Trái Đất nóng thế nào khi sự sống mới được hình thành? – VnReview

Nhiệt độ bề mặt Trái Đất như thế nào trong 4 tỉ năm đầu tiên sau khi hình thành là điều chúng ta chưa biết rõ. Ý tưởng này đã gợi cảm hứng cho các nghiên cứu về nguồn gốc sự sống trên Trái Đất, cũng như cách sự sống phát sinh ở những thế giới xa xôi khác.

 

 

Trong một nghiên cứu xuất bản trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences gần đây, các nhà khoa học cho rằng họ có thể ước tính nhiệt độ trên Trái Đất khi các sinh vật sống đã tiến hóa cách đây hàng tỉ năm bằng cách phục hồi lại các enzyme cổ.

“Chúng ta cần hiểu biết nhiều hơn về những cách thức tiến hóa của sự sống đầu tiên trên Trái Đất. Cách đồng tiến hóa của sự sống cùng môi trường Trái Đất qua hàng tỉ năm lịch sử địa chất”, Phys dẫn lại lời tác giả chính của nghiên cứu, nhà cổ sinh vật học Amanda Garcia thuộc trường đại học California (Mỹ). “Chắc chắn là một sự đồng tiến hóa tương tự cũng chính là cách sự sống hình thành ở bất cứ nơi nào khác trong Vũ trụ”, Garcia bổ sung. Trọng tâm trong nghiên cứu này là lịch sử nhiệt độ bề mặt Trái Đất.

Lịch sử nhiệt độ bề mặt Trái Đất

Trong Liên đại Hiển sinh (Phanaerozoic hay Phanerozoic Era) trải dài 550 triệu năm qua đã có nhiều manh mối về nhiệt độ giảm dần. Các “nhiệt kế” cổ đại đã có mặt từ thời tiền Cambri trước đó, là thời kỳ Trái Đất mới hình thành và bắt đầu phát sinh sự sống cách đây 4,6 tỉ năm.

Cụ thể, các bằng chứng địa chất sớm hơn đã cho thấy trong liên đại Thái cổ (Archean hay còn gọi là Vô sinh-Azoic), nhiệt độ của đại dương khoảng từ 55-85º C, rồi nhanh chóng nguội dần tới mức nhiệt độ trung bình hiện nay là 15º C. Các ước tính này là kết quả khảo sát các đồng vị silicon và oxy trong các lớp đá biển. Khi nước biển lạnh hơn, các đồng vị có mức độ nặng hơn oxy-18 và silicon-30 trong các lớp đá giàu thạch anh ở thềm nước biển (còn được gọi là đá phiến xilic) sẽ có tỉ lệ cao hơn hẳn.

Liên đại Hiển sinh là thời kỳ địa chất mà sự sống động vật phong phú bao gồm cả loài người đã tồn tại, bắt đầu từ khi các động vật vỏ cứng đa dạng xuất hiện lần đầu tiên cách đây 550 triệu năm và vẫn tiếp tục cho đến hôm nay.

 

Ảnh minh họa Trái Đất cách đây 3 tỉ năm trong liên đại Thái cổ sớm (bên trái) và các lục địa nguyên thủy giàu magne trước khi kiến tạo mảng hình thành (bên phải) (Ảnh: Phys.org)

Về nguyên tắc, chúng ta có thể xác định nhiệt độ cổ dựa trên tỉ lệ giữa các đồng vị oxy và silicon cao hơn so với các đồng vị oxy và silicon thấp hơn. Nhưng các nhiệt kế cổ đại kiểu này lại không xem xét đầy đủ cách thức mà các lớp đá này hoặc đại dương thay đổi trong hàng tỉ năm qua. Có thể trong thời gian đó, tỉ lệ đồng vị trong nước biển đã thay đổi trước các chuyển đổi hóa học và vật lý như nước chảy ra khỏi đất liền hoặc nước chảy ra khỏi các lỗ thông thủy nhiệt.

Phương pháp đo lường dựa trên phân tử sinh học

Không dựa trên các giả định chưa chắc chắn, nhóm của Garcia đã sử dụng một cách đo nhiệt độ nước biển độc lập trong thời tiền Cambri tập trung vào hành vi của các phân tử sinh học. Phương pháp này dựa trên việc khảo sát một loại enzyme đảm nhận nhiều vai trò, trong đó có việc xúc tác các khối xây dựng DNA và RNA. Enzyme mang tên nucleoside diphosphate kinase (NDK) này có nhiều phiên bản trong hầu hết mọi sinh vật sống. NDK cũng có thể chính là enzyme giữ vai trò sống còn trong nhiều sinh vật sống đã tuyệt chủng vì trước đó đã có nghiên cứu cho thấy tương quan giữa nhiệt độ tối ưu của sự ổn định protein và sự tăng trưởng của một sinh vật sống.

Bằng cách so sánh trật tự phân tử trong các phiên bản NDK ở nhiều loài hiện đại, các nhà nghiên cứu đã tái xây dựng các phiên bản NDK đã có mặt trong các tổ tiên chung trước đây. Sau khi tổng hợp các phiên bản tái cấu trúc được “hồi sinh” này, qua kiểm chứng thực nghiệm, họ tìm ra nhiệt độ ổn định các protein và từ đó suy ra nhiệt độ hỗ trợ các sinh vật sống cổ đại.

Bằng cách nhìn vào những họ hàng sống gần nhất của sinh vật chủ, các nhà khoa học ước tính được thời điểm các enzyme cổ đã từng tồn tại. Số điểm khác biệt trong trình tự gen của các họ hàng này càng lớn thì tổ tiên chung gần nhất của chúng càng cách xa chúng. Các khác biệt này sẽ giúp đánh giá độ tuổi của các phân tử sinh học như các NDK tái cấu trúc.

Trong các nghiên cứu trước đây, các enzyme cổ tái kết cấu cũng đã được dùng để suy ra nhiệt độ quá khứ nhưng vì các enzyme này đến từ các sinh vật trong những môi trường nóng bất thường như các lỗ thông thủy nhiệt dưới đáy biển nên không thể xem là một mẫu đại diện tốt cho cả đại dương mênh mông.

Để khắc phục nhược điểm trên, Garcia và nhóm của mình đã chọn tái cấu trúc NDK từ các cây trồng trên cạn và các vi khuẩn tổng hợp nguyên thủy sống trong các tầng đại dương cao hơn mà ánh nắng mặt trời có thể chiếu tới, xa khỏi các suối nước nóng.

Ảnh: Các rặng đá chứa vi khuẩn stromatolites có độ tuổi 3,7 tỉ năm là một mẫu được nhóm Garcia dùng để tái cấu trúc NDK (Ảnh: Pamela Reid)

Kết quả của nhóm Garcia cho biết bề mặt Trái Đất đã nguội dần từ 75º C vào 3 tỉ năm trước còn 35º C vào 420 triệu năm trước. Các kết quả này cũng nhất quán với những kết quả địa chất và dùng enzyme trước đó.

Việc đo lường mức độ nguội đi này không dễ dàng vì khi hình dung cách thức tiến hóa của sự sống theo thời gian, các nhà khoa học cần phải biết về các điều kiện khác nhau trong quá khứ. “Trong tương lai, để giải quyết các câu hỏi lớn về tiến hóa ban đầu của sự sống và môi trường trên Trái Đất, các nghiên cứu kế tiếp có thể tái xây dựng các NDK từ nhiều sinh vật hơn cũng như từ các enzyme khác để có thêm bằng chứng củng cố phương pháp này”, Garcia kết luận.

Lỗ thông thủy nhiệt

Lỗ thông thủy nhiệt hay miệng phun thủy nhiệt (hydrothermal vent) là một vết nứt trên bề mặt của một hành tinh làm phun trào nước được hâm nóng do địa nhiệt. Lỗ thông thủy nhiệt được tìm thấy gần những nơi núi lửa hoạt động tích cực, các khu vực mà mảng kiến tạo đang di chuyển ra xa nhau ở các hệ thống núi ngầm dưới đại dương, vùng trũng đại dương và các điểm nóng.

Vì Trái Đất hoạt động địa chất tích cực, có một lượng nước lớn trên bề mặt và bên trong lớp vỏ nên lỗ thông thủy nhiệt khá phổ biến.

Các dạng lỗ thông thủy nhiệt thường thấy trên cạn gồm có suối nước nóng (scorching spring), hồ nước nóng (geyser) và miệng hơi khói (fumarole).

Một miệng hơi khói tại khu vực địa nhiệt Námatjall gần hồ Mývatn ở Iceland (Ảnh: Wikipedia)

Dưới biển sâu, các miệng phun thủy nhiệt sẽ tạo thành các cấu trúc dạng ống khói như ống khói đen (black smoker) từ các mỏ sắt sulfide hay ống khói trắng (white people who smoke) từ các mỏ barium, calci, silicon.

Một ống khói đen dưới biển đang phát ra các tia dung dịch phân tử nặng (particle-laden fluid). Ảnh của NOAA.

 

Trần Huyền Linh

(Tổng hợp)