Nguồn gốc oxy: khi thạch anh và lực địa chất góp phần tạo khí

Ai đã từng tự hỏi oxy đầu tiên trong khí quyển Trái Đất xuất hiện từ đâu? Không chỉ vi sinh vật quang hợp mới đáng chú ý: một dòng bằng chứng thí nghiệm và địa chất cho thấy các quá trình vật lí-khí hóa trên bề mặt hành tinh cũng có thể tạo ra phân tử oxy và các chất ôxy hóa khác trước khi bầu khí quyển trở nên giàu oxy.

Thí nghiệm nghiền thạch anh: mô phỏng bề mặt Trái Đất sơ khai

Một nhóm nghiên cứu do Mark Thiemens cộng tác đã dùng thạch anh — một khoáng chất silicate phổ biến — làm mẫu vật. Họ nghiền mịn tinh thể thạch anh và cho chúng tiếp xúc với nước trong điều kiện hoá học được thiết kế mô phỏng môi trường cổ địa cầu. Kết quả cho thấy bề mặt tinh thể vỡ ra có thể tham gia phản ứng với nước, tạo ra oxy phân tử cùng những hợp chất chứa oxy khác.

Trong thí nghiệm này, sản phẩm đo được bao gồm hydrogen peroxide — một phân tử có tính oxy hóa mạnh — cùng các dạng oxy hoạt tính được gọi chung là gốc tự do. Những kết quả này mở ra khả năng rằng mài mòn khoáng vật trên quy mô lớn có thể sinh ra các hợp chất ôxy hóa ngay tại vùng tiếp xúc đá–nước.

Làm sao đá vỡ có thể tạo oxy?

Khi tinh thể bị phá hủy cơ học, các liên kết hóa học trên bề mặt bị lộ ra và trở nên nhiều phản ứng hơn với môi trường xung quanh. Trong điều kiện có nước, những vị trí phản ứng này có thể thúc đẩy hình thành peroxide và các phân tử ôxy hoạt tính khác. Những phân tử này không nhất thiết dẫn thẳng tới lượng oxy bầu khí quyển lớn, nhưng chúng là nguồn oxy hóa tại chỗ có tác động sinh học và hóa học rõ rệt.

Vai trò của động đất và xói mòn

Hoạt động địa chất như động đất, xói mòn bờ sông hay chuyển động băng có khả năng mài mòn khoáng vật — tức là tạo ra bề mặt đá mới có nhiều vị trí phản ứng. Các nhà nghiên cứu ước tính riêng quá trình liên quan đến địa chấn có thể tạo ra hydrogen peroxide với quy mô lớn hơn đáng kể so với một số phản ứng diễn ra trong khí quyển, được nêu bằng một con số ấn tượng trong báo cáo: lượng peroxide sinh ra từ hoạt động địa chấn có thể lớn hơn gấp 100 tỷ lần so với nguồn khí quyển so sánh.

Tác động lên sự tiến hoá sống sớm

Các sản phẩm ôxy hóa tạo ra từ đá vỡ, như gốc tự do và hydrogen peroxide, có thể gây hại cho các phân tử sinh học cơ bản — ví dụ ADN và thành phần tế bào. Timothy Lyons và đồng nghiệp chỉ ra rằng áp lực môi trường này có thể là một động lực tiến hoá quan trọng: sinh vật sơ khai phải phát triển cơ chế bảo vệ, chẳng hạn enzyme, để trung hòa hoặc sửa chữa thiệt hại do các phân tử ôxy hóa gây ra.

Nói cách khác, nguồn oxy cục bộ từ các phản ứng đá–nước có thể đã thúc đẩy sự xuất hiện các khả năng sinh học cơ bản để xử lý ôxy — một bước tiền đề cho những thay đổi lớn hơn sau này trong lịch sử khí quyển.

Kết nối với Thảm họa oxy

Mặc dù hoạt động địa chất có thể tạo oxy và hợp chất ôxy hóa, phần lớn oxy tự do hiện diện trong khí quyển ngày nay được cho là đến từ quang hợp của thực vật và vi sinh vật. Lượng oxy trong khí quyển trước một giai đoạn gọi là Thảm họa oxy rất thấp; sau đó nồng độ oxy tăng vọt trong một sự kiện đã được ghi nhận là xảy ra cách đây khoảng 2,3–2,4 tỷ năm, khi các vi sinh vật tạo oxy lan rộng mạnh mẽ.

Vì vậy, nguồn oxy do cơ chế đá–nước tạo ra không bị xem là thay thế cho quang hợp trong việc làm giàu khí quyển, nhưng nó đại diện cho một nguồn oxy và các chất ôxy hóa quan trọng trên quy mô địa phương, có thể ảnh hưởng tới tiến hoá các cơ chế sinh học trước khi quang hợp trở nên chiếm ưu thế.

Không chỉ trên Trái Đất: gợi ý cho các thiên thể khác

Các tác giả nghiên cứu còn nêu ý nghĩa rộng hơn: quá trình tương tự có thể diễn ra trên các thiên thể khác, nơi có vật liệu silicate và tác nhân cơ học. Tác động như bão cát trên sao Hỏa hoặc biến dạng do thủy triều trên vệ tinh Enceladus của sao Thổ có thể cung cấp điều kiện để tạo ra oxy hay hợp chất ôxy hóa theo cơ chế tương tự.

Những khả năng này không khẳng định sự có mặt của oxy bầu khí quyển trên các hành tinh khác, nhưng mở ra hướng suy nghĩ rằng các quá trình vật lý và hoá học đơn giản có thể sinh ra các hợp chất cần chú ý trong bối cảnh tìm hiểu tiền điều kiện cho sự sống.

Những điều cần lưu ý khi đọc các kết quả

• Thí nghiệm mô phỏng dùng thạch anh vì đây là một trong những khoáng chất silicate đơn giản và phổ biến; điều này giúp đưa ra kết luận có tính khái quát cho nhiều môi trường đá–nước.
• Các sản phẩm như hydrogen peroxide là những phân tử có thể vừa gây hại vừa đóng vai trò trong các chu trình hoá học, tuỳ theo nồng độ và bối cảnh sinh học.
• Con số về tỷ lệ sản xuất peroxide từ địa chấn so với khí quyển được trình bày như một ước tính trong nghiên cứu — nó làm nổi bật tiềm năng lớn của các quá trình địa chất trên quy mô hành tinh.

Suy ngẫm cuối bài

Phát hiện rằng đá vỡ có thể sinh ra oxy và các chất ôxy hóa làm thay đổi cách ta nghĩ về nguồn cung oxy sơ khai trên hành tinh. Thay vì coi quang hợp là nguồn duy nhất quan trọng, cần nhìn nhận một bức tranh đa nguồn: các quá trình vật lý-vật chất trên bề mặt Trái Đất cung cấp những ‘vi vùng’ ôxy hóa, đặt áp lực chọn lọc lên sinh vật và góp phần vào lộ trình tiến hoá dẫn tới thế giới giàu oxy sau cùng.

Hiểu rõ hơn cơ chế này cũng giúp nhà khoa học mở rộng suy đoán về điều kiện tiền-sinh học trên các hành tinh khác, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của mối liên hệ giữa địa chất và sinh học trong giai đoạn đầu của lịch sử Trái Đất.

Các câu hỏi thường gặp

Thạch anh được dùng trong thí nghiệm vì sao?

Thạch anh được chọn bởi tính đơn giản và sự phổ biến của nó như một khoáng chất silicate, nên dùng mẫu này giúp mô phỏng phản ứng rộng hơn có thể xảy ra trên nhiều loại đá khác.

Hydrogen peroxide do đá tạo có thể tích tụ trong khí quyển không?

Các kết quả chỉ cho thấy peroxide và các oxy hoạt tính được sinh ra tại bề mặt đá tiếp xúc với nước; không có bằng chứng trực tiếp rằng nguồn này một mình làm tăng nồng độ oxy bầu khí quyển lớn như sau Thảm họa oxy.

Những phân tử ôxy hóa này ảnh hưởng thế nào tới sự sống?

Các gốc tự do như peroxide có thể phá hủy các phân tử sinh học cơ bản; điều đó tạo ra áp lực tiến hoá để sinh vật phát triển cơ chế bảo vệ, ví dụ enzyme trung hòa oxy hóa.