Các nhà khoa học đang nỗ lực cứu lấy lớp vỏ sinh học của Trái đất

Dưới cái nắng nóng gay gắt của Utah, Sasha Reed đang trồng nhiều loại cây — và cả vi khuẩn, địa y và nấm kèm theo nữa. Nhưng Reed không phải là nông dân mà là một nhà sinh thái học và thứ Reed đang thực hiện thí nghiệm với đất ẩn sinh.

Vỏ sinh học là gì?

Còn được gọi là lớp vỏ sinh học, đất ẩn sinh là một cộng đồng các vi sinh vật sống trong đất, tạo thành lớp vỏ riêng biệt trên bề mặt đất ở những vùng đất khô cằn. Những lớp vỏ này rất quan trọng trong hệ sinh thái đất khô của Trái đất, giúp giữ chặt đất tơi xốp và ngăn ngừa xói mòn. Chúng giữ nước, tạo ra các ngóc ngách cho các vi khuẩn khác sinh sống và bổ sung nitơ cho đất.

Đất ẩn sinh thường trông giống như một mảng đất có màu biến đổi. Khi quan sát kỹ hơn, nó như một bức tranh khảm gồm những cục nhỏ, sẫm màu, rải rác những luống rêu nhỏ và những mảng địa y không dễ thấy. Nhưng nó cũng có thể trông rất giống với đất thông thường, có lớp vỏ cứng. Mặc dù lớp đất vỏ giòn trông có vẻ vô hại khi ta bước qua, giống như giẫm qua một đống lá mùa thu giòn. Thế nhưng, hành động đó là một “tội lỗi” lớn bởi vì lớp đất ẩn sinh có thể mất hàng chục năm để tái tạo sau khi bị phá vỡ.

Và ngày nay, ngoài việc bị giày xéo, dẫm nát, lớp đất ẩn sinh còn bị đe dọa bởi một loại tác động khác từ con người: biến đổi khí hậu. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực làm việc để tìm hiểu thêm về lớp vỏ và cách phục hồi chúng.

Anita Antoninka, một nhà sinh thái học về thực vật và đất tại Đại học Bắc Arizona ở Flagstaff, người nghiên cứu lớp vỏ sinh học, cho biết: "Đây là một thời gian khá bận rộn nhưng cũng thú vị, vì chúng tôi đang nghĩ ra cách thực hiện việc bảo vệ vỏ sinh học".

Antoninka cho biết ở các vùng đất khô cằn, lớp vỏ sinh học là hệ sinh thái quan trọng, nhưng chúng là một trong những vùng bị thoái hóa nhất trên toàn cầu. Khi lớp vỏ sinh học suy giảm ở những khu vực này, độ phì nhiêu của đất sẽ giảm và xói mòn do gió sẽ thổi bay lớp đất tơi xốp thường không được bảo vệ. Hệ quả là ít nước ngấm vào lòng đất hơn. Ngay cả chu trình carbon cũng có thể bị ảnh hưởng, vì sẽ có ít dạng vi sinh vật hấp thụ carbon dioxide hơn.

Cộng đồng vi sinh vật

Vỏ sinh học bao phủ khoảng 12 phần trăm bề mặt đất của Trái đất và có mặt ở mọi châu lục trên thế giới. Một thành phần chính của lớp vỏ này thường là vi khuẩn quang hợp được gọi là vi khuẩn lam. Vi khuẩn lam tạo thành các sợi dính hoạt động giống như keo trong đất cát sa mạc, tạo ra bề mặt vón cục, có lớp vỏ cứng là nơi nấm và các vi khuẩn khác bám vào.

Tùy thuộc vào môi trường mà vỏ sinh học tồn tại, nó cũng có thể chứa rêu, địa y và tảo cực nhỏ. Ví dụ, ở những vùng sa mạc có nhiều độ ẩm hơn, như Moab, Utah, vỏ sinh học có xu hướng có rêu. Ở những vùng đất giàu thạch cao, chẳng hạn như gần Hồ Mead, Nevada, địa y đóng vai trò trung tâm. Một số lớp vỏ có tất cả các thành phần trong khi ở những lớp vỏ khác, nhiều thành phần bị thiếu. Nhưng bất kể thành phần của chúng là gì, tất cả các lớp vỏ đều đóng vai trò như một lớp da sống cho vùng đất sa mạc. Da dù nứt nẻ nhưng còn lớp dưỡng ẩm thì cũng không phải là vùng da chết.

Ferran Garcia-Pichel, một nhà vi sinh vật học tại Đại học bang Arizona ở Tempe cho biết: "Chúng đang tìm cách cung cấp bộ áo giáp này cho đất". Khi Garcia-Pichel bắt đầu nghiên cứu lớp vỏ sinh học cách đây khoảng hai chục năm, thời kỳ có rất ít thông tin về chúng. Trong Đánh giá thường niên về vi sinh vật học năm 2023, Garcia-Pichel đã phác thảo những gì các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu về lớp vỏ sinh học trong vài chục năm qua và những điều vẫn chưa được biết đến. Ông nhật xét: "Trong 25, 30 năm này, chúng ta đã đạt được rất nhiều tiến bộ".

Một điều mà một số nghiên cứu đã chỉ ra là sự nóng lên gia tăng và lượng mưa thay đổi gây ra mối đe dọa. Trong 65 năm tới, các chương trình dự báo cho thấy rằng biến đổi khí hậu có thể làm sụt giảm 25 đến 40% lớp vỏ sinh học. Lớp vỏ nhạy cảm với nhiệt độ cao hơn và lượng mưa thay đổi. Do đó, cả thời kỳ khô hạn kéo dài và lượng mưa tăng bất thường đều có thể gây hại cho chúng.

Để chống lại sự suy giảm đó, các nhà sinh thái học như Reed và các đồng nghiệp thuộc Cục Khảo sát Địa chất Mỹ đang cố gắng tìm ra cách tái tạo lớp vỏ trong tự nhiên.

Ba khía cạnh của việc phục hồi

Nhóm Reed đang tập trung vào ba khía cạnh chính của việc phục hồi vỏ sinh học. Đầu tiên là tìm hiểu môi trường nào mà lớp vỏ sẽ phát triển tốt nhất để đưa vào áp dụng. Ban đầu, các nhà nghiên cứu đã thành công rực rỡ khi thiết lập các cộng đồng sinh vật của lớp vỏ trong nhà kính. Nhưng theo Reed, điều kiện sống của chúng quá dễ dàng. Khi được nuôi trồng ra bên ngoài, quần thể sinh vật trong lớp vỏ sẽ khó xoay sở hơn.

Dù vậy, một số lớp vỏ hiện đang phát triển trực tiếp bên ngoài và Reed cho biết: "Chúng tôi đang cố gắng nuôi dưỡng chúng trong điều kiện khắt khe hơn". Ở ngoài trời, chúng trải nghiệm các điều kiện môi trường thực tế hơn nhiều, mặc dù chúng vẫn được nhóm hỗ trợ thông qua việc tưới nước và che bóng.

Khía cạnh thứ hai trong công việc của Reed là tìm hiểu xem lớp vỏ sinh học cần bao nhiêu để phát triển mạnh. Lớp vỏ sinh học rất diệu kỳ, nghĩa là chỉ cần một phần nhỏ của nó cuối cùng cũng có thể tạo ra lớp vỏ mới. Vì vậy, một cách để trồng lớp vỏ sinh học ở những khu vực mới là nghiền nhỏ và rắc lên đất, tương tự như cách rải hạt giống.

Nhưng trong tự nhiên, các thành phần của lớp vỏ có thể hoạt động tích cực cùng nhau theo những cách mà ta chưa biết. Do vậy, Reed đặt câu hỏi liệu lớp vỏ sinh học có thể được hưởng lợi khi được trồng thành các cộng đồng lớn hơn, ổn định hơn hay không. Họ đã từng thí nghiệm đưa lớp vỏ riêng lẻ ra môi trường và kết quả không khả quan.

Điều đó khiến các nhà nghiên cứu thử một phương pháp phục hồi mới lấy cảm hứng từ cỏ. Đầu tiên, họ rắc vụn nhiều vụn đất ẩn sinh các loại khác nhau lên vải diệt cỏ dại — một loại vải mỏng mà những người làm vườn cảnh hay sử dụng. Sau khi lớp vỏ sinh học hỗn hợp này phát triển, họ cuộn nó lại và mang tới khu vực cần phát tán. Điều bất ngờ là chiến lược đơn giản này đã có hiệu quả. Phương pháp này có thể được sử dụng ở những địa điểm nhỏ như bên cạnh những con đường mòn, nhưng có lẽ không phù hợp với quy mô lớn.

Ở khía cạnh thứ ba trong nghiên cứu phục hồi là các nhà khoa học muốn biết liệu có thành viên nào cộng đồng vỏ sinh học nào phù hợp hơn với việc phục hồi trước biến đổi khí hậu hay không. Để làm được điều đó, Reed và Antoninka đã lấy những vỏ sinh học từ địa điểm nóng hơn, khô hơn và trồng chúng trở lại vườn thí nghiệm. Hiện tại, họ đang theo dõi cách các lớp vỏ tiếp tục phát triển sau khi cấy ghép tại các địa điểm phục hồi. Khi lớp vỏ phát triển, các nhà nghiên cứu sẽ tìm kiếm các loài hoặc nguồn vỏ sinh vật tối ưu.

Reed, Antoninka và những người khác hiện đang hợp tác với các nhà quản lý đất đai, chẳng hạn như các công viên quốc gia, Cục Quản lý Đất đai và Cơ quan Lâm nghiệp Mỹ... để áp dụng những gì họ đã nắm được về đất ẩn sinh. Và bằng cách làm việc với các nhà quản lý đất đai, Antoninka cho biết, có thể đưa các kế hoạch phục hồi lớp vỏ sinh học vào các dự án phát triển trong tương lai.

Người dân ở các vùng khô cằn có thể làm như vậy ngay tại sân sau nhà mình. Nếu chủ sở hữu bất động sản đang lên kế hoạch cho một dự án trên diện tích đất có lớp vỏ sinh học, họ chỉ cần lấy bất kỳ lớp vỏ nào ở đó rồi cho vào xô và giữ khô ráo, mát mẻ. Sau đó, họ có thể rắc lại lớp vỏ đó lên đất hoặc ở nơi khác thích hợp để tái tạo đất ẩn sinh. Như vậy cũng giúp giảm tác động của họ với môi trường.