Phát hiện nguyên nhân chủ chốt biến Trái đất thành nơi có sự sống

Chúng ta đều biết ôxy là yếu tố quan trọng trong việc hình thành và duy trì sự sống. Nhưng điều gì đã biến Trái đất từ một hành tinh ít ôxy thành một thế giới giàu ôxy, nơi các sinh vật có thể tiến hóa và đa dạng hóa?

Các cộng đồng vi khuẩn bao phủ các tảng đá ở hố sụt của hồ Huron. Ảnh: NOAA

Giờ đây, các nhà khoa học đã xác định được một nguyên nhân chủ chốt có thể thúc đẩy quá trình giải phóng ôxy do vi sinh vật tạo ra.

Theo nghiên cứu được công bố vào ngày 2.8 trên tạp chí Nature Geoscience, khi Trái đất vừa mới hình thành cách đây khoảng 4 tỉ năm, nó có tốc độ quay rất nhanh dẫn đến một ngày chỉ kéo dài khoảng 6 giờ đồng hồ. Cho đến khoảng 2,4 tỉ năm trước, tốc độ quay của Trái đất mới dần chậm lại cho đến khi nó hoàn thành một vòng quay trên trục của nó trong 24 giờ, cũng chính là số giờ trong một ngày như hiện nay.

Sự chậm lại đó là nhờ vào một quá trình được gọi là ma sát thủy triều. Khi Trái đất quay, lực kéo của Mặt trăng và cả Mặt trời (nhưng ở một mức độ nhỏ hơn) đã kéo các đại dương ra khỏi trung tâm Trái đất, hút năng lượng ra khỏi vòng quay và khiến nó chậm lại.

Các nhà khoa học cho biết, khi vòng quay của Trái đất chậm lại, độ dài của một ngày đạt đến một ngưỡng nhất định, các vi sinh vật sẽ được tiếp xúc lâu hơn với ánh sáng Mặt trời và làm tăng tốc độ giải phóng ôxy của chúng vào bầu khí quyển. Lượng khổng lồ các phân tử ôxy sẽ bay từ khu vực có nồng độ cao (bên trong thảm vi sinh vật) đến khu vực có nồng độ thấp hơn (khí quyển).

Thảm vi sinh vật màu tím trong hố sụt ở hồ Huron. Ảnh: NOAA

Lý thuyết này đã được thử nghiệm chứng minh tại hố sụt của hồ Huron ở Michigan, Mỹ. Ở hồ Huron, nước giàu lưu huỳnh giúp nuôi dưỡng các vi sinh vật đầy màu sắc phát triển trong môi trường ít ôxy, giống như các dạng vi khuẩn đầu tiên trên Trái đất.

Ở độ sâu lạnh giá của hố sụt có 2 loại vi khuẩn đang sinh sống: Vi khuẩn lam tím và vi khuẩn trắng. Vi khuẩn lam tím tạo ra ôxy thông qua quá trình quang hợp, còn vi khuẩn trắng tiêu thụ lưu huỳnh và sau đó giải phóng sunfat. Vào buổi sáng sớm và buổi tối, vi khuẩn trắng luôn bao phủ các vi khuẩn lam khiến vi khuẩn lam không thể tiếp cận với ánh nắng Mặt trời, vì vậy không thể quang hợp và giải phóng ôxy. Tuy nhiên, khi ánh sáng Mặt trời chiếu sáng mạnh mẽ nhất trong ngày, vi khuẩn trắng sẽ tránh ánh sáng và di chuyển sâu hơn vào hố sụt. Đó là thời điểm mà vi khuẩn lam không bị che lấp, do đó có thể quang hợp và giải phóng ôxy.

Theo nhóm nghiên cứu, có thể đã có những cuộc “cạnh tranh” tương tự giữa các cộng đồng vi khuẩn hàng tỉ năm trước, với việc các vi khuẩn sản xuất ôxy tiếp xúc với ánh sáng Mặt trời bị cản trở bởi các vi khuẩn “hàng xóm” của chúng.

Các tác giả nghiên cứu lưu ý rằng, thời gian Mặt trời chiếu sáng lâu hơn giúp cho nhiều ôxy được giải phóng hơn trong một ngày chứ không phải giúp vi khuẩn quang hợp nhiều hơn.

Tác giả chính của nghiên cứu Judith Klatt từ Viện Max Planck, Đức cho hay: “Chúng tôi nhận ra rằng có mối liên hệ cơ bản giữa động lực học ánh sáng và sự giải phóng ôxy, và mối liên hệ đó là cơ sở của sự khuếch tán phân tử”.