Câu chuyện về Oxy
Oxy đã xuất hiện từ khi nào trong bầu khí quyển Trái đất? Cái gì đã sinh ra nó? Cái gì đã giữ nó lại lâu đến vậy? Và nguyên nhân gì đã khiến nó tràn ngập bầu khí quyển để tạo điều kiện cho những sinh vật tiến hóa cao ra đời?
Một sự khởi đầu
Các nhà lịch sử về oxy luôn luôn đồng ý với nhau một điều: Trái đất đã ra đời mà không hề có oxy tự do - tức là oxy ở dạng phân tử O 2. Nguyên tố oxy đã chỉ tồn tại ở dạng hợp chất trong đất đá và nước. Trong một nửa thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã rất phân vân, không biết chắc chắn những khí nào đã tham gia vào sự tạo thành các vật chất khởi nguyên của sự sống. Cách đây có lẽ khoảng 3,5 tỷ năm, sự sống đầu tiên đã xuất hiện mà không cần đến oxy, nó đã tồn tại được nhờ vào quá trình xử lý hóa học những nguyên tố (như sắt chẳng hạn) để thu được chút năng lượng ít ỏi.
Các nhà khoa học cũng đã tranh cãi nhau mất hàng thập kỷ về chuyện Trái đất đã ở trong tình trạng thiếu oxy trong bao lâu, và trong bao lâu Trái đất đã chỉ toàn là những thực thể sống nhỏ bé, đơn giản và chậm chạp. Cho đến gần đây, ý tưởng có vẻ thắng thế là ý tưởng của nhà hóa học địa cầu Heinrich Holland (Đại học Havard), rằng Trái đất đã thiếu oxy cho đến thời điểm cách đây hơn 2 tỷ năm. Những bằng chứng đã được đưa ra, chẳng hạn như các khoáng vật già hơn khoảng 2,2 đến 2,4 tỷ năm tìm thấy trong đất đá cổ đều không có dấu hiệu là đã từng ở trong môi trường có oxy. Tuy nhiên, một học trò cũ của Hollandlà Hiroshi Ohmoto (Đại học bang Pennsylvania ) lại có quan điểm khác. Ohmoto tin rằng khí quyển Trái đất đã có oxy từ lâu hơn nhiều. Ông và những người khác đã chỉ ra những khoáng vật mà họ tin rằng chúng đã từng bị oxy hóa từ ít nhất là 3 tỷ năm trước."Lượng oxy tăng lên đã làm thay đổi tiến trình của sự sống, chính bầu khí quyển tràn ngập oxy là điềm báo trước cho một sự sống tiến hóa cao trên Trái đất, và tôi cũng dám chắc rằng điều này cũng sẽ đúng ở bất cứ nơi nào khác", nhà thiên văn sinh học David Catling ở Đại học Bristol (Anh) nói |
 |
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một vài lý do khả dĩ. Nhà sinh học địa cầu Joseph Kirschvink ở Viện Công nghệ California và học trò Robert Kopp của ông cho rằng, các vi khuẩn cyanide đầu tiên đã khôngtạo ra oxy. Họ lập luận rằng, dạng quang hợp mà giải phóng chất khí chỉ mới xuất hiện từ 2,4 tỷ năm về trước. Sự giải thích này đã không đếm xỉa đến một số các bằng chứng địa hóa học, chẳng hạn nhưcác sterane, những chất thường được coi là phải cần có oxy để tổng hợp nên chúng.
Các nhà khoa học khác lại ngờ rằng, các khí núi lửa, chẳng hạn như hydro đã ngốn hết tất cả oxy trên Trái đất, và phải đến 2,4 tỷ năm về trước các khí núi lửa mới hết đi và oxy khi đó mới có thể tồntại tự do. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây về dấu tích kim loại trong đá cổ được lấy từ các lớp sâu của Trái đất dường như đã chỉ ra rằng nguồn cung cấp khí núi lửa thậm chí vẫn ổn định trongsuốt giai đoạn biến cố oxy hóa.
Catling và các cộng sự đã giả thiết rằng nồng độ cao của khí methane (CH 4) trong bầu khí quyển hồi ấy đã làm tăng nhanh tốc độ "rò rỉ" khí hydro ra ngoài không gian, điều này khiến chokhí oxy được sinh ra từ các quá trình quang hợp trở nên tràn ngập Trái đất. Từ năm 2001, họ đã chỉ ra rằng từ 3 tỷ năm trước, các vi khuẩn sống trong điều kiện không có oxy đã tạo ra lượng khímethane nhiều hơn ngày nay từ 100 đến 1500 lần. Và khí methane mang theo hydro có thể khuếch tán tự do ra lớp vỏ ngoài khí quyển, tại đó hydro có thể trốn thoát ra ngoài không gian.
Để kiểm tra ý tưởng này, Catling cùng với nhà thiên văn sinh học Mark Claire ở Đại học Washington và nhà vật lý học hành tinh Kevin Zahnle của NASA đã xây dựng một mô hình máy tính mô phỏng các diễnbiến của methane và oxy trên Trái đất cổ xưa. Trong mô hình này, các khí núi lửa và các phản ứng của khoáng vật ở vỏ Trái đất đã tiêu thụ hết tất cả oxy mà các vi khuẩn cyanide đã tạo ra. Khi khôngcó nhiều methane để mang hydro ra ngoài không gian, Trái đất vẫn thiếu oxy một cách vô định. Nhưng với sự tăng lên của methane trong khí quyển, những kẻ thù của oxy bị loại bỏ và nồng độ của nó bắtđầu tăng. Khi đó, các vi khuẩn chậm chạp tạo ra methane có lẽ đã không đề phòng được sự tăng lên của oxy - một loại khí tử thần đối với chúng, và thời đại của oxy đã được mở ra.
Cả một tỷ năm nhàm chán
Những gì đã đến sau Biến cố Oxy hóa Lớn thậm chí còn khó hiểu hơn cả 300 triệu năm bí ẩn kia. Sự xuất hiện của oxy đã tạo ra những lớp địa tầng màu đỏ dưới đáy biển với các eukaryote của sự sống. Sauđó, trong cả một tỷ năm, những tảo eukaryote mới xuất hiện này đã chẳng tiến hóa được gì hết. Chúng nằm im lặng trong các lớp váng màu lục của đại dương, mất cả một quãng thời gian dài của lịch sử.Và có bằng chứng địa hóa học đã chỉ ra rằng, Biến cố Oxy hóa Lớn thực ra cũng chẳng có gì là lớn lắm. Để hiểu được tại sao lại như vậy, các nhà khoa học đã hướng về đại dương và đi tìm câu trảlời.
Những nghi ngờ xung quanh quy mô của biến cố oxy hóa bắt đầu nảy sinh từ năm 1998 khi nhà hóa học địa cầu Canfield, trên cơ sở các đồng vị lưu huỳnh đã lần đầu tiên đề xuất rằng tất cả nước của đạidương, trừ lớp nước trên cùng, vẫn không hề có oxy trong hơn 1 tỷ năm sau khi chất khí này lần đầu tiên xuất hiện trong bầu khí quyển. Năm 2002, nhà hóa học địa cầu Ariel Anbar ở Đại học bang Arizonavà nhà cổ sinh học Andrew Knoll ở Đại học Havard đã liên kết ý tưởng của Canfield với lịch sử sự sống. Họ đã đề xuất rằng, trong giai đoạn "Đại dương Canfield", oxy có lẽ chỉ tồn tại trong khí quyểnở mức 1% đến 10%, điều này đã thực sự làm các tảo eukaryote bị đói và ngăn cản sự tiến hóa của chúng. Họ chú ý rằng, chính oxy khí quyển đã tham gia vào quá trình tạo ra các hợp chất sulfide chếtchóc trong đại dương, những hợp chất này đã loại bỏ các sắt và molybden trong nước biển. Loài tảo thì lại rất cần những nguyên tố này để tổng hợp nên các enzyme cần thiết cho quá trình sinhdưỡng.
 |
Năm 2004, nhà hóa học địa cầu Gail Arnold ở Đại học Rochester cùng các cộng sự đã làm dịu đi rất nhiều những nghi ngờ này. Trên tạp chí Science(ngày 2 tháng 4 năm 2004, trang 87), họ đãtrình bày những phân tích của họ về đồng vị molybden được chứa trong các mẫu đá từ giữa Đại Trung Sinh. Tỷ lệ của hai đồng vị molybden phụ thuộc vào lượng oxy trong đại dương. Và không giống nhiềunguyên tố hòa tan khác, trước khi bị giam giữ trong trầm tích, molybden có thể tồn tại trong nước biển đủ lâu để chu du khắp đại dương. Như vậy, các mẫu thuộc Đại Trung Sinh được lấy từ một địa điểmcó thể phản ánh được lượng oxy của toàn bộ đại dương. Arnold và các cộng sự đã tìm ra các dấu hiệu cho thấy sự thiếu oxy trong thềm đại dương từ 1,4 đến 1,7 tỷ năm về trước.
Bất ngờ ở cuối Đại Trung Sinh
Điều gì đã khóa lại cả một tỷ năm tiến hóa của Đại Trung Sinh cho đến nay vẫn còn là một bí ẩn. Nhưng vẫn còn một bí ẩn lớn hơn và cám dỗ hơn, đó là làm thế nào mà vào cuối Đại Trung Sinh (khoảng 0,6hoặc 0,7 tỷ năm về trước) lượng oxy lại đột ngột tăng đến mức gần giống như hiện nay? Trong thời kỳ đó, những sinh vật đa bào và sau đó là những sinh vật lớn như con Ediacara đầy bí ẩn lần đầu tiênxuất hiện - những sinh vật này đã có nhu cầu về oxy lớn hơn rất nhiều.
Biến cố oxy hóa thứ hai này cho thấy những vấn đề còn khó hiểu hơn cả biến cố thứ nhất. Hầu hết các nhà khoa học đều đồng ý rằng, nó chính là dấu mốc cho một sự thay đổi lớn mà kể từ đó có nhiều hơnnhững vật chất hữu cơ được bảo quản trong trầm tích trước khi chúng có thể phân hủy. Thay vì bị mất đi vì những phản ứng hóa học thông thường, oxy đã ngày càng tăng lên trong khí quyển và đại dương.Và những "hầm mộ carbon" chôn xác sinh vật cổ đại có nguồn gốc từ đâu? Những câu trả lời được chia thành hai xu hướng: địa chất học và sinh học.
Giả thiết rằng những chuyển dịch địa chất có lẽ đã làm tăng mức oxy, cũng như tạo thành các lớp đất sét có khả năng hấp thụ các vật chất hữu cơ và bảo quản chúng bên dưới thềm đại dương. Thêm vào đó,sự hình thành một siêu lục địa kèm theo các quá trình phong hóa có thể kích thích sự sống dưới đại dương và tiếp theo đó là những "hầm mộ carbon". Những biến đổi sinh học bao gồm sự xuất hiện của địay trên đất liền (điều này cũng sẽ thúc đẩy quá trình phong hóa đá) và sự tiến hóa mới mẻ của các sinh vật phù du tạo nên một môi trường đậm đặc chất hữu cơ trong lòng đại dương.
Trước khi các nhà lịch sử về oxy có thể tìm ra sự thực từ những câu chuyện này, họ sẽ bị cuốn hút vào bản chất của sự sống cổ đại.
Một khí quyển tốt hơn cho sự sống
"Cứ nhìn bề ngoài thì những gì mà họ đã tạo ra là khá có cơ sở", nhà hóa học khí quyển Yuk Yung ở Viện Công nghệ California nói. "Đó là một công trình hay. Nó đang khiến các nhà sinh học cảm thấy vui hơn rất nhiều". Nhưng David Catling thì lại không nghĩ như vậy. "Lúc này vẫn còn là hơi sớm để khẳng định về đặc trưng hóa học tiền sinh học của bầu khí quyển giàu oxy và và một đại dương đầy các lớp keo hữu cơ", ông nói, "Tian và các cộng sự của ông đã không tính đến tất cả các nhân tố gây nên sự thoát hydro". Theo Catling, một mô hình tinh xảo hơn sẽ cho thấy rằng, tốc độ hydro thoát đi ít nhất cũng sẽ nhanh bằng tốc độ hiện nay. Có lẽ, thời gian sẽ đem lại cho chúng ta tất cả những câu trả lời. R.A.K |
Nguồn: Tia sáng, số 13, 05/07/2006
