Nơi sự sống phát triển ở nhiệt độ sôi

Trong khi nhiệt độ cao trên 30 độ C khiến con người khó chịu, nhiều tổ chức sinh vật có thể phát triển tốt ở những vùng nước sôi bên miệng núi lửa.

Theo BBC, núi lửa Uzon thuộc bán đảo Kamchatka, Nga là một trong những khu vực có khí hậu khắc nghiệt nhất trên Trái Đất. Núi lửa này nằm trong vành đai Thái Bình Dương và hoạt động rất mạnh. Hiện nay, miệng núi lửa được bao quanh bởi các dãy núi. Bên trong miệng núi lửa là hàng trăm suối nước nóng, mạch phun và bùn.

Uzon rất nguy hiểm đối với con người nhưng lại là nơi ở phù hợp cho một số loài vi khuẩn. Tháng 9/2005, 20 nhà khoa học Nga và Mỹ cùng tới Uzon để nghiên cứu sự sống ở đây.

Bên trong miệng núi lửa Uzon. (Ảnh: Arco Images GmbH/Alamy Stock Photo).

"Nhiệt độ gần hoặc tại ngưỡng sôi sẽ phá hủy protein, lipid và làm chín các vật liệu sinh học thông thường", Frank Robb, nhà nghiên cứu đến từ Đại học Maryland, Baltimore, Mỹ, cho biết.

Ngoài mức nhiệt cao, các loài sinh vật tại Uzon còn phải thích nghi với môi trường khắc nghiệt. Một số khu vực có tính axit cao với độ pH gần bằng 2. Trong khi đó, nhiều nơi khác lại có tính kiềm cao (độ pH xấp xỉ 10,5). Nước ở đây có thể rất mặn và nhiều nơi giàu kali, acid boric, acid silic và sulfat. Thậm chí, nhiệt độ cao còn khiến oxy bị hòa tan trong nước.

Điều kiện sống khắc nghiệt trên không phù hợp với những sinh vật phức tạp. Hầu hết các sinh vật phát triền mạnh trong môi trường cực nóng là vi khuẩn đơn bào hoặc vi khuẩn cổ đại. Đây là những hình thức đơn giản và lâu đời nhất của sự sống.

Các nhà nghiên cứu đã thu thập và phân tích DNA của vi khuẩn sống tại núi lửa Uzon. Họ tìm thấy nhiều loài vi khuẩn, bao gồm cả những loài mới. Ví dụ, vi khuẩn Desulfurella acetivorans phát triển mạnh ở 58 độ C, ăn hợp chất axetat hữu cơ và lấy năng lượng từ lưu huỳnh trong hồ. Loài vi khuẩn cổ đại Thermoproteus uzoniensis sống chủ yếu trong các suối nước nóng, hố bùn, đất tại núi lửa Uzon hay các mạch nước phun. Loài vi khuẩn hình que này ăn peptide và sử dụng năng lượng từ quá trình khử lưu huỳnh.

Núi lửa Uzon hoạt động rất mạnh. (Ảnh: Igor Shpilenok/naturepl.com).

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu còn tìm thấy loài Acidilobus aceticus sống trong khu vực nước có tính axit với nhiệt độ cao (92 độ C). Chúng ăn tinh bột lên men và cũng sử dụng năng lượng lưu huỳnh. Nhưng điều này không có nghĩa các loài vi khuẩn chỉ cần lưu huỳnh để hô hấp. Chúng còn tồn tại nhờ nhiều vật chất khác của núi lửa như cacbon dioxide, cacbon monoxide, sắt và nitrat.

Bourlyashchy là hồ lớn và nóng nhất tại Uzon với nhiệt độ lên tới 97 độ C. Đây cũng là môi trường có nhiệt độ cao nhất được nghiên cứu để tìm dấu hiệu sự sống. Gần đây, các nhà khoa học phát hiện rất nhiều vi khuẩn sống trong hồ.

Thông thường, khi nhiệt độ cao hơn 50 độ C, màng lipid bao bọc tế bào sẽ bị phá vỡ vì liên kết este giữa các chất béo không còn. Nhưng một số loài vi khuẩn lại có liên kết este rất chắc chắn nên có thể sống trong môi trường nhiệt cao.

Hơi nóng phun lên từ các khe nứt và mạch nước. (Ảnh: Igor Shpilenok/naturepl.com).

Protein và enzym cũng bị biến tính và phá vỡ khi gặp nhiệt cao. Tuy nhiên, protein ở những vi khuẩn chịu nhiệt có mật độ dày đặc hơn thông thường, đồng thời trong cấu trúc protein có thêm nhiều liên kết giữa các bộ phận nên ổn định và khó bị phá vỡ hơn.

Vài năm trước, các nhà nghiên cứu phát hiện loài P. fumarii ở Đại Tây Dương có thể sống ở nhiệt độ 113 độ C. Sau đó, một nhóm các nhà khoa học khác tìm thấy loài vi khuẩn có khả năng tồn tại ở nhiệt độ 122 độ C. Hiện nay, một loài vi khuẩn mới có tên Strain 121 tại Thái Bình Dương phát triển mạnh ở 121 độ C. Các nhà khoa học cho biết loài này có thể sống sót ở 130 độ C trong vòng 2h. Tuy nhiên, phát hiện này vẫn còn gây tranh cãi.

Enzym từ các loài vi khuẩn chịu nhiệt cao này có thể đem lại lơi nhuận cho ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, giấy, bột giấy và chất tẩy rửa, thậm chí cả lĩnh vực khoa học pháp y. Quan trọng hơn, những nghiên cứu về các loài vi khuẩn này có thể cung cấp thông tin về nguồn gốc và quá trình tiến hóa của sự sống trên Trái Đất.