Nguyên nhân khiến quá trình tiến hóa động vật tạm dừng lại trong hai tỉ năm

Các nhà khoa học trên toàn thế giới đã tái tạo lại những thay đổi cơ cấu hóa học dưới đại dương cổ trong một khoảng thời gian địa chất dài, cách đây từ 0.5 đến 2.5 tỉ năm. Họ đã phát hiện ra: sự thiếu hụt oxy và kim loại nặng molybdenum sâu dưới đáy đại dương cổ đại có thể đã khiến cho sự sống trên Trái đất dừng tiến hóa trong khoảng thời gian là 2 tỉ năm.

Các nhà nghiên cứu thu được kết quả này nhờ vào việc tìm kiếm dấu vết của molybdenum trong những khối đá phiến sét đen, một loại đá trầm tích giàu vật chất hữu cơ và thường xuất hiện sâu dưới đáy đại dương. Molybdenum là một loại vi chất dinh dưỡng quan trọng đối với sự sống, đóng vai trò là chất ủy quyền của oxy trong không khí và trong khí quyển.

Tiếp theo sự gia tăng ban đầu của oxy trong bầu khí quyển cách đây 2.4 tỉ năm, oxy được chuyển vào bề mặt đại dương để nuôi dưỡng những vi sinh vật cần oxy. Tuy nhiên, theo Timothy Lyons, giảng viên ngành sinh địa hóa tại khoa Khoa học Trái đất, Đại học California, Riverside - một trong những tác giả của công trình - thì sự đa dạng của các dạng sống đơn bào này vẫn còn thấp và tổ tiên đa bào, động vật, không xuất hiện cho đến cách đây 600 triệu năm.

Nghi ngờ rằng sự thiếu hụt oxy và molybdenum có thể giải thích được sự chậm trễ trong tiến hóa này, Lyon và cộng sự đo độ thừa của molybdenum trong các trầm tích biển cổ để đánh giá lượng kim loại hòa tan trong nước biển hình thành nên các mẫu trầm tích. Các nhà khoa học đã phát hiện bằng chứng trực tiếp, rất đáng chú ý đó là việc đại dương trong quá khứ thiếu molybdenum có liên quan đến hàm lượng cao chất này trong vùng biển giàu oxy hiện nay.

Molybdenum. (Ảnh: Monica Graeme)

Molybdenum được quan tâm đặc biệt vì một số vi khuẩn dùng chất này để chuyển hóa ni-tơ từ một loại khí trong bầu khí quyển sang một dạng có ích cho sinh vật - quá trình có tên là "cố định ni-tơ". Vi khuẩn không thể cố định ni-tơ hiệu quả nếu thiếu molybdenum. Và nếu vi khuẩn không thể cố định ni-tơ nhanh thì eukaryotes – một loại sinh vật bao gồm thực vật, loài da dày và con người – sẽ gặp rắc rối vì bản thân eukaryotes không thể tự cố định ni-tơ.

“Thiếu hụt molybdenum có thể kìm hãm sự phát triển của sự sống phức tạp, ví dụ như động vật, trong gần 2 tỉ năm lịch sử Trái đất. Lượng molybdenum dưới đại dương có lẽ đóng vai trò chính trong sự phát triển của sự sống sơ khai. Tương tự như trường hợp của sắt ngày nay, molybdenum được cho là vi dinh dưỡng quyết định sự sống điều hòa vòng tuần hoàn ni-tơ sinh học dưới đại dương.”

“Cùng lúc đó, hàm lượng molybdenum thấp dưới đại dương sơ khai liên quan đến tầm ảnh hưởng toàn cầu của vùng nước biển thiếu oxy và có ý nghĩa rằng lượng oxy trong khí quyển vẫn thấp. Nắm được lượng oxy trong đại dương sơ khai có ý nghĩa quan trọng vì nhiều lý do, bao gồm những kiến thức chính xác về cách thức và thời điểm một lượng oxy đáng kể bắt đầu tích tụ trong bầu khí quyển. Các bước trong quá trình oxy hóa là yếu tố hình thành nên những loài động vật đầu tiên cách đây gần 600 triệu năm – chỉ khoảng 1/10 hoặc tương đương trong lịch sử Trái đất.” Lyons cho biết.

Quá trình oxy hóa của Trái đất

Sự sống muốn hình thành, tồn tại và sinh sôi nảy nở trên Trái đất, ngưỡng oxy cần thiết phải từ 1-10% lượng oxy trong khí quyển hiện tại. Các công trình nghiên cứu trước đó chứng tỏ rằng oxy hóa trên trái đất xảy ra theo hai bước chính:

* Bước thứ nhất diễn ra cách đây 2,4 tỉ năm khi đại dương chuyển sang giai đoạn mà chỉ có bề mặt được oxy hóa nhờ vào các vi khuẩn quang hợp trong khi đáy đại dương thì gần như không có oxy.

* Bước thứ hai cách đây khoảng 600 triệu năm, đánh dấu giai đoạn toàn bộ đại dương được oxy hóa thông qua một tiến trình mà đến nay người ta vẫn chưa phát hiện ra.

Clinton Scott, nghiên cứu sinh tiến sĩ làm việc tại phòng thí nghiệm Lyon và là tác giả đầu tiên của công trình này cho biết “Chúng tôi muốn biết tình trạng của đại dương giữa hai giai đoạn này. Bằng cách lần theo hợp chất molybdenum trong các khối đá phiến sét giàu vật chất hữu cơ, chúng tôi phát hiện sâu dưới đáy đại dương vẫn thiếu oxy và molybdenum sau bước đầu tiên. Điều kiện này có thể có ảnh hưởng tiêu cực lên tiến hóa đối với eukaryotes sơ khai, tổ tiên đơn bào của chúng ta. Dữ liệu molybdenum cũng cho chúng ta biết sâu dưới đáy đại dương đã được oxy hóa hoàn toàn cách đây khoảng 550 triệu năm.”

Theo Scott, thời điểm của các bước oxy hóa cho thấy những sự kiện quan trọng trong lịch sử Trái đất có liên quan. Các nhà khoa học từ lâu từng tính toán rằng tiến hóa của những loài động vật đầu tiên về mặt nào đó liên quan đến giả thiết Quả Cầu Tuyết, cho rằng Trái đất bị bao phủ suốt từ cực này sang cực kia bằng một lớp băng dày trong hàng triệu năm vào một thời điểm. "Bước oxy hóa thứ hai diễn ra không lâu sau giai đoạn cuối cùng trong thời kỳ băng giá trên kết thúc cách đây khoảng 600 triệu năm. Vì thế một câu hỏi đặt ra là: Liệu sự đóng băng toàn cầu này có đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng lượng oxy và chính việc này đã khởi động sự tiến hóa của động vật?”

Công trình này nhận được tài trợ của quỹ Khoa học quốc gia Mỹ, khoa Khoa học Trái đất và viện Sinh học vũ trụ NASA, xuất hiện trên ấn bản 27 tháng 03 của tờ Nature.

Tìm hiểu về vai trò của molybdenum

Molybdenum, một kim loại có nhiều dưới đại dương ngày nay nhưng ít hơn trong quá khứ, là một loại chất đánh dấu hóa chất cổ đại hoàn hảo vì hai lý do. Thứ nhất, nguồn molybdenum nguyên thủy đối với đại dương là lớp mòn oxy hóa của vỏ Trái đất lục địa, đòi hỏi phải có oxy trong khí quyển. Thứ hai, molybdenum bị mất khỏi các trầm tích biển, những nơi thiếu oxy và thừa sun-fua. Vì vậy độ màu mỡ chất molybdenum trong các đá phiến sét cổ giàu vật chất hữu cơ đòi hỏi có oxy trong khí quyển với lượng lưu huỳnh cao và cần ít hoặc không cần oxy sâu dưới đại dương. Sự kết hợp này khá hiếm ngày nay nhưng có lẽ phổ biến trong quá khứ, khi oxy ko được dồi dào như hiện tại.

Khi oxy tồn tại trong không khí, lượng molybdenum hòa tan trong nước biển được quyết định bởi quy mô của các trầm tích chứa hi-đrô sun-fua và nước ở đáy biển (tầng nước thấp nhất, lạnh và cách biệt nhất của đại dương). Ở những nơi môi trường sun-fua lan rộng, hàm lượng tàn tích molybdenum nhỏ, tăng dần khi môi trường sun-fua giảm xuống. Lượng molybdenum trong nước biển được phản ánh qua độ lớn của molybdenum trong các mỏ đá phiến sét dưới đáy đại dương.

Nhóm nghiên cứu dưới quyền của Đại học California, Riversides đã ước lượng được độ lớn của các vùng biển, cả quy mô của nước dưới đáy có chứa sun-fua và các trầm tích, dựa trên độ đậm đặc của molybdenum trong các phiến đá sét đen cổ. Họ làm được điều đó bằng cách hòa tan mẫu vật vào hợp chất axit và phân tích đá hòa tan để thu được kết quả đậm đặc nhờ sử dụng một quang phổ kế khối lượng. Lượng kim loại này trong đá phiến sét dò ra tình trạng oxy của đại dương và khí quyển sơ khai đồng thời chỉ ra hàm lượng biến đổi của thành phần thiết yếu cho sự sống này. Sự thiếu hụt molybdenum có thể làm hoãn sự phát triển của eukaryotes, bao gồm những loài động vật đầu tiên - họ hàng đa bào sớm nhất của chúng ta.