Các vi sinh vật cổ hình thành đá Stromatolite 34 triệu năm tuổi

Đá stromatolite là cấu trúc đá trầm tích cổ dạng đỉnh tròn hay hình trụ được hình thành tầng tầng lớp lớp ở những vùng nước nông qua quá trình biến đổi địa chất lâu dài. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đến từ Viện Công nghệ California (Caltech) và Phòng thí nghiệm chuyển động phản lực (JPL) đã cung cấp những bằng chứng cho thấy một số đá stromatolite cổ nhất trên Trái đất được hình thành nhờ các quần thể vi sinh vật ở cùng niên đại. Đây là một phát hiện “làm tăng thêm vốn hiểu biết của chúng ta về dạng sống đầu tiên trên Trái đất,” theo lời nhà sinh vật học vũ trụ Abigail Allwood của JPL.

Kết quả nghiên cứu công bố trên số mới nhất tờ Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) cũng đưa ra một thành tựu mới trong công cuộc tìm kiếm những dấu hiệu của sự sống trên sao Hỏa.“Đá stromatolite hình thành bằng cách tích tụ các cặn xung quanh một hạt nhân ở vùng nước nông,” theo lời John Grotzinger, giáo sư địa chất tại Viện Caltech. “Ban đầu chúng có dạng lớp uốn sóng, qua thời gian, những sóng này chia tách ra thành các khối trụ riêng biệt phát triển cao dần lên.”

Các nhà địa chất từ lâu đã biết rằng phần lớn đá stromatolite cổ niên đại nửa triệu năm mà họ nghiên cứu có nguồn gốc sinh học; chúng được hình thành với sự tác động của các lớp vi sinh vật phát triển ở một tầng mỏng dưới đáy đại dương.

Quá trình hình thành diễn ra thế nào? Bề mặt của các vi sinh vật được bao phủ bởi một lớp chất nhầy để “bẫy” các hạt cặn trôi qua. Thêm vào đó, các vi sinh vật cũng mọc lên những sợi dây tơ “chộp” lấy những hạt này khi chúng đi qua.

“Kết quả là, dù cho những vi sinh vật này ở vị trí nào dưới lòng đại dương đi nữa, thì các hạt cặn sẽ đều bị mắc vào,” Grotzinger nói.

Do vậy người ta đi đến nhất trí rằng dải sẫm màu trên mỗi khối đá stromatolite chính là lớp vật chất hữu cơ tồn tại khi xưa: “Đó là dấu vết còn lại nơi xưa kia từng tồn tại các “lưới” giăng cặn.”
Nhưng nếu nhìn lại thời điểm đầu kỉ Archean cách đây 3,45 triệu năm trong lịch sử địa chất thì mọi thứ lại có vẻ không đơn giản như vậy.

“Bởi vì thời kì này đá stromatolite đã hình thành, trong khi quá trình địa chất vẫn tiếp tục hoạt động,” Grotzinger nói. Những khối đá stromatolite ngày càng bị đẩy sâu hơn về phía trung tâm Trái đất, và chúng chịu tác động của luồng nhiệt ngày một tăng. Đây là một khó khăn khi tìm hiểu nguồn gốc hữu cơ của đá stromatolite, vì nhiệt làm biến đổi, thậm chí phân rã các vật chất hữu cơ. “Các hydrocarbon biến mất,” ông nói. “Vật chát còn lại duy nhất chỉ còn là carbon.”

Đó là lí do vì sao giới địa chất vẫn tiếp tục tranh luận quanh câu hỏi: liệu cacbon tìm thấy trong những khối đá cổ này có phải là dấu hiệu của sự sống hay không.

Có thể dễ dàng chứng minh được rằng ở những khối đá trẻ hơn sự sống có tồn tại – chỉ cần lấy ra các vật chất hữu cơ trong đó, và chứng minh được rằng nó có nguồn gốc từ các vi sinh vật. Nhưng phương pháp đơn giản này lại không thể áp dụng trong phân tích các khối đá stromatolite cổ. “Khi đá đã già và chịu nhiều tác động của nhiệt cũng như lực cơ học,” Grotzinger cho biết, “cái mà bạn cần xem xét là kết cấu và hình thái của nó.”

Đây là hình ảnh bề mặt cổ rất hiếm gặp của đá stromatolite hình nón ở tầng nông của dải đá ngầm. (Ảnh: Abigail Allwood)

Và đó chính là điều mà Allwood và Grotzinger đã làm với các mẫu thu thập được ở Strelley Pool, miền Tây nước Úc. Những mẫu này, theo Grotzinger, “được bảo vệ tốt một cách khó tin.” Các đường sẫm màu, dấu vết của vật chất hữu cơ có đặc điểm giống như ở đá trẻ. Điều này rất khó giải thích nếu không dựa vào cơ chế sinh học.”

“Chúng tôi đã biết ngay từ khi bắt tay vào nghiên cứu rằng đây một tập hợp đá tromatolite gần như chắc chắn hình thành bởi các vi sinh vật đầu kỷ Archean,” Allwood cho biết thêm, “nhưng chưa có những bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại xưa kia của vi sinh vật. Không có hóa thạch vi sinh vật, không có vật chất hữu cơ hay thậm chí dù chỉ một chút dấu vết xác nhận cấu trúc vi sinh như thường thấy ở các loại đá trầm tích hình thành từ vi sinh vật.”

Do đó Allwood cố gắng tìm ra những dạng bằng chứng khác để kiểm nghiệm giả thuyết sinh học, bằng cách nghiên cứu cái mà bà gọi là “kết cấu quy mô siêu nhỏ, những dạng cấu trúc khác nhau trong đá stromatolite và – quan trọng là – những lớp hữu cơ trông giống như dấu vết hóa thạch thực sự của các lưới vi sinh vật bên trong khối đá.”

Những gì mà bà thấy là “các lớp vật chất hữu cơ riêng rẽ, dạng lưới chạy quanh khối đá từ cạnh này tới cạnh khác.” Bà cũng phát hiện những mảnh lưới vi sinh hợp thành các lớp trầm tích rõ nét, điều này bác bỏ ý kiến trước đó cho rằng vật chất hữu cơ chỉ mới xâm nhập vào bên trong khối đá gần đây, chứ không phải là những cặn lắng tồn tại ngay từ đầu khi hình thành đá. “Thêm vào đó,” Allwood lưu ý, “quang phổ Raman cho thấy chất hữu cơ đã được đưa vào ở cùng nhiệt độ với khối đá chính, điều này một lần nữa khẳng định hữu cơ không phải là chất mới được đưa vào khối đá sau này.”

Allwood cho biết bà, Grotzinger cùng các đồng nghiệp đã thu thập đủ bằng chứng để có thể chắc chắn rằng những khối đá stromatolite này có nguồn gốc sinh học. “Tôi dám chắc khi càng đào sâu vào bên trong những khối đá này sẽ càng tìm được thêm nhiều bằng chứng về sự sống đầu kì Archean và những hệ sinh thái sơ khai trên Trái đất.”

Đây quả là điều không dễ dàng, vì rất khó khăn để chứng minh rằng sự sống đã tồn tại lâu như vậy trong các dữ liệu địa chất. “Tới nay ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy có sự sống tồn tại ở thời kì đó, nhưng chỉ là các bằng chứng gián tiếp. Bằng chứng trực tiếp về vi sinh vật ở quy mô siêu nhỏ vẫn rất hiếm do các khối đá không được bảo vệ tốt qua thời gian,” Allwoold cho biết. “Tôi cho rằng hầu hết mọi người đều nghĩ những khối đá hình thành từ đầu kỷ Archean đều không được bảo quản đủ tốt để tiết lộ những thông tin về nguồn gốc hữu cơ của chúng.”

Kết quả phát hiện được không chỉ dừng lại ở thông tin về sự sống trên Trái đất.

Một trong những điều giúp tôi hiểu được đá stromatolite,” Allwood tiết lộ, “là tôi hiểu rằng nếu những quần thể vi sinh vật từng phát triển thịnh vượng ở sao Thổ, thì đá stromatolite và các đá ngầm vi sinh vật là những dạng dễ khám phá nhất trong số tất cả những vết tích còn lại. Hơn nữa, chúng đặc biệt có nhiều khả năng được hình thành trong điều kiện dễ bay hơi và lắng đọng khoáng. Nhưng để diễn giải thành công cấu trúc đá stromatolite, chúng ta cần có thêm hiểu biết chi tiết về sự hình thành của chúng.”

Viện Agouron tài trợ kinh phí một phần cho nghiên cứu nói trên; và Allwood được hỗ trợ bởi chương trình đào tạo sau tiến sĩ của NASA.

Journal reference:
1. Allwood et al. Inaugural Article: Controls on development and diversity of Early Archean stromatolites. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009; 106 (24): 9548 DOI: 10.1073/pnas.0903323106