Sinh quyển sâu: vi sinh vật và giun tròn sống hàng kilômét trong lòng đá

Sinh quyển sâu là tên gọi cho toàn bộ sự sống nằm sâu dưới mặt đất và dưới đáy biển, trong khe nứt và lỗ rỗng của đá, có nơi sâu vài kilômét. Ở đó không có ánh nắng, không có ô-xy, nhiệt độ cao dần theo độ sâu, vậy mà vi khuẩn, vi khuẩn cổ và thậm chí cả giun tròn vẫn sống, nhiều loài bằng năng lượng hoá học lấy từ chính đá và nước. Các ước tính gần đây cho rằng khối lượng sự sống trong lòng đất lớn gấp hàng trăm lần khối lượng toàn bộ loài người.

Sinh quyển sâu là gì

Ta quen hình dung sự sống trải mỏng trên bề mặt hành tinh: rừng, biển, đồng cỏ, và vài mét đất bên dưới. Từ thập niên 1980 – 1990, các mũi khoan dầu khí, khoan khoa học và những đường hầm mỏ ngày càng sâu bắt đầu mang lên mẫu đá và nước có vi sinh vật sống, ở độ sâu mà trước đó người ta cho là vô sinh.

Sinh quyển sâu không phải một hang lớn chứa đầy sinh vật. Nó là mạng lưới khe nứt li ti, lỗ rỗng giữa các hạt cát kết, mạch nước ngầm cổ, nơi tế bào sống rải rác, thường rất thưa. Nhưng vì thể tích đá dưới chân ta khổng lồ, tổng số tế bào cộng lại thành con số đáng kinh ngạc.

Năm 2018, chương trình nghiên cứu quốc tế Deep Carbon Observatory công bố ước tính rằng sinh quyển sâu chứa khoảng 15 đến 23 tỷ tấn các-bon dưới dạng sinh khối, gấp vài trăm lần lượng các-bon trong cơ thể toàn bộ loài người. Đây là ước tính có biên độ rộng, dựa trên số mẫu còn ít so với diện tích hành tinh, nên nên hiểu là bậc độ lớn chứ không phải con số chính xác.

Mỏ vàng Nam Phi: cửa sổ xuống lòng đất

Những mỏ vàng quanh Johannesburg thuộc loại sâu nhất thế giới, đường hầm xuống tới ba đến bốn kilômét. Ở độ sâu đó đá nóng tới mức thợ mỏ phải làm việc trong không khí được làm mát nhân tạo. Nước rỉ ra từ các khe nứt trong đá là nước cổ, đã bị cô lập khỏi bề mặt hàng triệu năm theo phân tích đồng vị.

Các nhóm nghiên cứu đã lấy mẫu nước ấy ngay khi thợ khoan chạm vào khe nứt, và tìm thấy hai phát hiện nổi tiếng.

Desulforudis audaxviator: một loài sống một mình

Trong nước lấy từ độ sâu khoảng 2,8 km ở mỏ Mponeng, nhóm nghiên cứu công bố năm 2008 trên tạp chí Science rằng gần như toàn bộ ADN thu được thuộc về một loài vi khuẩn duy nhất. Họ đặt tên nó là Desulforudis audaxviator. Chữ audax viator nghĩa là "lữ khách gan dạ", lấy từ câu Latin trong tiểu thuyết Cuộc du hành vào lòng đất của Jules Verne.

Điều khiến loài này đặc biệt là nó dường như có đủ bộ gen để tự sống: tự cố định các-bon, tự cố định nitơ, tự tạo mọi axit amin cần thiết. Hầu hết hệ sinh thái trên Trái Đất có hàng trăm, hàng nghìn loài nương vào nhau; còn ở đây, một loài dường như làm hết. Nguồn năng lượng của nó được cho là hydro và sunfat sinh ra khi bức xạ từ urani tự nhiên trong đá tách phân tử nước. Nghĩa là, theo cách hiểu này, nó sống gián tiếp nhờ phân rã phóng xạ chứ không nhờ Mặt Trời.

Halicephalobus mephisto: giun từ dưới địa ngục

Năm 2011, nhóm của nhà động vật học Gaëtan Borgonie công bố trên Nature việc tìm thấy một loài giun tròn trong nước khe nứt ở độ sâu khoảng 1,3 km tại mỏ Beatrix, Nam Phi. Giun dài chưa tới một milimét, ăn màng vi khuẩn bám trên đá. Nó được đặt tên Halicephalobus mephisto, theo Mephistopheles, con quỷ trong truyền thuyết Faust, cho hợp với nơi ở "dưới âm phủ".

Phát hiện này quan trọng vì trước đó nhiều người tin sinh quyển sâu chỉ có sinh vật đơn bào. Một động vật đa bào, dù rất nhỏ, sống được ở độ sâu đó có nghĩa là chuỗi thức ăn dưới lòng đất phức tạp hơn tưởng. Nhóm nghiên cứu kiểm tra kỹ để loại trừ khả năng giun bị nước khoan hay nước mặt mang xuống, chẳng hạn bằng cách phân tích tuổi nước và tìm giun ở nhiều điểm khoan. Vài năm sau, cùng nhóm này báo cáo thêm giun dẹp, luân trùng và động vật chân khớp nhỏ trong nước khe nứt ở các mỏ Nam Phi.

Sống bằng gì khi không có ánh nắng

Trên mặt đất, gần như mọi chuỗi thức ăn bắt đầu bằng quang hợp. Dưới lòng đất, sinh vật phải tìm năng lượng từ phản ứng hoá học. Có vài nguồn chính:

Các nguồn này rất nghèo so với ánh nắng. Vì vậy sự sống dưới sâu diễn ra cực chậm. Nhiều nghiên cứu cho rằng một số tế bào trong trầm tích đáy biển phân chia mỗi vài trăm hay vài nghìn năm một lần, thay vì vài chục phút như vi khuẩn đường ruột. Có nhà khoa học ví chúng như đang "sống trong chế độ tiết kiệm điện": chỉ đủ năng lượng để sửa chữa hư hỏng, giữ cho tế bào khỏi chết, hiếm khi đủ để sinh sản. Con số chính xác vẫn khó đo, vì không thể ngồi chờ hàng thế kỷ để đếm.

Giới hạn nhiệt độ: sự sống dừng ở đâu

Càng xuống sâu, đá càng nóng; trung bình mỗi kilômét nóng thêm khoảng 25 đến 30 °C ở vỏ lục địa, tuỳ vùng. Vì thế giới hạn dưới của sinh quyển sâu phần lớn do nhiệt độ quyết định chứ không phải độ sâu.

Kỷ lục được chấp nhận rộng rãi về nhiệt độ tối đa cho sinh trưởng thuộc về một chủng vi khuẩn cổ Methanopyrus kandleri, được báo cáo năm 2008 là vẫn nhân lên ở 122 °C dưới áp suất cao trong phòng thí nghiệm. Áp suất lớn giữ cho nước không sôi, nên dưới đáy biển và trong lòng đá, nước lỏng có thể nóng hơn 100 °C mà vẫn là môi trường sống được.

Dưới đáy biển, các mũi khoan khoa học ngoài khơi Nhật Bản đã lấy được tế bào sống từ trầm tích nằm khoảng 2,5 km dưới đáy biển. Ở một mũi khoan khác gần rãnh Nankai, các nhà khoa học tìm cách xác định nơi sự sống thưa dần rồi biến mất khi nhiệt độ lên quá khoảng 100 – 120 °C. Ranh giới đó không sắc nét, và mỗi mũi khoan mới lại có thể đẩy nó đi xa hơn một chút.

Vì sao các nhà khoa học quan tâm

• Nguồn gốc sự sống: một số giả thuyết cho rằng sự sống sơ khai có thể đã bắt đầu ở nơi giống miệng phun thuỷ nhiệt hoặc khe đá nóng, nơi có hydro và khoáng chất. Sinh vật dưới sâu ngày nay có thể giữ lại những lối trao đổi chất rất cổ.
• Sự sống ngoài Trái Đất: bề mặt sao Hoả khô và bị bức xạ chiếu mạnh, nhưng dưới lòng đất có thể có nước và hoá chất. Nếu sự sống trên Trái Đất trụ được hàng triệu năm trong đá không cần Mặt Trời, câu hỏi tương tự với sao Hoả trở nên đáng đặt ra.
• Chu trình các-bon: vi sinh vật dưới sâu tham gia tạo và tiêu thụ mê-tan, ảnh hưởng tới lượng khí này thoát lên bề mặt.
• Công nghiệp: vi sinh vật có thể làm ăn mòn ống thép trong giếng dầu, làm chua mỏ khí bằng hydro sunfua, hoặc ngược lại được dùng để xử lý ô nhiễm.

Những điều còn chưa chắc

Nghiên cứu sinh quyển sâu có một nỗi lo thường trực: nhiễm bẩn. Mũi khoan, nước làm mát, không khí trong đường hầm đều mang theo vi sinh vật từ bề mặt. Một tế bào lạc xuống có thể bị tưởng là cư dân bản địa. Vì vậy các nhóm nghiên cứu nghiêm túc thường pha chất đánh dấu vào nước khoan, so sánh ADN với mẫu đối chứng và kiểm tra tuổi nước.

Câu hỏi khác là những tế bào sống cực chậm kia thật sự "sống" theo nghĩa nào. Chúng có thể là quần thể đang lặng lẽ tồn tại hàng triệu năm, hoặc là tàn dư đang chết dần rất chậm. Bằng chứng hiện nay nghiêng về việc ít nhất một phần trong số chúng còn hoạt động trao đổi chất, nhưng tốc độ thật vẫn là đề tài tranh luận.

Góc nhìn hôm nay

Sinh quyển sâu thay đổi câu hỏi "sự sống cần gì". Trước đây câu trả lời quen thuộc là ánh sáng, nước và nhiệt độ dễ chịu. Giờ ta biết nước lỏng và một nguồn năng lượng hoá học là đủ cho vi sinh vật, kể cả khi nguồn ấy nhỏ giọt từ phân rã phóng xạ trong đá. Điều đó khiến bản đồ những nơi có thể có sự sống, trên Trái Đất lẫn ngoài vũ trụ, rộng ra rất nhiều.

Muốn tìm hiểu thêm, có thể đọc các bài tổng hợp phổ thông của chương trình Deep Carbon Observatory, hoặc sách phổ biến khoa học về vi sinh vật cực đoan. Tài liệu của chương trình khoan đại dương quốc tế, nơi tàu khoan Chikyu của Nhật Bản tham gia, có nhiều hình ảnh về cách lấy mẫu sạch từ hàng kilômét dưới đáy biển. Ở Việt Nam, các bảo tàng địa chất giúp hình dung lớp đá mà những vi sinh vật này gọi là nhà.