Oxy chiếm 21% bầu khí quyển Trái đất, và chúng ta cần nó để thở. Vi khuẩn cổ đại đã tiến hóa các enzyme bảo vệ ngăn cản oxy làm hỏng DNA của chúng, nhưng chúng có động lực tiến hóa nào để làm điều này? Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng tia cực tím chiếu vào bề mặt băng băng có thể giải phóng oxy phân tử. Các khuẩn lạc vi khuẩn sống gần tảng băng này sẽ cần thiết để phát triển hệ thống phòng thủ bảo vệ này. Sau đó, chúng được trang bị tốt để xử lý sự phát triển của oxy trong khí quyển do các vi khuẩn khác thường gây độc.
Hai tỷ rưỡi năm trước, khi tổ tiên tiến hóa của chúng ta chỉ còn hơn một chút trong màng plasma của vi khuẩn, quá trình quang hợp đột nhiên đạt được khả năng giải phóng oxy phân tử vào khí quyển Trái đất, gây ra một trong những thay đổi môi trường lớn nhất trong lịch sử của hành tinh chúng ta. Các sinh vật chịu trách nhiệm là vi khuẩn lam, được biết là đã phát triển khả năng biến nước, carbon dioxide và ánh sáng mặt trời thành oxy và đường, và ngày nay vẫn còn tồn tại như tảo xanh lam và lục lạp trong tất cả các cây xanh.
Nhưng các nhà nghiên cứu từ lâu đã bối rối về việc làm thế nào vi khuẩn lam có thể tạo ra tất cả oxy mà không gây độc. Để tránh DNA của chúng bị phá hủy bởi một gốc hydroxyl xảy ra tự nhiên trong quá trình sản xuất oxy, vi khuẩn lam sẽ phải tiến hóa các enzyme bảo vệ. Nhưng làm thế nào sự chọn lọc tự nhiên có thể khiến vi khuẩn lam phát triển các enzyme này nếu nhu cầu về chúng không còn tồn tại?
Bây giờ, hai nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California đưa ra lời giải thích về cách vi khuẩn lam có thể tránh được mâu thuẫn dường như vô vọng này. Báo cáo trong Kỷ yếu ngày 12 tháng 12 của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) và có sẵn trực tuyến trong tuần này, các nhóm chứng minh rằng tia cực tím chiếu vào bề mặt băng băng có thể dẫn đến sự tích tụ các chất oxy hóa đông lạnh và giải phóng oxy phân tử cuối cùng vào đại dương và bầu khí quyển. Dòng chất độc này sau đó có thể thúc đẩy sự phát triển của các enzyme bảo vệ oxy trong nhiều loại vi khuẩn, bao gồm cả vi khuẩn lam. Theo Yuk Yung, giáo sư khoa học hành tinh và Joe Kirschvink, giáo sư địa chất học Van Wingen, giải pháp UV-peroxide là đơn giản và thanh lịch.
Trước khi oxy xuất hiện trong khí quyển, không có màn hình ozone để ngăn chặn tia cực tím chiếu vào bề mặt, theo ông Kir Kirvvink. Khi ánh sáng tia cực tím chạm vào hơi nước, nó sẽ chuyển đổi một phần này thành hydro peroxide, giống như những thứ bạn mua ở siêu thị để tẩy tóc, cộng với một chút khí hydro.
Thông thường, peroxide này sẽ không tồn tại được lâu do các phản ứng ngược, nhưng trong quá trình đóng băng, hydro peroxide đóng băng ở một độ dưới điểm đóng băng của nước. Nếu ánh sáng tia cực tím chiếu xuống bề mặt sông băng, một lượng nhỏ peroxide sẽ bị giữ lại trong băng hà. Quá trình này thực sự xảy ra ngày hôm nay ở Nam Cực khi lỗ thủng tầng ozone hình thành, cho phép tia UV mạnh chiếu vào băng.
Trước khi có bất kỳ oxy trong khí quyển Trái đất hoặc bất kỳ màn hình UV nào, băng băng sẽ chảy xuống biển, tan chảy và giải phóng một lượng peroxide trực tiếp vào nước biển, nơi một loại phản ứng hóa học khác đã chuyển hóa peroxide trở lại thành nước và oxy. Điều này đã xảy ra cách xa tia UV sẽ giết chết các sinh vật, nhưng oxy ở mức độ thấp đến mức vi khuẩn lam sẽ tránh được ngộ độc oxy.
Đại dương là một nơi tuyệt đẹp để các enzyme bảo vệ oxy phát triển, leo Kirschvink nói. Và một khi các enzyme bảo vệ đó được đặt ra, nó đã mở đường cho cả quá trình quang hợp oxy phát triển và hô hấp hiếu khí để các tế bào thực sự có thể thở oxy như chúng ta.
Bằng chứng cho lý thuyết này xuất phát từ tính toán của tác giả chính Danie Liang, một sinh viên tốt nghiệp gần đây về khoa học hành tinh tại Caltech, hiện đang ở Trung tâm nghiên cứu về thay đổi môi trường tại Academia Sinica ở Đài Bắc, Đài Loan.
Theo Liang, một vụ đóng băng nghiêm trọng được gọi là Trái đất tuyết Makganyene xảy ra cách đây 2,3 tỷ năm, vào khoảng thời gian vi khuẩn lam phát triển khả năng sản xuất oxy của chúng. Trong tập phim Snowball Earth, lượng peroxide đủ có thể đã được lưu trữ để tạo ra gần như nhiều oxy như trong khí quyển.
Là một bằng chứng bổ sung, mức oxy ước tính này cũng đủ để giải thích sự lắng đọng của cánh đồng mangan Kalahari ở Nam Phi, nơi có 80% trữ lượng kinh tế của mangan trên toàn thế giới. Khoản tiền gửi này nằm ngay trên đầu dấu vết địa chất cuối cùng của Quả cầu tuyết Makganyene.
Liang đã từng nghĩ rằng đó là sự nở hoa của vi khuẩn lam sau khi dòng sông băng này đổ chất mangan ra khỏi nước biển. Tuy nhiên, nó có thể đơn giản là oxy từ sự phân hủy peroxide sau Snowball đã làm điều đó.
Ngoài Kirschvink, Yung và Liang, các tác giả khác là Hyman Hartman thuộc Trung tâm Kỹ thuật Y sinh tại MIT và Robert Kopp, một sinh viên tốt nghiệp ngành địa chất học tại Caltech. Hartman, cùng với Chris McKay thuộc Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA, là những người ủng hộ sớm cho vai trò của hydro peroxide trong nguồn gốc và sự phát triển của quang hợp oxy, nhưng họ không thể xác định được nguồn vô cơ tốt cho nó trong môi trường tiền địa cầu.
Nguồn gốc: Caltech News phát hành
