Những loài ẩn mình nghìn năm sâu trong lòng Trái Đất

Dưới lớp đá cứng sâu vài km của vỏ Trái Đất, trong điều kiện thiếu oxy, nhiệt độ cao và áp suất lớn tưởng như không thể sống nổi vẫn tồn tại những sinh vật sống phát triển thịnh vượng.

Theo BBC, những sinh vật sống tìm thấy trong các mỏ vàng ở Nam Phi được coi là sự sống tồn tại sâu nhất trong vỏ Trái Đất, do chưa từng có sinh vật đa bào nào được phát hiện ở độ sâu vài km dưới mặt đất.

Các nhà khoa học không rõ những sinh vật này xuống đó bằng cách nào nhưng phân tích đồng vị carbon chỉ ra chúng đã tồn tại cả nghìn năm nay. Khả năng sinh tồn bất diệt trong điều kiện khắc nghiệt đó cho thấy sự sống sâu trong lòng Trái Đất vốn phức tạp hơn mọi suy đoán từ trước đến nay.

Việc phát hiện ra sự sống đa dạng sâu dưới bề mặt Trái Đất từ đầu những năm 80 gây không ít bất ngờ cho những nhà khoa học vẫn luôn tin rằng trong lòng Trái Đất chỉ tồn tại những sinh vật đơn bào như vi khuẩn. Vì sống trong điều kiện nhiệt độ cao, nồng độ ôxy rất thấp, áp lực cực lớn và có rất ít thức ăn cũng là thử thách cực kỳ cam go đối với bất kỳ loại dạng sống nào.

Nhà khoa học người Bỉ, Gaetan Borgonie cho rằng nếu tồn tại sinh vật đa bào sâu dưới lớp vỏ Trái Đất thì chỉ có thể là sinh vật thuộc ngành giun tròn hay còn gọi là tuyến trùng. Bởi vì giun tròn có khả năng sống trong những điều kiện cực kỳ gian khổ, có thể chịu đựng được sự khô hạn, nhiệt độ cực cao cũng như cực thấp. Hơn thế nữa, những sinh vật này còn biết vận dụng một chiến lược mưu trí tài tình để sống sót: chuyển đổi sang dạng đặc biệt được gọi là giai đoạn chịu đựng, ấu trùng giun ở giai đoạn này trao đổi chất hạn chế, phát triển chậm trong tình trạng ức chế để có thể tồn tại một thời gian dài trong điều kiện khắc nghiệt.

Giun tròn đươc phát hiện ở mỏ Kopanang. (Ảnh: Gaetan Borgonie).

Những tạo vật bé nhỏ kỳ lạ, khi ở trong giai đoạn chịu đựng, vẫn có thể sống sót dù bị luộc chín, bị đóng băng, bị nghiền nát, thậm chí bị thổi bay ra ngoài không gian. Khi tàu con thoi Columbia vỡ tan trong quá trình hạ cánh sau khi đi vào bầu khí quyển Trái Đất năm 2003, giun tròn là một trong số nhiều sinh vật thí nghiệm hiện diện trên tàu con thoi, và chỉ có giun tròn sống sót qua vụ nổ và rơi trở lại Trái Đất.

Giun tròn bước vào giai đoạn chịu đựng khi bị thiếu thức ăn, nhiệt độ môi trường tăng cao hoặc mật độ tập trung quá đông đúc. Khi nguồn dinh dưỡng dồi dào, giun tròn sẽ lập tức trở lại với trạng thái bình thường, khôi phục mọi hoạt động như cũ.

Giun tròn xuất hiện ở mọi nơi trên Trái Đất, trong suối nước nóng, trên sa mạc, nơi núi cao hay tận cùng của đại dương, thậm chí cả ở Nam cực. Giun tròn được tìm thấy sống ký sinh trong bụng các loài động vật, kể cả con người, và cả trong nhau thai của cá nhà táng.

Như vậy, nơi khắc nghiệt sâu thẳm dưới lòng đất chắc chắn phải có sự hiện diện của sinh vật khắc khổ này. Để khẳng định lập luận trên, Gaetan Borgonie cộng tác với Tullis Onstott của đại học Princeton ở New Jersey, tự bỏ tiền sang Nam Phi, lặn lội xuống những khu mỏ nằm sâu xuống dưới mặt đất hơn ba km nơi những nhà nghiên cứu có thể tiếp cận được thế giới bí mật ẩn kín trong lòng đất.

Khi lọc mẫu nước lấy từ những lỗ khoan thăm dò vào tầng đá của hầm mỏ, Borgonie phát hiện ra rất nhiều những con giun nhỏ, những sinh vật sống đầu tiên được phát hiện ở độ sâu này (trước đây, giun tròn được biết đến chỉ sống ở độ sâu khoảng 10 mét).

Hơn thế nữa, loài giun tròn mới này vốn sống trong những tầng đá cứng của hầm mỏ chứ không phải tình cờ được đưa xuống khi bám trên những đôi ủng của thợ mỏ hay qua những nguồn lây nhiễm khác.

Borgonie mất cả năm trời xét nghiệm từng mẫu nước được sử dụng trong hầm mỏ mà không tìm thấy bất kỳ loài giun tròn nào. Điều này chứng tỏ chúng không phải loại giun tròn trên mặt đất thâm nhập xuống dưới mỏ. Những mẫu đất xung quanh lỗ khoan thăm dò cũng được nghiên cứu kỹ lưỡng, nhưng kết quả cho thấy loài giun trong đất thuộc về một nghành khác. Nguồn thức ăn là những loài vi khuẩn sinh sôi trong hầm mỏ cũng hấp dẫn loài giun tròn mới hơn những loài vi khuẩn sống trên mặt đất. Những bằng chứng trên cho thấy loài giun tròn mới đã sinh sống từ rất lâu dưới độ sâu này.

"Có nhiều người cho rằng chúng tôi gần như loạn óc mới đi tìm kiếm những sinh vật đa bào ở nơi sâu thẳm trong lòng đất, với áp suất nén vô cùng lớn, nhiệt độ cao, oxy và nguồn dinh dưỡng khan hiếm", Borgonie từng nói.

Gaetan Borgonie và Tullis Onstott công bố kết quả nghiên cứu vào năm 2011, với 4 loài mới được phát hiện, sống trong ba khu mỏ riêng biệt và ở những độ sâu khác nhau.

Hai loài là Plectus aquatilis và một loại giun tròn chưa từng biết đến được tìm thấy trong mỏ Driefontein ở độ sâu 0,9km và nhiệt độ khoảng 24 độ C.

Halicephalobus mephisto hay giun ma quỷ được phát hiện trong nước của quặng thu hồi từ vệt đá đứt gãy trong mỏ vàng Beatrix ở Nam Phi, nằm cách Johannesburg 240km về phía tây nam, tại độ sâu 1,3km dưới bề mặt Trái Đất. Ở độ sâu như vậy, nhiệt độ môi trường đạt đến 37 độ C, cao hơn bất kỳ nơi nào trên mặt đất có giun tròn sinh sống.

Onstott nói rằng: "nó làm tôi kinh hoàng khi lần đầu tôi thấy chúng di chuyển" và giải thích "chúng trông giống như những thứ xoáy nhỏ màu đen".

Halicephalobus mephisto chịu đựng được nhiệt độ cao, chúng sinh sản vô tính, và ăn các vi khuẩn sống dưới lòng đất. Theo phương pháp phân tích đồng vị carbon, những con giun này sống trong nước ngầm từ 3.000-12.000 năm trước. Những con giun này cũng có thể tồn tại trong nước với mức ôxy rất thấp, dưới 1%. Nó được đặt tên theo Mephistopheles, có nghĩa là "kẻ không yêu ánh sáng", ám chỉ đến một thực tế nó được tìm thấy rất sâu dưới bề mặt Trái Đất.

Nhưng loài sinh vật sống sâu nhất trong lòng Trái Đất thực tế chưa từng được biết tên, có ADN được tìm thấy trong nước ở độ sâu 3,6km bên trong khu mỏ TauTona, nơi nhiệt độ lên tới 48 độ C.

Theo Borgonie, thực tế đã cho thấy loài giun tròn mới không đơn giản chỉ là kéo dài thêm sự tồn tại sát giới hạn tuyệt chủng mà hơn thế chúng đang phát triển thịnh vượng.

Về nguồn dinh dưỡng, loài giun tròn mới ăn những lớp nhơn nhớt dính với nhau được gọi là màng sinh học, bao gồm hàng triệu vi khuẩn tụ lại với nhau. Bản thân vi khuẩn nhỏ hơn giun tròn 10 tỷ lần. Các màng sinh học dính nhớp liên quan chặt chẽ với những lỗ khoan do con người tạo ra. Điều này cho thấy rằng, bằng cách khoan đá tìm vàng, con người đã vô tình tạo ra môi trường sống hoàn hảo cho những con giun.

Mức oxy thấp cũng không thể gây nhiều khó khăn cho giun tròn. Trong khi con người cần không khí của họ có chứa 21% oxy, giun tròn lại có thể sống tốt với chỉ khoảng là 0,5%.

Nhiệt độ cao cũng không phải là một vấn đề, cho dù mức nhiệt 48 độ C trong lòng mỏ TauTona được đánh giá là khá cao, thì vẫn có một số loài giun tròn khác được tìm thấy ở trong suối nước nóng có nhiệt độ len tới 61 độ C.

Có vẻ như những con giun đã tiến hóa để chịu được nhiệt độ cao và áp suất lớn, rất lâu trước khi chuyển vào mỏ sinh sống.

Halicephalobus mephisto hay Giun ma quỷ được phát hiện tại độ sâu 1,3km dưới bề mặt Trái Đất. (Ảnh: Gaetan Borgonie).

Xét nghiệm di truyền cho thấy Halicephalobus mephisto có liên quan chặt chẽ nhất đến Halicephalobus gingivalis - một loài giun tròn sống tự do, ăn vi khuẩn và thỉnh thoảng sống ký sinh trên ngựa, lừa, ngựa vằn và thậm chí cả con người.

Loài giun tròn nước ngọt phổ biến P. aquatilis cũng có sức chịu đựng dẻo dai tương tự, không đòi hỏi phải có thêm sự điều chỉnh để thích nghi với điều kiện oxy thấp và nhiệt độ cao.

"Mặc dù điều kiện sống dưới lòng đất sâu là cực kỳ khắc nghiệt đối với đa số sinh vật sống, nhưng chưa thấm gì so với khả năng chịu đựng của giun tròn", Borgonie nói.

Loài giun tròn sống trong đất thậm chí có thể trải qua chu kỳ "bị Mặt Trời thiêu đốt đến khô rang rồi lại bị dìm ngập trong nước hay bị đóng băng đông cứng" chỉ trong vòng 24 giờ. Trải nghiệm những trạng thái cực đoan mỗi ngày liên tục tiếp diễn quanh năm, cộng với nỗ lực không mệt mỏi tìm kiếm đủ thức ăn trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt thì việc giun tròn tồn tại được trong lòng đất sâu không có gì đáng ngạc nhiên.

Nhưng vẫn chưa thể xác định rõ vị trí sinh sống ban đầu của loài giun tròn mới được phát hiện và thời gian chúng xuống sống dưới lòng đất. Phương pháp phân tích đồng vị carbon chỉ ra rằng những con giun này sống trong nước ngầm từ 3.000-12.000 năm trước. Chỉ có thể đoán rằng chúng đã xuống sống dưới lòng đất ít nhất 3.000 năm nhưng không có cách nào chứng minh được. Nhiều khả năng chúng bị rửa trôi xuống qua các vết nứt của vỏ Trái Đất sau những trận mưa, và vì lý do nào đó không thể quay lại mặt đất.

"Thực chất cuộc sống của loài giun tròn sống dưới lòng đất dễ chịu hơn hẳn cuộc sống của loài giun tròn sống trên mặt đất", Borgonie nói, "dưới lòng đất thực sự là môi trường ổn định nếu so với môi trường thay đổi từng giờ trên mặt đất".

Điều này ám chỉ rằng hoàn toàn có thể tìm thấy sinh vật sống ở độ sâu lớn hơn nữa. Thử thách lớn nhất phải đối mặt khi tồn tại ở độ sâu này là nhiệt độ cao. Mặc dù các sinh vật đơn bào có thể sống sót trong môi trường nhiệt độ cực cao nhưng Borgonie cho rằng cũng khó mà tìm thấy được loại giun tròn mới sống trong môi trường nhiệt độ lên đến hơn 60 độ C.

Dù có tồn tại những giới hạn nhất định, thì sự sống dưới lòng đất sâu vẫn luôn hiện hữu và càng ngày càng có nhiều bằng chứng về các sinh vật sống dưới lòng đất được công bố.

Một nghiên cứu năm 2008 cho thấy các vi sinh vật phát triển mạnh ở độ sâu 1,6km dưới đáy biển, có nhiệt độ môi trường từ 60 đến 110°C.

Năm 2013, một con ốc nhỏ với một lớp vỏ mờ đã được tìm thấy gần một km dưới mặt đất, trong một hệ thống hang động của Croatia, bao gồm một số hang nằm trong danh sách những hang động sâu nhất thế giới. Lớp vỏ nhìn thấu qua được cho thấy rằng nó đã phát triển để thích nghi với cuộc sống trong các hang động.

Tháng 10/2014, các nhà nghiên cứu từ Đại học Yale báo cáo bằng chứng về vi khuẩn sống sâu dưới mặt đất 19 km. Họ kiểm tra các loại cổ thạch trên đảo Lopez ngoài khơi bờ biển Washington, Mỹ. Các mẫu đá này có chứa hàm lượng cao một cách bất thường của một dạng carbon nhẹ, dấu hiệu của loài vi khuẩn tạo ra khí mêtan. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng các vi khuẩn, chôn sâu trong lớp vỏ của Trái Đất, đã thay đổi cấu trúc hóa học các khối đá cổ.

Borgonie cũng không ngừng tìm kiếm sự sống ở những vị trí sâu hơn. Vào tháng Tám năm 2015, ông đã tìm thấy 20 cá thể giun tròn sống bên trong nhũ đá treo từ trần của hầm mỏ. Đây là những con giun tròn lần đầu tiên được phát hiện sống trong môi trường độc đáo như vậy.

Một trong những cá thể giun được tìm thấy, Monhystrella parvella – loài thường được tìm thấy trên biển - nhưng lại hiện diện trên một thạch nhũ ở độ sâu 1,4 km ngầm trong lòng mỏ vàng Beatrix.

Hiển nhiên là không có vết nứt trong các nhũ đá, vì vậy những con giun rõ ràng là đã bị mắc kẹt bên trong thạch nhũ từ khi mới được hình thành. Vi khuẩn cũng được tìm thấy bên trong thạch nhũ, cho thấy giun tròn đã có sẵn một nguồn thức ăn phong phú.

M. parvella cũng được tìm thấy trong cùng lỗ khoan thăm dò bên trong khu mỏ TauTona ở độ sâu 3,6km, và đang chia sẻ danh hiệu loài sinh vật sống sâu nhất trong lòng Trái Đất với một loài mới chưa từng được biết đến. Điều bí ẩn ở đây là ban đầu loài giun tròn này đã sống ở đâu và làm cách nào chúng xuống được tới độ sâu này. Vốn dĩ là loài sinh vật biển, M. parvella cần phải sống trong môi trường nước mặn, mà vị trí của mỏ TauTona ở vùng trung tâm Nam Phi, cách biển hàng trăm km.

Monhystrella parvella – loài giun tròn được mệnh danh là loài sinh vật sống sâu nhất trong lòng Trái Đất. (Ảnh: Gaetan Borgonie).

Cách giải thích hợp lý nhất là những con giun tròn này được đưa xuống những tầng đá trong hầm mỏ từ khoảng 250 – 350 triệu năm trước, khi vùng đất này vốn là nền của một vùng biển kín. Hơn thế nữa, Nam Phi vốn có nhiều cánh đồng muối, là nơi dừng chân của những bầy chim di cư lớn. Những con chim này cũng có thể là tác nhân mang giun tròn từ vùng ven bờ đại dương đến khu vực mặt đất phía trên hầm mỏ. Nhưng bản thân Borgonie cho rằng điều này khó xảy ra vì những con giun tròn có thể chết nếu bị cách ly khỏi nguồn nước muối.

Sự sống ở những vị trí sâu ngày càng nhiều hơn, đa dạng hơn những gì con người từng suy đoán. Trong một bài báo được công bố gần đây trên tạp chí Nature Communications, Borgonie và đồng nghiệp báo cáo một loạt các khám phá mới đến từ Driefontein và một mỏ khác ở Nam Phi, Kopanang.

Các lỗ khoan lấy mẫu mà họ kiểm tra không chỉ chứa vi khuẩn và giun tròn, mà còn là nhà của một loạt các động vật nhỏ khác, từ giun dẹp, giun phân đoạn đến các loài nấm, vi luân trùng (hay Trùng bánh xe) và thậm chí cả những gì dường như là một loài giáp xác.

Phong cách sống của những sinh vật này cũng vô cùng đa dạng. Một số loại nấm có vẻ dễ dàng bị lây nhiễm cho giun tròn, cho thấy chúng là ký sinh trùng. Hơn thế nữa, một trong những loài giun tròn được tìm thấy là loài ăn thịt, Brachyurus Mylonchulus có kích thước lớn hơn nhiều so với những sinh vật khác và sống bằng cách ăn những loài nhỏ hơn.

Những hệ sinh thái này dường như là tương đồng nhau trong tất cả các khu mỏ, cho dù độ sâu lấy mẫu hay tuổi thọ của nguồn nước có sự biến động khác nhau. Hiển nhiên là chúng thuộc nhóm các sinh vật có thể sống tốt dưới độ sâu lớn, và các biến thể đại diện của chúng ngày nay đã tiến hoá để thích nghi tốt với cuộc sống ở sâu trong lòng đất.

Việc phát hiện ra sự sống dưới lòng đất sâu đã làm thay đổi sâu sắc quy luật vẫn ngự trị lâu nay về những nơi mà sinh vật có thể sống sót trên hành tinh của chúng ta.

Nếu giun tròn có thể sống ở sâu trong lòng Trái Đất, thậm chí, có thể tồn tại trong môi trường vô cùng khắc nghiệt thì cũng có thể nói rằng còn nhiều loài động vật đơn bào khác đang sống dưới lòng đất.

Các phát hiện trên đây có thể truyền cảm hứng cho những người khác để tâm tìm kiếm sự sống phức tạp hơn ở những nơi khắc nghiệt, thay vì chỉ tìm vi khuẩn. Gần như chắc chắn rằng nhiều sinh vật sống ở vùng sâu hơn nữa sẽ xuất hiện trong vài năm tới.

Đây cũng là tiền đề để các nhà khoa học tìm kiếm sự sống ở những hành tinh khác ngoài Trái Đất. Vi sinh vật là loài dễ tìm thấy nhất và hoàn toàn có thể tìm được chúng dưới lòng đất sâu.