Tảng đá lại có thể lớn lên? “Đá sống” ở Nam Phi phát triển bất kể ngày đêm

Trên đường bờ biển phía đông nam Nam Phi, một dạng sống khiêm tốn đang dần thay đổi cách con người hiểu về sự vận hành của chu trình carbon ven biển. Những cấu trúc được gọi là “đá vi sinh” (microbialite) này, đôi khi còn được miêu tả là “đá sống”, được cấu thành từ các quần xã sinh vật cực nhỏ. Chúng có khả năng liên tục lắng đọng khoáng chất trong môi trường tự nhiên và dần dần hình thành các lớp đá. Nghiên cứu mới nhất cho thấy những hệ thống sự sống cổ đại này không chỉ vẫn đang hoạt động mà còn có thể hấp thụ carbon dioxide (CO2) với hiệu suất đáng kinh ngạc và chuyển hóa chúng thành đá cứng.

Theo “Tạp chí Quốc phòng Ấn Độ” (Indian Defence Review) đưa tin, nghiên cứu này do nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Khoa học Đại dương Bigelow của Mỹ và Đại học Rhodes của Nam Phi chủ đạo, kết quả đã được công bố trên tạp chí “Nature Communications” (Tự nhiên Truyền thông). Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng hệ thống đá vi sinh dọc theo bờ biển Nam Phi có khả năng duy trì sự phát triển và quá trình khoáng hóa hoạt động mạnh mẽ trong môi trường cực kỳ biến động, đồng thời thể hiện khả năng lưu trữ carbon vượt xa nhận thức trước đây.

Từ lâu, trong nhiều nghiên cứu, đá vi sinh thường được coi là tàn tích của các thời kỳ địa chất cổ đại và được cho là có vai trò hạn chế trong môi trường ven biển hiện đại. Tuy nhiên, các cuộc khảo sát tại nhiều địa điểm dọc bờ biển đông nam Nam Phi cho thấy, những vi sinh vật phân bố ở vùng bãi triều và các khu vực nước ngọt rỉ ra từ cồn cát vẫn đang rất hoạt động, liên tục hình thành nên các cấu trúc khoáng chất mới. Khác với rừng hay đầm lầy lưu trữ carbon thông qua chất hữu cơ, đá vi sinh áp dụng một phương thức khác: chúng cố định carbon thành khoáng chất, cuối cùng kết tủa thành các lớp đá canxi cacbonat. Nghiên cứu cho thấy, mỗi mét vuông đá vi sinh có thể hấp thụ khoảng 9 đến 16 kg CO2 mỗi năm. Nếu quy đổi theo diện tích, một hệ thống đá vi sinh có kích thước bằng một sân tennis có thể hấp thụ lượng CO2 mỗi năm tương đương với khoảng ba mẫu Anh rừng.

Điều khiến các nhà nghiên cứu ngạc nhiên hơn nữa là quá trình hấp thụ carbon này không chỉ diễn ra vào ban ngày. Quan điểm truyền thống cho rằng, vi sinh vật chủ yếu cố định carbon thông qua quá trình quang hợp, do đó hoạt động của chúng chủ yếu liên quan đến ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, qua nhiều lần đo lường, nhóm nghiên cứu phát hiện ra lượng carbon hấp thụ vào ban đêm cũng xấp xỉ ban ngày, thậm chí trong một số trường hợp còn cao hơn. Tại một điểm nghiên cứu (OV745) ở Mũi St. Francis, Nam Phi, lượng carbon hấp thụ trung bình đo được vào ban ngày là khoảng 4,75 gram/mét vuông, trong khi ban đêm có thể lên tới mức cao nhất là 6,70 gram/mét vuông. Thông qua phân tích đồng vị bền và trình tự gen, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng ngoài việc sử dụng quang hợp, những vi sinh vật này còn có thể cố định carbon thông qua các con đường trao đổi chất không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, chẳng hạn như quá trình hóa tự dưỡng tương tự như trong hệ sinh thái miệng phun thủy nhiệt dưới biển sâu.

Trong những thảm vi sinh vật này, các vi sinh vật chiếm ưu thế sử dụng nhiều loại enzyme và con đường sinh hóa để trực tiếp xử lý lượng carbon vô cơ hòa tan trong nước, từng bước chuyển hóa chúng thành khoáng chất rắn. Sự lắng đọng khoáng chất này cuối cùng tạo thành canxi cacbonat, chủ yếu ở dạng canxit. Phân tích nhiễu xạ tia X đã xác nhận canxit là một trong những dạng khoáng chất ổn định nhất trong những tảng đá vi sinh này, qua đó giúp lưu trữ carbon trong các lớp đá trong một thời gian dài.

Nhóm nghiên cứu đã đo lường tại các địa điểm như Mũi Recife và Schoenmakerskop và nhận thấy những khối đá vi sinh này có thể phát triển hướng lên trên khoảng 13 đến 23 mm mỗi năm. Dưới một nguồn carbon ổn định, chúng sẽ liên tục lắng đọng các lớp đá mới, dần dần hình thành các cấu trúc dày và rắn chắc. Tại khu vực nghiên cứu ở Mũi St. Francis, các nhà khoa học ước tính mỗi mét vuông mỗi năm có thể lắng đọng một lượng khoáng chất tương đương từ 20,3 đến 36,2 kg canxit, và lượng carbon trong các khoáng chất này đến từ CO2 do vi sinh vật thu thập được. Phân tích gen cho thấy thảm vi sinh vật rất giàu các cơ chế sinh hóa liên quan đến quá trình khoáng hóa, có thể giúp điều chỉnh độ pH của môi trường xung quanh, từ đó thúc đẩy sự kết tủa của canxi cacbonat. Những quá trình hóa sinh phức tạp này cho phép quần xã vi sinh vật chuyển hóa một cách ổn định carbon trong nước thành khoáng chất rắn.

Một hiện tượng đáng chú ý khác là môi trường phát triển của những đá vi sinh này cực kỳ khắc nghiệt. Các khu vực nghiên cứu chủ yếu nằm ở những nơi nước ngọt từ cồn cát rỉ ra và chảy vào vùng bãi triều; những khu vực này có lúc bị nước biển bao phủ, có lúc lại khô cạn hoàn toàn, và có thể nằm trong trạng thái khô hạn trong một thời gian dài trước khi hút nước trở lại. Tác giả chính của nghiên cứu, Rachel Sipler, chỉ ra rằng những hệ sinh thái này sống trong môi trường cực đoan và biến đổi mạnh mẽ. Đôi khi chỉ trong một ngày, chúng có thể chuyển từ trạng thái khô hạn sang trạng thái được nước cấp ẩm trở lại, nhưng quần xã vi sinh vật vẫn có thể nhanh chóng khôi phục hoạt động và tiếp tục phát triển.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra ở các điểm lấy mẫu khác nhau rằng, mặc dù thành phần dinh dưỡng, độ pH và tốc độ dòng nước ở mỗi nơi là khác nhau, nhưng chức năng và sự đa dạng của các quần xã vi sinh vật lại rất giống nhau. Các nhà khoa học đã phát hiện tổng cộng 44 ngành vi khuẩn, trong đó vi khuẩn lam (cyanobacteria) chiếm ưu thế trong hầu hết các mẫu. Ngay cả khi có sự khác biệt rõ rệt về nồng độ chất dinh dưỡng, tốc độ sinh trưởng của đá vi sinh vẫn xấp xỉ nhau. Kết quả này cho thấy chìa khóa vận hành của các cấu trúc sinh học này có thể phụ thuộc nhiều hơn vào khả năng thực hiện chức năng của chính các vi sinh vật, chứ không phải vào sự đồng nhất của các điều kiện môi trường.

Nhóm nghiên cứu cho biết, những gì họ quan sát được không phải là những di tích địa chất cổ đại đang chìm vào tĩnh lặng, mà là một quần xã vi sinh vật vẫn đang hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, liên tục kiến tạo nên các lớp đá. Tại vùng bãi triều trên bờ biển Nam Phi, những quần xã vi sinh vật khó nhìn thấy bằng mắt thường này đang hoạt động ngày đêm, biến carbon trong nước thành những khối đá cứng. Chúng vừa là sự nối tiếp của một dạng sống cổ đại, vừa là một kỳ quan thiên nhiên đang liên tục vận hành trong hệ sinh thái ven bờ.

Nghiên cứu liên quan đã được công bố trên tạp chí “Nature Communications” (Tự nhiên Truyền thông).

Theo Vision Times