Tìm hiểu đời sống vi sinh cổ đại trên Trái đất qua suối nước nóng
Trái đất không phải luôn là thế giới xanh màu biển cả và rừng rậm như chúng ta biết ngày nay. Thuở sơ khai, nồng độ oxy trên Trái đất thấp hơn khoảng một triệu lần so với hiện tại. Rừng cây và động vật chưa xuất hiện. Với các sinh vật cổ đại, oxy là thứ độc hại. Vậy hồi đó, sự sống nơi đây có hình thái như nào?
Nghiên cứu sinh Fatima Li-Hau và người hướng dẫn là phó giáo sư Shawn McGlynn tại Viện Khoa học Sự sống Trái đất thuộc Viện Khoa học Tokyo (Nhật Bản) đã tìm hiểu câu hỏi này bằng cách nghiên cứu các suối nước nóng giàu chất sắt, mô phỏng tính chất hóa học của đại dương cổ đại vào thời điểm diễn ra một trong những biến động mạnh mẽ nhất của Trái đất: quá trình oxy hóa khí quyển.
Phát hiện được đăng trên tạp chí Microbes and Environments, cho thấy quần thể vi sinh vật sơ khai đã dùng sắt, cùng với oxy do vi khuẩn quang hợp giải phóng, để tạo ra năng lượng. Điều này cho thấy một hệ sinh thái chuyển tiếp, nơi sự sống biến phụ phẩm của một sinh vật thành nguồn năng lượng mới, trước khi quá trình quang hợp trở thành chủ đạo.
Sự kiện đại oxy hóa (GOE) xảy ra khoảng 2,3 tỷ năm trước, đánh dấu lượng oxy trong khí quyển tăng vọt. Nhiều khả năng, nguyên nhân của sự kiện này là do vi khuẩn lục lam sử dụng ánh nắng để tách nước, sau đó chuyển hóa carbonic thành oxy qua quá trình quang hợp.
GOE đã thay đổi căn bản quỹ đạo sống của Trái đất. Lượng oxy cao cho phép động vật hít thở, nhưng cũng gây khó khăn cho các dạng sống cổ đại vốn đa phần chưa từng xử lý phân tử O2. Làm sao những vi sinh vật cổ xưa này thích ứng với sự tồn tại của oxy vẫn là một câu hỏi lớn.
Để tìm ra đáp án, nhóm nghiên cứu tìm hiểu năm suối nước nóng ở Nhật Bản, vốn có nhiều loại chất hóa học đa dạng. Năm suối nước nóng này (một ở Tokyo, mỗi tỉnh Akita và tỉnh Aomori đều có hai) đều giàu sắt hóa trị II (Fe2+). Loại sắt này vô cùng hiếm thấy trong thế giới giàu oxy hiện nay, bởi vì Fe2+ nhanh chóng phản ứng với oxy và biến thành dạng sắt hóa trị III không hòa tan (Fe3+).
Tuy nhiên, các suối nước nóng này lại chứa hàm lượng Fe2+ cao, lượng oxy thấp, độ pH gần trung tính – những điều kiện được cho là tương tự một số đại dương trên Trái đất thuở sơ khai.
Trong 4/5 suối nước nóng, nhóm phát hiện vi khuẩn oxy hóa sắt vi hiếu khí là quần thể chủ đạo. Những sinh vật này phát triển mạnh trong điều kiện ít oxy và dùng Fe2+ làm nguồn năng lượng, chuyển hóa nó thành Fe3+.
Vi khuẩn lam, sản xuất oxy qua quang hợp, cũng tồn tại với số lượng tương đối nhỏ. Ngoại lệ duy nhất là một suối nước nóng ở tỉnh Akita, nơi các quá trình chuyển hóa không dùng sắt lại chiếm ưu thế.
Bằng phân tích đa hệ gene (metagenomic), nhóm tập hợp hơn 200 bộ gene vi sinh vật chất lượng cao và dùng chúng để phân tích chi tiết chức năng của vi sinh vật trong quần thể.
Chính những vi sinh vật kết hợp quá trình chuyển hóa sắt và oxy đã biến một hợp chất độc hại thành nguồn năng lượng, giúp duy trì các điều kiện cho phép sinh vật kỵ khí nhạy cảm với oxy tồn tại.
Những quần thể này thực hiện các quá trình sinh học thiết yếu như chu trình chuyển hóa oxy và nitơ. Ngoài ra còn xuất hiện bằng chứng về một phần của chu trình lưu huỳnh, xác định những gene tham gia vào quá trình oxy hóa sulfide và đồng hóa sulfate. Xét tới thực tế suối nước nóng chứa rất ít hợp chất lưu huỳnh thì đây là một khám phá đáng kinh ngạc.
Các nhà nghiên cứu cho rằng điều này có thể chỉ ra một chu trình lưu huỳnh “bí ẩn”, trong đó các vi khuẩn tái chế lưu huỳnh theo những cách phức tạp mà chúng ta chưa hiểu đầy đủ.
Nghiên cứu này thay đổi hiểu biết của chúng ta về các hệ sinh thái sơ khai, cho thấy các vi sinh vật có thể đã khai thác năng lượng từ quá trình oxy hóa sắt và oxy do sinh vật quang dưỡng sơ khai sản xuất. Và tương tự như những suối nước nóng này, các hệ sinh thái ban đầu hình thành từ nhiều loại vi sinh vật khác nhau, gồm vi khuẩn oxy hóa sắt, vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn lam sống cùng nhau và điều chỉnh nồng độ oxy.□
Phương Anh lược dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2025-09-hot-japan-insight-ancient-microbial.html
Bài đăng Tia Sáng số 19/2025
