã có một phương pháp cho phép xác định một cách dứt khoát có hay không có oxi trong giai đoạn ban đầu của lịch sử trái đất. Phương pháp này - phương pháp đồng vị lưu huỳnh, do nhà địa hoá học James Farquhar ở Đại học Maryland và các đồng nghiệp đưa ra năm 2000. Nó dựa vào cái cách mà ánh sáng mặt trời phá vỡ đioxit lưu huỳnh trong khí quyển. Các phản ứng quang hoá này có thể xáo trộn các đồng vị lưu huỳnh theo những cách kỳ lạ, không tuỳ thuộc vào khối lượng của các đồng vị. Nhưng oxi tự do của khí quyển đã làm mất phần phân chia không phụ thuộc khối lượng đó (massindependent fractionation - MIF) trước khi lưu huỳnh đi tới bề mặt trái đất, ở đây hỗn hợp các đồng vị dư thừa được gìn giữ trong các trầm tích. Farquhar và các đồng nghiệp đã tìm thấy MIF của lưu huỳnh trong các đá già hơn 2,4 tỷ năm, không thấy trong các đá trẻ hơn, chứng tỏ rằng oxi, khí quyển lần đầu tiên xuất hiện phải ở mức ít nhất là 1 phần triệu.

Khám phá trên đây (hiện nay đã được củng cố thêm nhờ các công trình lý thuyết và những nghiên cứu về các loại đá khác) là một sự xác nhận rất mạnh mẽ về “Biến cố oxi hoá vĩ đại” - thuật ngữ do Holland đưa ra. “Ai mà còn nghi ngờ thì cần phải phát minh lại vật lý học để chống lại các kết quả của Farquhar” - ý kiến của nhà vật lý khí quyển Jame Kasting ở Đại học Pénnylvania. Ohmoto và một vài cộng tác vẫn chống lại kết quả này nhưng, như Catling ở Đại học Bristol đã nhận định, “có một sự nhất trí mạnh mẽ trong phần còn lại của cộng đồng”, “Trong MIF của lưu huỳnh, ta có một tín hiệu rõ ràng là đã có một sự thay đổi nào đó cách đây khoảng 2,4 tỷ năm”.

Sự xuất hiện thường trực của oxi ở những mức khí quyển có thể phát hiện được dường như đã thúc đẩy sự tiến hoá. Hoá thạch sớm nhất được biết của ơcariot - chất sống mà tế bào của nó có nhân và thường cần oxi - đã có khoảng 2 tỷ năm về trước. Hoá thạch đầu tiên có kích thước đủ lớn có thể nhìn thấy được mà không dùng kính hiển vi - tảo Grypania - đã xuất hiện cách đây 1,9 tỷ năm.

Chuyện bàn tán về oxi hoá

Nếu vậy thì các tín hiệu về oxi ban đầu là cái gì? Một số có thể là dấu tích về những “ốc đảo oxi” cổ xưa trong đó các vi khuẩn xyano - những tảo lục lam sản sinh oxi - đã bắt được năng lượng mặt trời bằng quang hoá trong hàng trăm năm triệu năm trước khi các mức khí quyểt vượt quá giới hạn MIF của lưu huỳnh.

Trong các đá lấy ở Hamersley Basin ở phía Tây nước Úc, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy những tín hiệu cho thấy oxi đó ít nhất cũng đã thấm vào những phần nhỏ của môi trường trong khi phần còn lại của thế giới vẫn là không oxi. Khi các vi sinh vật sản sinh oxi chết đi, chúng để lại một hỗn hợp đồng vị cacbon dịch về phía đồng vị nhẹ hơn cũng như các phân tử hữu cơ đặc biệt như steran.

Trong hội nghị sinh học vũ trụ vừa diễn ra gần đây, Jennifer Eigenbrode ở Viện Carnegie thuộc Viện Vật lý địa cầy Washington và các đồng sự đã thông báo họ tìm thấy những vết địa hoá của các đá Hemersley. Hỗn hợp đồng vị và các vật đánh dấu sinh học (biomarker) thay đổi khi các nhà nghiên cứu lần theo chúng cho đến những đá gần đây hơn trên phương tiện địa chất học. Eigenbrode cho biết các dịch chuyển chỉ ra vai trò tăng lên của những hệ sinh thái phụ thuộc oxi, có lẽ nằm trong những lớp màng dày ở đáy biển. Ở những đảo sinh oxi như vậy, các ơcariot có thể đã xuất hiện hàng trăm triệu năm sớm hơn các hoá thạch đã nhận biết được đầu tiên của chúng, có nghĩa chúng cần phải mất rất nhiều thời gian để có thể tiến hoá đến sự sống tinh vi hơn.

Tắc nghẽn ở đâu?

Mặc dầu đã có các tài liệu tốt hơn về lịch sử oxi xong công việc của các nhà viết lịch sử oxi của trái đất vẫn không dễ dàng hơn. Vẫn có những khoảng trống trong các tài liệu đó mà trình tự thời gian rất khó giải thích. Ví dụ như các chứng cứ từ steran và các vật đánh dấu sinh học khác cho thấy các vi khuẩn xyano sản sinh oxi đã hoạt động từ 2,7 tỷ năm về trước hay sớm hơn, nhưng “biến cố oxi hoá vĩ đại” vẫn chưa xảy ra trong 300 triệu năm sau đó. Tại sao lại có sự chậm trễ như vậy?

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một số khả năng. Nhà đại sinh học Joseph Kirschvink ở Viện Công nghệ California và nghiên cứu sinh của ông là Robert Kopp đã nhận xét rằng các vi khuẩn xyano ban đầu không sản sinh ra oxi. Theo các nhà nghiên cứu này thì loại quang tổng hợp giải phóng khí vẫn chưa xuất hiện cho tới cách đây 2,4 tỷ năm. Cách giải thích này không coi trọng một số vật chỉ dẫn địa hoá như các steran mà thông thường được xem là cần phải có oxi cho sự tổng hợp của chúng.

Các nhà khoa học trái đất khác thì cho rằng nguồn khí núi lửa chiếm giữ oxi, ví dụ như hyđro, có thể đã mất hết cách đây 2,4 tỷ năm, do đó mức oxi đã có thể tăng lên. Nhưng các nghiên cứu gần đây về các kim loại vết trong các đá cũ lấy từ lòng đất sâu dường như đã cho thấy nguồn khí khử là ổn định cho tới biến cố oxi hoá và trong suốt quá trình này.

Catling và các đồng nghiệp cho rằng mức metan (CH ₄) cao trong khí quyển ban đầu đã làm tăng đáng kể tốc độ “rò” của oxi vào không gian vũ trụ, cho phép oxi được sản sinh bằng quang hợp oxi hoá trái đất. Năm 2001, ông và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng 3 tỷ năm về trước, metan được sản sinh ra bởi các vi khuẩn ưa thiếu oxi có lẽ nhiều gấp 100-1500 lần mức hiện nay. Và metan mang hyđro có thể khuếch tán tự do vào các vành bên ngoài của khí quyển ở đó hyđro của nó có thể nhảy lần cuối cùng vào không gian vũ trụ: hyđro của nước thì ngưng tụ lại ở các độ cao thấp hơn.

Để kiểm tra ý tưởng trên, Catling, nhà sinh học vũ trụ Mark Claire ở Đại học Washington, Seattle, và nhà vật lý hành tinh Kevin Zahnle ở Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA ở Mountain View, California vừa mới đây đã đưa metan vào một mô hình dùng máy tính về theo dõi lượng oxi đi đến và đi ra khỏi trái đất lúc ban đầu. Trong mô hình này, các khí núi lửa và các phản ứng với các khoáng vật ở vỏ sẽ hút oxi cũng nhanh như các vi khuẩn xyano có thể sản xuất ra nó. Không có nhiều metan để mang hyđro ra ngoài không gian vũ trụ, trái đất sẽ vẫn là không oxi mãi mãi. Nhưng với metan khí quyển ở mức cao, lượng hyđro bị mất vào không gian vũ trụ cuối cùng sẽ áp đảo những lực chống oxi và mức oxi sẽ bắt đầu tăng lên. Như vậy vi khuẩn sản sinh metan ở mức thấp có thể vô tình giúp cho oxi - kẻ thù nguy hiểm của nó - tiến lên trên con đường oxi hoá thế giới.

Một tỷ năm buồn tẻ

Câu hỏi làm các nhà nghiên cứu còn đau đầu hơn cả việc phải mất 300 triệu năm để có “Biến cố oxi hoá vĩ đại” là sau biến cố đó là cái gì? Sự xuất hiện của oxi đã tạo ra những lòng sông đỏ của địa chất học và những ơcariot của sự sống. Sau đó, trong một tỷ năm, tảo ơcariot mới xuất hiện chẳng tiến hoá đến đâu cả mà bị đông cứng lại trong thời gian thành một loại váng màu lục. Và ngày càng có nhiều chứng cớ địa hoá cho thấy biến cố oxi hoá vĩ đại thực tế không phải tất cả đều vĩ đại. Để hiểu tại sao không, các nhà nghiên cứu đã nhìn đến đại dương.

Những nghi ngờ về tính chất vĩ đại của biến cố oxi hoá đã nảy sinh vào năm 1998 khi nhà địa hoá học Canfield lần đầu tiên đưa ra ý kiến – trên cơ sở của các đồng vị lưu huỳnh - theo đó tất cả nước của đại dương chỉ trừ lớp trên cùng vẫn không có oxi trong 1 tỷ năm sau khi oxi khí quyển lần đầu tiên xuất hiện. Năm 2002, nhà địa hoá học Arich Anbar ở Đại học Arizona, Tempe, và nhà cổ sinh học Andrew Knoll ơ Đại học Harvard đã liên hệ ý tưởng của Canfield với lịch sử của sự sống. Hai ông gợi ý rằng oxi mà khí quyển giữ được trong thời gian của “Đại dương Canfield” - có lẽ vào khoảng 1-10% mức hiện nay - thực ra đã làm tảo ơcariot chết đói và đi ngược lại quá trình tiến hoá. Oxi khí quyển, theo hai ông, có thể đã làm mất lưu huỳnh của đất, đưa vào biển những sunfua tai hại, những chất có thể làm mất sắt và molipđen của nước biển. Tảo cần các nguyên tổ này để tạo ra các enzim có vai trò cốt yếu trong việc thu nhận các chất dinh dưỡng: không có chúng, tảo sẽ suy yếu dinh dưỡng và do đó không có đủ sức sống để tiến hoá.

Đại dương Canfield và như vậy giả thuyết trái đất suy dinh dưỡng đã bắt đầu có cơ sở. Một số nhóm nghiên cứu đã mở rộng việc phân tích dồng vị lưu huỳnh của Canfield qua giai đoạn giữa của Đại Nguyên sinh (2,5 tỷ đến 0,54 tỷ năm về trước), xác nhận các dấu hiệu về tình trạng không oxi. Nhưng các nghiên cứu này đã dựa trên các đá biển lắng kết từ nước, chúng bị cô lập ít nhất cũng một phần đối với đại dương rộng lớn, giống như Biển Đỏ ngày nay. Tình trạng không oxi của chúng không tiêu biểu cho đại dương rộng lớn.

Năm 2004 Anbar, nhà địa hoá học Gail Arnold (lúc đó ở Đại học Rochester, New York) và các đồng nghiệp đã làm giảm được nhiều điều nghi ngờ nói trên. Các ông đã công bố kết quả phân tích các đồng vị của molipđen giữ trong các đá thời kỳ giữa Đại nguyên sinh. Tỷ số của hai đại đồng vị molipden phụ thuộc vào lượng oxi trong đại dương. Không giống như nhiều nguyên tố hoà tan khác, molipđen vẫn còn trong nước biển trong một thời gian dài trước khi bị lấy đi khỏi trầm tích mà nó có cơ may trộn lẫn vào đại dương, ngay cả ở những chỗ nước đọng gần bờ. Như vậy các mẫu vật lấy từ một địa điểm trong đại dương Đại Nguyên sinh phải phản ánh lượng oxi trong đại dương toàn bộ. Arnold và các đồng nghiệp tìm thấy những dấu hiệu cho thấy ở xa đáy đại dương hơn là tình trạng không oxi cách đây 1,4 - 1,7 tỷ năm hơn là ngày nay. Như vậy, gần như mất 4 tỷ năm sau khi thế giới bắt đầu, sự sống và trái đất thúc đẩy sự sản sinh ra oxi từ cái không có gì đến những mức có thể phát hiện được vẫn còn có một cách tiến triển nào đó.

Bùng nổ

Cái gì đã giữ chặt 1 tỷ năm của Đại Nguyên sinh trong tình trạng đình trệ vẫn còn là một điều bí mật. Nhưng điều bí mật còn lớn hơn và cám dỗ hơn có thể là câu hỏi sau đây: tại sao oxi cuối cùng lại tăng nhanh đến những mức như hiện nay vào giai đoạn cuối của Đại Nguyên sinh? Đó là lúc mà các động vật nhiều tế bào lần đầu tiên xuất hiện, rồi đến những động vật lớn như Ediacara (còn là một câu đố, những sinh vật cần phải có những mức oxi cao hơn. Các đồng vị lưu huỳnh của Canfield chỉ ra những mức oxi đó đúng là tăng lên vào lúc đó.

Biến cố oxi hoá thứ hai này còn khó giải thích hơn biến cố vĩ đại. Đa số nhà nghiên cứu nhất trí rằng nó ẩn dấu một sự thay đổi lớn nào đó, sự thay đổi này gây ra sự giam giữ nhiều chất hữu cơ hơn trong các trầm tích trước khi nó suy giảm. Thay vì bị mất đi trong các quá trình phân ly hoá học, oxi lại hình thành trong khí quyển và đại dương. Để giải thích sự chôn vùi cacbon ở quy mô lớn, đã có hai trường phái: địa chất và sinh học.

Theo các giải thích địa chất thì những dịch chuyển làm tăng mức oxi bao gồm sự tăng vọt của những đất sé có thể hấp thụ các chất hữu cơ và giữ nó ở dưới đáy đại dương, và sự lắp ghép siêu lục địa mà sự phong hoá của nó có thể kích thích sự sống ở biển phát triển và sự chôn vùi cacbon sau đó do các chất dinh dưỡng bổ xung cho biển. Theo cách giải thích sinh học thì những dịch chuyển bao gồm sự xuất hiện các địa y trên đất liền, các địa y này cũng làm tăng nhanh quá trình phong hoá của đá và sự tiến hoá ở các động vật nổi bật là những sinh vật sản sinh ra các hạt chất lắng dày đặc có thể thoát vào biển sâu.

Trước khi các nhà viết lịch sử oxi có thể rút ra chân lý từ hai câu chuyện kể trên, họ cần phải biết rõ bản chất của những dấu tích còn giữ được về sự sống cũng như về oxi. Như Kirschvinke đã nhấn mạnh: “Anh càng đi xa về quá khứ, anh càng có ít dữ liệu hơn”, “do đó anh sẽ ít có cơ may chứng tỏ một điều gì đó là đúng hay sai” nếu anh xem xét điều ấy ở cách xa chúng ta ngày nay tới 2 hay 3 tỷ năm! Việc thu thập dữ liệu từ những mảnh đá cổ xưa hơn rõ ràng là hết sức cần thiết.

Nguồn: T/c Hoá học và ứng dụng, số 2, 2006, tr 12