Phát hiện nguồn oxy cổ xưa có thể đã thúc đẩy sự sống trên Trái đất

Một nghiên cứu mới cho thấy các phản hóa học khác nhau, được thúc đẩy bởi hoạt động địa chất và nước nóng ở mức gần sôi, có thể đã cung cấp oxy cho một số dạng sống sớm nhất xuất hiện trên thế giới.

Những trận động đất mạnh làm rung chuyển Trái đất cách nay khoảng 3,8 tỷ năm đã làm nứt vỡ phần vỏ hành tinh của chúng ta, cho phép các phản ứng hóa học dữ dội diễn ra sâu bên trong phần đất đá bị đứt gãy.

Hydro peroxit sinh ra từ các phản ứng hóa học do tác động của hoạt động kiến tạo vỏ Trái đất có thể đã hỗ trợ sự sống sơ khai. (Nguồn: Live Science)

Một nghiên cứu mới cho thấy những phản ứng này, được thúc đẩy bởi hoạt động địa chất và nước nóng ở mức gần sôi, có thể đã cung cấp oxy cho một số dạng sống sớm nhất xuất hiện trên thế giới..

Theo nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Nature Communications hôm 8/8, loại oxy được tạo ra trong giai đoạn kể trên nằm trong hợp chất hydro peroxit (H₂O₂ – còn được biết tới với tên gọi oxy già). Chất này có chứa hai nguyên tử hydro và hai nguyên tử oxy liên kết với nhau.

Oxy già, được biết đến nhiều nhất như một chất khử trùng, có khả năng gây ngộ độc cho các sinh vật sống. Tuy nhiên nó vẫn có thể là một nguồn oxy hữu ích nếu được phân hủy bởi các enzym hoặc dưới những phản ứng xảy ra dưới nhiệt độ cao. Đây là nhận định của Jon Telling, tác giả chính của nghiên cứu đồng thời là giảng viên cao cấp về địa hóa học và địa sinh vật học tại Đại học Newcastle ở Anh.

Qua các thí nghiệm khác nhau, Telling và đồng nghiệp của ông đã khám phá ra cách thức một lượng lớn hydro peroxitcó thể đã hình thành trên Trái đất ở giai đoạn sơ khai - và do đó đóng vai trò là nguồn oxy tiềm năng cho một số sinh vật xuất hiện sớm nhất trên hành tinh.

Nhóm nghiên cứu thấy rằng các phản ứng tạo hydro peroxit hoạt động hiệu quả nhất ở nhiệt độ gần điểm sôi của nước là 100 độ C. Tuy nhiên vẫn có một lượng hydro peroxit được tạo ra ở mức nhiệt độ thấp hơn là 80 độ C. Đáng chú ý là các mốc nhiệt độ này trùng lặp với dải nhiệt độ mà các vi khuẩn và tảo ưa nhiệt cổ đại phát triển mạnh, theo lời Telling.

Người ta vẫn cho rằng tổ tiên chung của tất cả sự sống trên Trái đất đã tiến hóa để có thể tồn tại trong môi trường nóng như thiêu đốt. Vì vậy về lý thuyết, sinh vật tổ tiên bí ẩn này cũng có thể đã chịu ảnh hưởng từ sự hiện diện của rất nhiều hydro peroxit, hình thành tại khu vực nằm sâu trong lớp vỏ Trái đất.

Nghiên cứu về nguồn gốc của khí oxy trong giai đoạn sơ khai của Trái đất tại Đại học Newcastle. (Nguồn: LiveScience)

Và một điều quan trọng nữa là vì hydro peroxit có khả năng làm hỏng chất béo, protein và mã di truyền của tế bào, các sinh vật sống sơ khai sẽ cần sử dụng nhiều chiến lược khác nhau để “giải độc” hợp chất này, nếu nó hiện diện trong môi trường sống của chúng.

Hydro peroxit cũng là một sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình quang hợp. Do đó, để phát triển khả năng quang hợp, trước tiên các sinh vật cần phải có khả năng xử lý oxy già trước.

Các nghiên cứu và thí nghiệm trước đâycho thấy rằng nhiều loại khoáng chất từng tồn tại trong vỏ Trái đất ở giai đoạn sơ khai có thể là một nguồn hydro peroxit tiềm năng, và do đó cũng là một nguồn oxy tiềm năng.

Một số thí nghiệm này bao gồm việc nghiền đá trong các điều kiện cụ thể, sau đó cho phầnđá nghiền tiếp xúc với nước. Việc này nhằm bắt chước, ở quy mô nhỏ, các lực tác động mà đá đã phải chịu trong những vùng có hoạt động kiến tạo của lớp vỏ Trái đất ở giai đoạn sơ khai – nơi phần vỏ Trái đất nứt vỡ ra và nước đã chảy xuống gây phản ứng hóa học.

Khi Trái đất chưa đầy một tỷ năm tuổi, hành tinh này vẫn chưa có các phiến tầng lớn trượt trên lớp phủ của nó. Vào thời điểm ấy, lớp vỏ Trái đất vẫn bị vênh và nứt cục bộ ở nhiều khu vực do hoạt động của núi lửa và sự tương tác giữa các phần vỏ có kích cỡ nhỏ.

Mặc dù các thí nghiệm trước đâyđã chứng minh rằng hoạt động kiến tạo ban đầu có khả năng tạo ra khí hydro và hydro peroxit dạng hoàn chỉnh, những thí nghiệm ấy vẫn chỉ tạo ra được một lượng nhỏ các hợp chất.

Nước nóng tràn vào các vết nứt vỏ Trái đất, hình thành do hoạt động kiến tạo địa chất, đã thúc đẩy các phản ứng tạo ra hydro peroxit. (Nguồn: LiveScience)

Trong nghiên cứu mới, Telling và đồng nghiệp của ông đã tiến hành các thí nghiệm tương tự nhưng cho phần bột đá nghiền này tiếp xúc với một phạm vi nhiệt độ rộng hơn và trong thời gian dài hơn - lên đến một tuần. Dựa trên các nghiên cứu trước đây, họ nghi ngờ rằng phương pháp này có thể làm tăng lượng hydro peroxitđược tạo ra.

Trong các thí nghiệm của mình, nhóm nghiên cứu cũng sử dụng đá granit - một loại đá được tìm thấy trong lớp vỏ lục địa, bên cạnh đá bazan và peridotit - vốn có nhiều trong lớp vỏ đại dương sơ khai của Trái đất.

Họ mài những loại đá này để có bột mịn rồi cho vào bình không chứa oxy, thêm nước và nung nóng.Khi bột đá đạt đến nhiệt độ gần sôi, các "khiếm khuyết" trong những khoáng chất thành phần của chúng trở nên kém ổn định hơn và có nhiều khả năng phản ứng với nước hơn.

Cụ thể, những khiếm khuyết này bao gồm các "liên kết peroxit" – những vị trí mà hai nguyên tử oxy liên kết với nhau trong cấu trúc tinh thể của khoáng chất, trong khi thông thường ở những vị trí đó oxy chỉ liên kết với nguyên tử silicon

“Nhưng khi phần bột đá bị đun nóng lên, các khiếm khuyết có thể bị bật ra khỏi hợp chất dưới áp lực. Chúng có thể di chuyển qua cấu trúc tinh thể đến phần bề mặt, sau đó bắt đầu tương tác với nước. Sự tương tác này cuối cùng tạo nên hydro peroxit,” Telling giải thích.

Kết quả nghiên cứu mới cho thấy rằng, các vùng của Trái đất sơ khai, nơi có nhiều hoạt động địa chất và bị nung nóng ở nhiệt độ cao, hoàn toàn có thể chứa rất nhiều hydroperoxid. Môi trường này hẳn đã cung cấp điều kiện “đào tạo” cần thiết cho các sinh vật sơ khai tiến hóa thành vi khuẩn lam – một loại tảo xanh đã chịu trách nhiệm bơm khí oxy đẩy vào bầu khí quyển Trái đất và và do đó định hình lộ trình phát triển của hành tinh chúng ta.

Cập nhật: 12/08/2022 Vietnam+