Nguốc gốc sự bùng nổ sự sống trên Trái Đất

Lịch sử 4,5 tỷ năm của Trái Đất bao gồm rất nhiều những bước ngoặt khi nhiệt độ thay đổi một cách nhanh chóng, thiên thạch “oanh tạc” hành tinh và các dạng sống xuất hiện và biến mất. Tuy nhiên, một trong những thời khắc quan trọng nhất trong cuộc đời của Trái Đất là sự bùng nổ sự sống kỷ Cambri, khoảng 540 triệu năm trước, khi những dạng sống phức tạp và đa bào xuất hiện trên khắp hành tinh.

Mặc dù các nhà khoa học chỉ rõ giai đoạn quan trọng này là sự mở đầu của sự sống ngày nay, họ vẫn không hoàn toàn hiểu rõ điều gì đã dẫn đến sự bùng nổ sự sống kỷ Cambri. Các nhà nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của nhà địa lý học L. Paul Knauth thuộc Đại học bang Arizona tin rằng họ đã phát hiện ra điều khởi đầu cho sự bùng nổ kỷ Cambri.

Đó là sự làm xanh hành tinh trên diện rộng của thực vật không có mạch, hoặc những loài thực vật bò trên mặt đất cổ đại. Giai đoạn này, khoảng 700 triệu năm trước, đã chuẩn bị sẵn những điều cần thiết cho sự bùng nổ sự sống sau đó qua việc phát triển đất, cô lập cácbon, dẫn đến sự làm đầy ôxy và cho phép các dạng sống cao hơn phát triển.

Knauth và đồng tác giả Martin Kenedy, thuộc Đại học California, Riverside, báo cáo phát hiện của mình trên tạp chí Nature. Bài báo của họ đưa ra một cách nhìn khác về dữ liệu đã được công bố về hàng nhìn những phép phân tích đồng vị cácbon được phát hiện trong đá vôi hình thành trong thời Đại Tây Nguyên Sinh, khoảng thời gian trước sự bùng nổ kỷ Cambri.

Knauth, giáo sư tại Trường thám hiểm Trái Đất và không gian thuộc Đại học bang Arizona, cho biết: “Một quá trình làm xanh bùng nổ và chưa hề được biết đến trước đây đã xuất hiện cuồi thời kỳ tiền Cambri và là một kích thích quan trọng đối với sự bùng nổ sự sống kỷ Cambri”.

Ông thêm vào: “Trong giai đoạn này, các sinh vật quang hợp trở nên phổ biến trên Trái Đất. Quá trình làm xanh là yếu tố chìa khóa trong việc biến thế giới tiền Cambri – với đặc trưng nồng độ oxy thấp, những dạng sống vi khuẩn vượt trội – thành một thế giới chúng ta có ngày nay với oxy dồi dào và nhưng dạng sống động vật và thực vật cao cấp hơn”.

Các lớp cácbonat giữ bằng chứng đồng vị cácbon của sự sống cuối thời kỳ tiền Cambri trên Trái Đất. Những mẫu vật này nằm tại dãy núi Old Dad tại California. (Ảnh: L.P. Knauth, Đại học bang Arizona)

Để hiểu rõ điều gì đã xảy ra trên Trái Đất trong khoảng thời gian lâu như vậy trong quá khứ, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra thành phần đồng vị của đá vôi hình thành trong giai đoạn này. Các nhà khoa học khác từ lâu đã nghiên cứu loại đá này, nhưng họ chỉ tập trung vào đồng vị cácbon trong đá vôi Đại Tân Nguyên Sinh.

Kanuth và Kennedy nhìn vào bức tranh rộng hơn.

Knauth cho biết: “Có 3 nguyên tử oxy cho mỗi nguyên tử cácbon trong đá vôi. Chúng tôi xem xét cả đồng vị oxy, điều này cho phép chúng tôi nhận biết dấu hiệu đồng vị cácbon khác thường, trước đây được hiểu như thảm họa, luôn liên quan đến sự xâm lấn của nước ngầm bờ biển trong quá trình chuyển hóa của bùn đá vôi thành đá. Điều này tương tự như những gì chúng ta quan sát thấy ở sự hình thành đá vôi ngày nay”.

Thế giới mới

Qua việc tập trung tất cả các đo đạc được công bố trước đây và cẩn thận lập biểu đồ so sánh dữ liệu đồng vị cácbon và dữ liệu đồng vị oxy, theo Knauth quá trình này kéo dài 3 năm, các nhà nghiên cứu đã thiết lập nên một tình huống khác dẫn đến sự sống phức tạp trên Trái Đất. Không phải là một thế giới trải qua những giai đoạn thảm họa làm thay đổi sự sống, mà các nhà nghiên cứu bắt đầu nhìn thấy một thế giới đầu tiên đuợc làm xanh bởi những thực vật cổ đại.

Knauth giải thích: “Quá trình làm xanh của Trái Đất khiến đất cô lập cácbon và cho phép oxy lấp đầy khí quyển và hòa vào nước biển. Những động vật đầu tiên có thể là những động vật hít thở oxy vì chúng đã mở rộng qua khắp các đại dương trong thế giới mới”.

Yếu tố chìa khóa trong tình huống này không phải là những gì các nhà nghiên cứu tìm thấy trong dữ liệu, mà chính là điều còn thiếu. Khi họ dựng biểu đồ dữ liệu của nhiều khu vực họ nhận thấy một khu vực trong biểu đồ chứa rất ít hoặc không chứa dữ liệu. Họ gọi khu vực này là “vùng cấm”.

“Nếu dữ liệu đồng vị cácbon là chính xác, sẽ không có bất cứ vùng cấm nào trên biểu đồ,” Knauth cho biết. “Vùng cấm này sẽ chứa đầy dữ liệu Đại Tân Nguyên Sinh”.

Ông nói tiếp: “Những khu vực này cho thấy chỉ dấu đồng vị trong đá vôi chúng ta thấy ngày nay bắt đầu vào cuối thời kỳ tiền Cambri và có thể có sự tham gia của nước mưa rơi vào những khu vực thực vật phát triển, rỉ vào mạch nước ngầm và trộn lẫn với trầm tích trong biển. Trong thời gian mực nước biển giảm, những khu vực pha trộn này được luân chuyển đến những vùng địa lý rộng lớn của những lục địa chìm trong nước trong Đại Tân Nguyên Sinh và những khu vực đá vôi rộng lớn có thể hình thành”.

Tất cả những điều này chỉ đến sự kích thích môi trường cho quá trình bùng nổ sự sống kỷ Cambri.

Knauth giải thích: “Nghiên cứu của chúng tôi thể hiện một cái nhìn khác và đơn giản về hàng nghìn đo đạc đồng vị cácbon đã được sử dụng như bằng chứng về thảm họa địa hóa trong đại dương. Nó cần đến sự làm xanh bùng nổ bề mặt Trái Đất với các loài thực vật cổ đại hàng trăm triệu năm trước sự tiến hóa của thực vật có mạch, tuy nhiên nó giải thích làm thế nào nồng độ oxy tăng một cách đột ngột”.

Ông thêm vào: “Các đồng vị hóa học đang nói lên sự thật về điều gì xảy ra trong Đại Tân Nguyên Sinh”.


NASA và Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ đã tài trợ cho nghiên cứu.

Tham khảo:

1. L. Paul Knauth & Martin J. Kennedy. The Precambrian greening of Earth. Nature, July 8, 2009 DOI: 10.1038/nature08213