Hàng tỉ tấn 'pin tự nhiên' dưới đáy biển đang ngày đêm tạo oxy giúp Trái đất

Phát hiện bất ngờ này làm đảo lộn quan điểm mà giới khoa học đồng thuận bấy lâu nay rằng cần có các sinh vật quang hợp để tạo ra lượng oxy mà chúng ta vẫn thở từng giây, từng phút.

Hiện tượng đáng ngạc nhiên về lượng oxy tăng bất thường

Nhà hóa sinh học Andrew Sweetman từ Hiệp hội Khoa học Hàng hải Scotland (SAMS) và các đồng nghiệp đã thực hiện phát hiện đáng ngạc nhiên khi đo nồng độ oxy dưới đáy biển để đánh giá tác động của việc khai thác dưới biển sâu.

Nicholas Owens, nhà khoa học biển của SAMS, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Việc phát hiện ra hoạt động sản xuất oxy bằng một quá trình không quang hợp đòi hỏi chúng ta phải suy nghĩ lại về nguồn gốc quá trình tiến hóa của sự sống phức tạp trên hành tinh”.

Đồng thời, Owens khẳng định: “Theo tôi, đây là một trong những phát hiện thú vị nhất của khoa học đại dương thời gian gần đây.”

Giữa Thái Bình Dương, những cụ đá tròn, màu đen rải rác trên mặt đáy biển. Ở đây, ở độ sâu hơn 4.000 mét, phép đo được các nhà khoa học thực hiện cho thấy.nồng độ oxy tiếp tục tăng chậm nhưng chắc chắn,

Sweetman giải thích: "Khi lần đầu tiên nhận được dữ liệu này, chúng tôi nghĩ rằng các cảm biến bị lỗi, bởi vì mọi nghiên cứu từng được thực hiện ở vùng biển sâu đều chỉ thấy oxy chỉ bị tiêu thụ chứ không được tạo ra. Chúng tôi về nhà và hiệu chỉnh lại các cảm biến nhưng trong suốt 10 năm, những chỉ số oxy kỳ lạ này liên tục xuất hiện”.

"Chúng tôi quyết định áp dụng một phương pháp dự phòng tức thời khác với các cảm biến optode mà chúng tôi đang sử dụng. Và khi cả hai phương pháp đều cho kết quả giống nhau, chúng tôi biết rằng mình đã đạt được một điều gì đó mang tính đột phá và chưa từng nghĩ đến".

Phát hiện cơ chế làm đảo lộn mọi quan niệm truyền thống

Để điều tra bí ẩn, các nhà nghiên cứu đã thu thập một số viên đá dưới đáy biển về phòng thí nghiệm để xem liệu chúng có phải là nguồn sản xuất 'oxy tối' này hay không.

Những viên đá này nằm rải rác trên các khu vực rộng lớn dưới đáy đại dương. Chúng là tập hợp kim loại đất hiếm tự nhiên như coban, mangan và niken, tất cả được trộn lẫn vào nhau trong một hỗn hợp đa kim.

Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ ước tính có 21,1 tỉ tấn đá khô đa kim tồn tại ở Vùng Clarion-Clipperton (đông bắc Thái Bình Dương) - chứa nhiều kim loại quan trọng hơn trữ lượng trên các lục địa cộng lại.

Thông qua một loạt thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã loại trừ các quá trình sinh học như vi khuẩn và xác định chính các hòn đá đa kim là nguồn gốc của hiện tượng này. Họ ban đầu cho rằng có lẽ đó là do oxy được giải phóng từ oxit mangan trong đá. Nhưng nguyên nhân không phải như vậy.

Một bộ phim tài liệu về khai thác biển sâu mà Sweetman xem trong quán bar khách sạn ở São Paulo, Brazil, đã tạo ra một bước đột phá. Sweetman nhớ lại trong phim có người nói rằng ‘Đó là cục pin trong đá’ và lập tức một luồng điện lóe trong đầu.

Sweetman lý luận một dòng điện nhỏ, thậm chí từ pin AA, khi đặt vào nước mặn, có thể tách nước thành oxy và hydro – một quá trình được gọi là điện phân nước biển. Có lẽ viên đá đa kim đang làm điều gì đó tương tự.

Sweetman đã mời Franz Geiger, một nhà điện hóa tại Đại học Northwestern ở Evanston, Illinois tham gia nghiên cứu sâu hơn theo hướng này. Sử dụng một thiết bị gọi là đồng hồ vạn năng để đo các điện thế nhỏ và sự biến thiên của điện áp, họ ghi lại điện thế 0,95 volt trên bề mặt viên đá.

Kết quả này thấp hơn điện áp 1,5 volt cần thiết cho quá trình điện phân nước biển nhưng khi các viên đá xếp sát lại với nhau thì điện áp có thể tăng đáng kể giống như các viên pin xếp nối tiếp.

Geiger cùng Giáo sư Hóa học Charles E. và Emma H. ​​Morrison tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật Weinberg thuộc Northwestern cho biết: “Có vẻ như chúng tôi đã phát hiện ra một ‘pin địa chất' tự nhiên. Những pin địa chất này là cơ sở để giải thích khả năng sản xuất oxy tối của đại dương”.

Câu hỏi mới về nguồn gốc sự sống hiếu khí trên Trái đất

Mặc dù vẫn còn nhiều điều cần điều tra, chẳng hạn như quy mô sản xuất oxy của các viên đá đa kim, nhưng phát hiện này đưa ra lời giải thích khả dĩ cho sự tồn tại dai dẳng bí ẩn của các 'vùng chết' đại dương hàng chục năm sau khi hoạt động khai thác dưới biển sâu đã ngừng hoạt động.

Geiger giải thích thêm: “Trong năm 2016 và 2017, các nhà sinh học biển đã đến thăm các địa điểm được khai thác vào những năm 1980 và nhận thấy thậm chí không có vi khuẩn nào phục hồi ở các khu vực khai thác. Tuy nhiên, ở những khu vực chưa được khai thác, sinh vật biển lại phát triển mạnh mẽ”.

"Tại sao những 'vùng chết' như vậy vẫn tồn tại trong nhiều chục năm vẫn chưa được biết. Tuy nhiên, điều này đặt dấu ấn lớn vào các chiến lược khai thác dưới đáy biển vì sự đa dạng của hệ động vật dưới đáy đại dương ở những khu vực giàu đá đa kim còn cao hơn cả những khu rừng mưa nhiệt đới đa dạng nhất".

Cùng với những ý nghĩa to lớn đối với việc khai thác dưới biển sâu, 'oxy tối' cũng đặt ra một loạt câu hỏi mới xung quanh nguồn gốc của sự sống hiếu khí (oxy) trên Trái đất.

Vi khuẩn lam cổ đại từ lâu đã được ghi nhận là nguồn cung cấp oxy đầu tiên cần thiết cho quá trình tiến hóa của sự sống phức tạp cách đây hàng tỷ năm, dưới dạng chất thải của quá trình quang hợp biến ánh sáng mặt trời thành nguồn năng lượng của chúng.

Sweetman nói: “Bây giờ chúng ta biết rằng oxy được tạo ra ở vùng biển sâu, nơi không có ánh sáng. Từ đó, tôi nghĩ chúng ta cần xem lại những câu hỏi như: Sự sống hiếu khí có thể bắt đầu từ đâu?"