Oxy trên Trái Đất có nguồn gốc như thế nào?

Khí oxy là yếu tố quan trọng nhất cho sự tồn tại của loài người cũng như nhiều sinh vật khác trên Trái Đất, chỉ cần thiếu oxy khoảng 5 phút là mô não bị chết vĩnh viễn không có khả năng hồi phục. Mặc dù vậy, không phải ai cũng biết nguồn gốc của nguyên tố phổ biến đứng thứ 3 trong vũ trụ này xuất hiện từ khi nào. Hãy cùng chúng tổi tìm hiểu.

Nửa phần đầu của lịch sử Trái Đất - khoảng 2 tỷ năm - 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 (Great Oxygenation Event - GOE) xảy ra. Sự nhảy vọt về nồng độ oxy chủ yếu là do vi khuẩn xyano, còn gọi là tảo xanh - 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.

Tiến sỹ 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 các tầng sắt tạo dãy 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 từ thời cổ đại.

Hình ảnh chụp mẫu vật tầng sắt tạo dãy tại bảo tàng lịch sử tự nhiên Australia.

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 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 carbon trong BIF và so sánh nó với các khoáng chất carbon khác có nguồn gốc không sinh học, bao gồm khoáng chất được tìm thấy trong một thiên thạch sao Hỏa.

Thêm vào đó, giáo sư Andreas Kappler thuộc đại học Tuebingen tại Đức, một người cũng quan tâm đến nghiên cứu này, 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”. 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?

Giáo sư Andreas Kappler.

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 metan. Hai loại khí này phản ứng với nhau để tạo ra carbon dioxide và nước. Papineau giải thích: “Oxy không thể tích lũy trong môi trường giàu metan”.

Metan được cho là có nguồn gốc từ vi khuẩn gọi là methanogens, chúng giải phóng metan sau khi tiêu thụ carbon dioxide và hydro. Trong trường hợp này, vi khuẩn methanogen và vi khuẩn xyano chia sẻ vùng biển cổ đại, nhưng methanogens chiếm ưu thế - sự giải phóng metan của chúng kiềm chế oxy, và làm ấm hành tinh qua hiệu ứng 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 metan.

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 một giả thuyết về việc sự biết mất của nikel (còn gọi là kền) bên trong BIFs chính là nguyên nhân cho vấn đề này. Tuy nhiên, gần đây Papineau và các đồng nghiệp đã báo cáo trên tạp chí Nature rằng nồng độ nikel trong BIFs giảm đáng kể khoảng 2,7 tỷ năm trước. Nồng độ nikel trong biển giảm 50% ngay trước khi GOE xảy ra. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì methanogens phụ thuộc vào nikel: đó là nguyên liệu trung tâm cho các enzim trao đổi chất tham gia vào quá trình hình thành mêtan. Khi nồng độ nikle giảm, methanogens bị “đói” và chúng sẽ biến mất dần theo thời gian.

Hình ảnh vi khuẩn methanogen qua kính hiển vi điệnt ử.

Tình huống khan hiếm nikel 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.

Oxy được phát hiện bởi dược sĩ người Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele năm 1772 bằng cách đun nóng oxit đồng và một hỗn hợp vài muối nitrat. Scheele gọi oxy là "khí cháy" vì nó là khí hỗ trợ sự cháy duy nhất được phát hiện lúc đó. Ông đã viết một báo cáo về phát hiện này trong một bản thảo của mình với tựa đề Treatise trên Air và Fire, sau đó gửi cho nhà xuất bản trong năm 1775. Tài liệu này sau đó được xuất bản vào năm 1777. Tên hệ thống nguyên tố của oxy là octium.

Khí oxy tự do hầu như không tồn tại trong khí quyển Trái Đất trước khi vi khuẩn cổ đại archaea tiến hóa vào khoảng 3,5 tỉ năm trước. Oxy tự do xuất hiện đầu tiên với một lượng lớn trong suốt đại cổ sinh (giữa 3,0 và 2,3 tỉ năm trước). Trong 1 tỷ năm đầu, bất kỳ dạng oxy tự do được sinh ra từ các sinh vật này đã kết hợp với sắt hòa tan trong các đại dương để hình thành nên các tầng sắt tạo dãy. Khi ôxy này chìm xuống trở nên bảo hòa, ôxy tự do bắt đầu thoát ra ở dạng khí từ các đại dương cách đây 2,7 tỉ năm, đạt đến 10% với mức như hiện nay vào khoảng 1,7 tỉ năm trước.

Sự có mặt của một lượng lớn ôxy hòa tan và ôxy tự do trong các đại dương và trong khí quyển có thể đã thúc đẩy các sinh vật yếm khí đang sống đến bờ vực tuyệt chủng trong suốt thảm họa Ôxy cách nay khoảng 2,4 tỉ năm. Tuy nhiên, việc hô hấp của tế bào sử dụng oxy cho phép các sinh vật hiếu khí tạo ra nhiều phân tử mang năng lượng ATP hơn sinh vật yếm khí, giúp cho sinh vật hiếu khí chiếm phần lớn trong sinh quyển Trái Đất.

Từ khi bắt đầu kỷ Cambri cách nay 540 triệu năm, hàm oxy dao động trong khoảng 15% và 30% theo thể tích. Càng về cuối kỷ Cacbon (300 triệu năm trước) mức oxy khí quyển đạt đến giá trị lớn nhất chiếm 35% thể tích, điều này đã góp phần làm cho côn trùng và lưỡng cư có kích thước lớn vào thời điểm đó. Hoạt động của con người như đốt 7 tỉ tấn nhiên liệu hóa thạch mỗi năm đã có ảnh hưởng rất ít đến hàm lượng ôxy tự do trong khí quyển. Với tốc độ quang hợp hiện nay, có thể sẽ mất khoảng 2.000 năm để tạo ra toàn bộ oxy trong khí quyển hiện tại.

Tham khảo ScientificAmerican, LiveScience