Nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng tảo cát sống ở đại dương có nhiều phương pháp để tích lũy carbon. Bên cạnh quá trình quang hợp, những sinh vật phù du này cũng đang tăng sinh khối bằng cách tiêu thụ carbon hữu cơ trực tiếp từ đại dương.

Phát hiện đảo ngược quan điểm truyền thống

Phát hiện này có thể khiến các nhà khoa học phải xem xét lại ước tính của họ về lượng carbon dioxide mà tảo cát hấp thụ từ khí quyển thông qua quá trình quang hợp. Do đó, điều này có thể thay đổi hiểu biết của chúng ta về chu trình carbon toàn cầu, vốn đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu này được khởi xướng bởi các kỹ sư sinh học, chuyên gia tin sinh học và các nhà nghiên cứu di truyền học khác tại Đại học California San Diego. Những phát hiện mới được công bố trên tạp chí Science Advances vào ngày 17.7.2024.

Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng tảo cát Cylindrotheca closterium, được tìm thấy ở các đại dương trên khắp thế giới, thường xuyên thực hiện kết hợp đồng thời cả quang hợp và tiêu thụ carbon trực tiếp từ các nguồn hữu cơ như sinh vật phù du. Trong hơn 70% mẫu nước mà các nhà nghiên cứu phân tích từ các đại dương trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy dấu hiệu đồng thời của cả quá trình quang hợp lẫn tiêu thụ carbon hữu cơ trực tiếp từ Cylindrotheca closterium.

Nhóm nghiên cứu cũng thấy rằng loài tảo cát này có thể phát triển nhanh hơn nhiều khi tiêu thụ carbon hữu cơ ngoài quá trình quang hợp. Hơn nữa, nghiên cứu mới gợi ý về khả năng đáng chú ý là các loài vi khuẩn cụ thể đang cung cấp carbon hữu cơ trực tiếp cho một tỷ lệ lớn các tảo cát sống trên khắp đại dương toàn cầu.

Dữ liệu mô hình trao đổi chất mới từ các thí nghiệm trong phòng lab gần đây cho thấy một số tảo cát có thể dựa vào các phương thức khác ngoài quang hợp để hấp thụ lượng carbon mà chúng cần để tồn tại, phát triển và tạo ra sinh khối.

Nhóm do trường Đại học California San Diego khởi xướng đang trong quá trình mở rộng phạm vi của dự án để xác định mức độ phổ biến của hoạt động không quang hợp này ở các loài tảo cát khác.

Vi khuẩn đại dương có nuôi tảo cát không?

Khi nhóm nghiên cứu xem xét các thông số vật lý và hóa học đo được trong các mẫu nước biển –gồm nhiệt độ, độ pH, độ mặn, ánh sáng, nitơ và lượng carbon sẵn có – họ không tìm thấy bất kỳ mối tương quan nào giữa các thông số đó và xu hướng từ bỏ chiến lược chỉ quang hợp của tảo cát.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một tín hiệu rõ ràng khi khám phá các quần thể vi khuẩn cụ thể cùng tồn tại với tảo cát Cylindrotheca closterium trong các mẫu nước biển. Phát hiện này gợi ý về sự tương tác giữa vi khuẩn và tảo cát thúc đẩy sự kết hợp đồng thời giữa quá trình quang hợp và tiêu thụ trực tiếp carbon hữu cơ – một hiện tượng được gọi là “mixotrophy”.

Nhóm nghiên cứu tin rằng các vi khuẩn cụ thể có thể trực tiếp nuôi dưỡng tảo cát, giúp những tảo cát này trở thành một trong những vi sinh vật thành công và quan trọng nhất trên hành tinh về mặt sản xuất oxy, cô lập carbon và là nền tảng của chuỗi thức ăn hỗ trợ gần như tất cả các loài sinh vật ở đại dương.

Giáo sư Karsten Zengler thuộc khoa Kỹ thuật sinh học của Đại học California San Diego, đồng thời là nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới Hệ vi sinh vật tại Trường Kỹ thuật Jacobs, cho biết: “Tảo cát là tác nhân chính đóng góp vào chuỗi thức ăn biển và là động lực chính của chu trình carbon toàn cầu. Trước đây, chúng ta đã ước tính tất cả các mô hình chu trình carbon dựa trên giả định rằng vai trò duy nhất của tảo cát là cố định carbon dioxide. Phát hiện của chúng tôi chứng minh rằng thực tế không phải như vậy, nhưng tảo cát đồng thời cũng ăn carbon hữu cơ. Nói cách khác, chúng tôi đã chỉ ra rằng tảo cát không chỉ dựa vào quá trình cố định carbon dioxide để phát triển và sản xuất sinh khối. Chúng tôi tin rằng những kết quả này sẽ có ý nghĩa quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về chu trình carbon toàn cầu”.

“Mặc dù đã có những quan sát trong phòng thí nghiệm liên quan đến tảo cát lệch khỏi quá trình quang hợp, nhưng cho đến nay vẫn chưa thể kiểm tra loại chuyển hóa nào mà tảo cát này thực hiện trong đại dương. Lý do là có rất nhiều gien tham gia vào quá trình này và rất khó để phân định quá trình nào đang hoạt động chỉ dựa trên dữ liệu biểu hiện gien. Cách tiếp cận của chúng tôi giải quyết được thách thức này”.

Nhóm nghiên cứu hy vọng công trình này sẽ kích thích sự quan tâm đến việc xem xét kỹ hơn sự hiểu biết của chúng ta về chu trình carbon toàn cầu, mở rộng sự hiểu biết mới hơn về cách tảo cát đại dương cô lập carbon.

Anh Tú