Cuộc nghiên cứu nơi hoang địa
Vào năm 2017, một nhóm các nhà khoa học từ Đức đã rong ruổi đến Chile để nghiên cứu chi tiết cách các sinh vật sống chạm khắc nên bề mặt Trái đất. Một nhân viên kiểm lâm địa phương đã hướng dẫn họ băng qua Pan de Azúcar, một công viên quốc gia rộng khoảng 150 dặm vuông ở bờ biển phía nam của Sa mạc Atacama, nơi thường được mô tả là hoang mạc khô hạn nhất trên Trái đất. Họ thấy mình đang ở một vùng đất hoang bằng phẳng, đầy sỏi đá, thỉnh thoảng bị gián đoạn bởi những ngọn đồi, nơi những cây xương rồng lông lá vươn cành và gai của chúng về phía bầu trời chẳng bao giờ có mưa. Mặt đất dưới chân họ tạo thành một bàn cờ, với những mảng đá cuội tối màu không đều nằm giữa những viên đá sáng màu hơn, trắng bệch như xương.
Ban đầu, những mảng đen lốm đốm trên bề mặt sa mạc không hề thu hút sự chú ý của trưởng nhóm Burkhard Büdel, một nhà sinh vật học kỳ cựu, người đã dành vài thập kỷ qua để đào xới các sa mạc trên cả bảy lục địa để tìm dấu hiệu của sự sống. Những sự đổi màu như thế này, được gọi là véc-ni sa mạc, là phổ biến và thường báo hiệu sự lắng đọng của man-gan hoặc các khoáng chất khác. Tiếp tục di chuyển, ông đã chỉ dẫn cho các đồng đội của mình.
Nhưng sinh viên mới tốt nghiệp của ông, Patrick Jung, không thể bỏ bàn cờ này ra khỏi tâm trí. Khi phát hiện ra thứ trông giống như địa y (lichen) trên một số viên sỏi sẫm màu, Jung nghi ngờ rằng có thể có thứ gì đó khác sinh sống ở trên chúng. Cuối cùng, anh nhặt lấy một hòn đá, nhỏ một ít nước từ một cái chai lên đó và quan sát nó qua thấu kính lúp cầm tay của mình. Mặt đá đen bùng nổ với màu xanh lá. Hòn sỏi đã trở nên sống động.
Jung lấy một máy dò dấu hiệu quang hợp (photosynthesis monitor) ra khỏi ba lô của mình. Một lần chạm vào cảm biến huỳnh quang màu xanh lam của nó đã xác nhận rằng có thứ gì đó bên trong những hòn đá đang chuyển đổi carbon dioxide (CO₂) thành khí oxy (O₂). Sau khi các đồng nghiệp của Jung, bao gồm cả Büdel, lặp lại thí nghiệm, tất cả họ đều nhảy lên đầy phấn khích dưới ánh mặt trời sa mạc. Sau đó, họ nằm sấp xuống, mắt dán chặt vào tấm thảm vi khuẩn đang sống trong đất đá. Xung quanh họ, những mảng tối lặp đi lặp lại khắp cảnh quan, mỗi mảng chứa đầy vũ trụ ở cấp độ vi mô của riêng nó.
Bản đồ vị trí của công viên quốc gia Pan de Azúcar, trải dài trên ranh giới giữa hai vùng Antofagasta và Atacama của Chile. Ảnh: Merrill Sherman/Quanta Magazine; nguồn: USGS.
Kể từ năm 2019, Jung đã đứng đầu một dự án tại Đại học Khoa học Ứng dụng ở Kaiserslautern, Đức, chuyên nghiên cứu về cộng đồng vi khuẩn bất thường, hiện được gọi là lớp vỏ đá cứng (grit crust). Nhóm của Jung đã làm việc để tìm hiểu về khả năng thích nghi khắc nghiệt đã cho phép những vi sinh vật này sinh sống ở một vùng đất có khí hậu vô cùng khắc nghiệt, nơi chúng chỉ thỉnh thoảng được tưới tắm bằng những ngụm sương mù (gần không có mưa). Những câu trả lời mà họ đã khám phá ra cung cấp manh mối về cách mà sự sống lần đầu tiên có thể tìm thấy chỗ ở trên bề mặt hành tinh của chúng ta hàng tỷ năm trước.
Hai tháng trước, nhân viên kiểm lâm công viên, người lúc đầu đã đưa các nhà khoa học Đức đến Pan de Azúcar, cũng đã hướng dẫn tôi (tác giả Zack Savitsky) tới địa điểm khám phá của các nhà khoa học ấy. Quỳ một chân xuống một trong những khoảng màu đen của bàn cờ, José Luis Gutiérrez Alvarado nhặt một viên đá có kích thước bằng một chiếc khuyên tai. Anh lấy từ trong túi ra một chiếc kính lúp phóng đại mà các thợ kim hoàn hay dùng, một vật kỷ niệm cá nhân có ghi dòng chữ “Los secretos de las rocas” (bí mật của những tảng đá). Anh giữ chiếc kính lúp phía trên viên đá trong lòng bàn tay để tôi cũng có thể tìm hiểu những bí mật của nó.
Việc phát hiện ra lớp vỏ đá cứng đã biến đổi sa mạc trong nhãn quan của Gutiérrez Alvarado, người đã tuần tra nó hàng ngày trong suốt thập kỷ qua. “Không chỉ có đá, không chỉ có không gian trống trải,” anh nói, nhìn ra ngoài những mảng đá cuội. “Bây giờ mọi thứ đều đang hít thở.”
Nhà nghiên cứu Liesbeth van den Brink và nhân viên kiểm lâm công viên José Luis Gutiérrez Alvarado đang kiểm tra các vi sinh vật “vỏ đá cứng” sống trên đá cuội trên nền sa mạc. Một kính lúp chuyên dành cho thợ kim hoàn mà Gutiérrez Alvarado mang theo có khả năng phóng đại. Ảnh: Zack Savitsky, Quanta Magazine.
Lớp da sống động của hành tinh
Lái xe qua Pan de Azúcar cùng với Gutiérrez Alvarado giống như đi trong cỗ máy thời gian địa chất. Từ các hang động núi lửa cổ xưa từ một thời đại đã qua đến những ngọn đồi cát thoai thoải bị xói mòn từ một thời đại khác, và xa xa hơn nữa là một vách đá phủ cỏ hoặc bụi xương rồng phân bố rải rác.
Bản đồ địa hình Pan de Azúcar (màu nâu nhạt) và khu vực lân cận (màu sáng) cho thấy công viên quốc gia này không hẳn là một vùng bằng phẳng hoàn toàn mà là xen kẽ các ngọn đồi cao và nhiều khối núi đá lớn, với độ cao trung bình 500 mét, địa hình đồi cao tập trung ở khu vực phía nam. Bản thân toàn bộ công viên cũng nằm trên một bình nguyên nhỏ ngoại trừ vùng thấp ven biển. Ảnh: Google Maps.
Giữa những ngọn đồi lộ diện phần nhô ra của nền đá mẹ, một đống thạch anh được trộn với các khoáng chất khác nhau. Dưới chân nó là thế hệ con cháu của nó, những khối nhỏ hơn đã vỡ ra trong hàng triệu năm. Bên dưới chúng là một cuộc diễu hành của những tảng đá càng lúc càng bé hơn, thu nhỏ thành những hạt có kích thước bằng chiếc khuyên tai mà lần đầu tiên làm Jung mê mẩn. Những viên sỏi nằm rải rác trên nền sa mạc, được người dân địa phương gọi là “maicillo” và trong tiếng Anh là “grit”. Chất nền rất xốp, có nhiều vết nứt và góc nhỏ để vi khuẩn chui vào. Được chèn vào các kẽ hở của mỗi một loại đá là những bụi cây nhỏ màu xanh lá cây và đen.
Trong chuyến thám hiểm năm 2017, Jung đã thu thập và làm khô các mẫu cát đá này rồi vận chuyển chúng trở về Đức. Sau đó, anh lao vào tìm hiểu thêm về vi khuẩn với quyết tâm lớn đến mức anh đã hoàn thành bằng tiến sĩ chỉ trong hai năm rưỡi, với hơn 10 ấn phẩm được xuất bản. Từ các mẫu DNA, anh đã suy luận rằng lớp vỏ đá cứng bao gồm hàng trăm loài vi khuẩn lam (cyanobacteria), tảo lục và nấm – bao gồm một số tổ hợp địa y chưa được biết đến trước đây. Trong lúc đó, các đồng nghiệp của anh đã cắt mỏng những viên đá để chụp ảnh. Các bức ảnh cho thấy các sợi nấm riêng lẻ đã khoan sâu vào đá như thế nào, tạo nên mạng lưới các kênh phân nhánh.
Patrick Jung, một nhà nghiên cứu hiện đang làm việc tại Đại học Khoa học Ứng dụng ở Kaiserslautern, Đức, đã phát hiện ra cộng đồng vi sinh vật vỏ đá cứng ở Pan de Azúcar vào năm 2017. Ảnh: Quanta Magazine.
Thoạt nhìn, lớp vỏ đá cứng có vẻ giống như một ví dụ thông thường về thứ mà các nhà nghiên cứu gọi là lớp vỏ đất sinh học, hay “lớp vỏ sinh học” – một cộng đồng cộng sinh gồm vi khuẩn, nấm, tảo và các vi sinh vật khác bao phủ mặt đất trong các lớp kết dính. Khoảng 12% diện tích đất của Trái đất được bao phủ bởi các lớp vỏ sinh học. Các nhà sinh thái học thường gọi những cụm sinh học này là “lớp da sống” của hành tinh.
Trong thế kỷ vừa qua, các nhà khoa học đã xác định được những lớp vỏ sinh học trên toàn cầu và tìm hiểu vai trò của chúng trong việc hình thành các hệ sinh thái. Họ đã khám phá được rằng lớp vỏ giúp cố định các hạt đất tại chỗ và cung cấp cho các sinh vật phát triển trong đất đó các chất dinh dưỡng thiết yếu như carbon, nitơ và phốt pho. Vào năm 2012, Büdel và các đồng nghiệp của ông đã ước tính rằng lớp vỏ sinh học hấp thụ và tái chế khoảng 7% tổng lượng carbon và gần một nửa lượng nitơ được “cố định” về mặt hóa học bởi thảm thực vật trên cạn. Vai trò của lớp vỏ sinh học trong việc tạo ra hợp chất nitơ có thể tiêu hóa đặc biệt quan trọng ở các sa mạc khô cằn: Ở những nơi khác, sét thường có thể chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành nitrat (-NO₃), nhưng ở sa mạc, rất hiếm xảy ra những đợt sấm sét.
Jayne Belnap, một nhà sinh thái học tại Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, người đã giúp chuẩn hóa thuật ngữ “lớp vỏ sinh học” vào năm 2001, cho biết: Lớp vỏ sinh học tạo ra “những ốc đảo màu mỡ nhỏ bé. Khu vực đó sẽ [giống như] những que kem cho các sinh vật sống trong đất. Chúng nghiện đường y như tất cả chúng ta.”
Nhưng cộng đồng vi sinh vật ở Pan de Azúcar không chỉ đơn giản là bất kỳ lớp vỏ sinh học cũ nào. Trong khi các lớp vỏ sinh học truyền thống tự phủ lên trên lớp đất mịn trên cùng và các loại sinh vật khác mọc trực tiếp trên các tảng đá riêng lẻ, thì “cát sỏi (grit) nằm ở giữa – nó là một vùng chuyển tiếp,” Liesbeth van den Brink, một nhà nghiên cứu sinh thái học tại Đại học Tübingen, cho biết như vậy. Bà hiện đang sống ngay bên ngoài Pan de Azúcar cùng với Gutiérrez Alvarado. Trong lớp vỏ đá cứng, đá cung cấp cấu trúc, nhưng vi khuẩn xâm chiếm chúng trong một tấm kết dính — giống như một lớp nhựa thông mỏng trát vữa một khu vườn đá.
Rómulo Oses, nhà sinh vật học tại Đại học Atacama, cho biết do các sinh vật có mối liên hệ mật thiết với nền đá nên các lớp vỏ đá cứng là hiện thân của “sự va chạm giữa tính phi sinh học với đặc tính sinh học. Tại mặt phân giới này, bạn sẽ thấy rất nhiều câu trả lời.”
Lớp vỏ đá cứng của Pan de Azúcar đã buộc các nhà khoa học mở rộng quan niệm của họ về việc lớp vỏ sinh học là gì, nơi nào các vi khuẩn có thể tồn tại, và cách cộng đồng vi sinh vật hình thành nên môi trường xung quanh chúng ra sao. Họ đang mở ra cánh cửa để xem xét lại cách Trái đất và sự sống cùng nhau tiến hóa qua các thời đại.
Trong công viên, nhiều loài xương rồng khác nhau được nuôi dưỡng bởi màn sương mù mà chúng thường xuyên tràn vào từ bờ biển. Mặc dù khí hậu khô hạn nhưng với lợi thế gần biển nên nơi này vẫn sở hữu được cách thức cấp nước độc đáo của riêng mình. Ảnh: Zack Savitsky, Quanta Magazine.
Nhấm nháp sương mù
Pan de Azúcar hoang vắng, nhưng không hề vô hồn. Giáp với Thái Bình Dương ở gần mực nước biển, công viên có khí hậu ôn hòa hơn nhiều so với vùng lõi siêu khô cằn trên cao nguyên của Atacama. Tuy nhiên, nó nhận được lượng mưa nhiều nhất là 12 mm hàng năm và mức độ bức xạ mặt trời thường cao đến chóng mặt.
Trên đường đi đến xe tải bán đồ ăn duy nhất của công viên, nơi Gutiérrez Alvarado, van den Brink và tôi (tác giả Savitsky) có thể dừng lại để mua một món hải sản địa phương có tên empanada gần giống bánh mì kẹp thịt, chúng tôi đi đường vòng. Gutiérrez Alvarado dừng lại để kiểm tra một trong những thiết bị theo dõi thời tiết của mình, được bao bọc trong dây thép gai và buộc chặt bằng đá trên sa mạc. Bên cạnh đó, anh chỉ ra một chỗ trũng trên mặt đất gần bằng cỡ con bò, nơi một con guanaco, họ hàng hoang dã của lạc đà không bướu, gần đây đã tắm mình trong đất cát. Gutiérrez Alvarado và các nhân viên kiểm lâm khác gần đây đã đếm được 83 con guanacos đang sống trong công viên.
Một con guanaco trong công viên Pan de Azúcar. Số lượng của chúng trước đây lên đến hơn 500 nhưng hiện đang giảm dần còn dưới 100 con. Ảnh: Flickr.
“Làm thế nào để chúng sống sót ở đây?” van den Brink kinh ngạc. “Làm thế nào để bất cứ điều gì tồn tại ở đây?”
Câu trả lời là sương mù dày đặc đặc biệt cuộn lên từ bờ biển Chile, một hiện tượng thời tiết được người dân địa phương gọi là camanchaca. Với lượng mưa quá ít, tất cả sự sống ở Pan de Azúcar cuối cùng đều phụ thuộc vào độ ẩm mà sương mù mang theo. Ví dụ, con guanaco sống dựa vào từng ngụm nước bị giữ lại bởi rêu bám vào xương rồng, mà xương rồng là loại cây mọc trong đất được cấp dinh dưỡng bởi lớp vỏ đá cứng.
Đây là một “chuỗi thức ăn” liên hoàn, phụ thuộc lẫn nhau đi từ vi sinh vật sống bao bọc trên cát sỏi lên tới động vật lớn như guanaco, cho nên nếu không có hệ vi sinh vật vỏ đá cứng thì guanaco cũng khó lòng tồn tại. Tất cả đều được hà hơi tiếp sức bởi sương mù.
Các vùng màu trắng trên đại dương tương ứng với loại mây tầng. Những đám mây này có mặt gần như quanh năm là nguyên nhân cho hiện tượng thời tiết camanchaca. Khu vực chịu ảnh hưởng sương mù nặng chỉ nằm dọc theo vùng ven biển phía bắc Chile và một phần nhỏ của Peru, với công viên Pan de Azúcar nằm ngay trung điểm của dải đất này. Lý do mà chúng chỉ phân bố ven biển là vì dãy Andes sâu trong đất liền đã ngăn chặn dòng sương mù tiến xa hơn, vì vậy hai bên sườn núi thuộc Chile, Bolivia và Argentina thực sự là các miền khí hậu rất khác nhau. Ảnh: Meteored.
Con người trong công viên cũng không khác. Trên một sườn núi nhìn ra bờ biển, có bốn tấm lưới kích thước bằng cửa nhà để xe, mà Gutiérrez Alvarado và các nhân viên kiểm lâm khác đã dựng lên để làm những bộ thu sương mù. Lượng nước ngưng tụ trên chúng mỗi ngày đủ để cung cấp cho… bồn rửa tại một trong số ít nhà vệ sinh của công viên. Giải pháp khác (nếu có) chỉ có thể là chở nước từ bên ngoài vào công viên hoặc chưng cất từ nước biển, vốn khá tốn kém. Sương mù dày đặc đến mức từng suýt khiến Gutiérrez Alvarado lái xe lao thẳng từ một vách đá xuống biển; đến khi chỉ có một dấu hiệu nhỏ trên mặt đất nhắc anh rẽ trái vào giây phút cuối cùng.
Một loạt các tấm lưới “bắt” màn sương mù sa mạc dày đặc được mệnh danh là camanchaca. Dòng chảy từ các tấm lưới cung cấp nước cho bồn rửa công cộng. Bên dưới tấm lưới là các ống dẫn nước. Ảnh: Zack Savitsky.
Tuy nhiên, hầu hết lượng nước đó nằm ngoài tầm với của các sinh vật sống trên vỏ đá cứng. Phần lớn thời gian trong ngày, những viên đá trở nên nóng tới mức một lớp không khí nóng như rang hình thành trên chúng như một kiểu ranh giới, ngăn không cho vi khuẩn hấp thụ độ ẩm. Các vi sinh vật đã học được cách chờ đợi cái nóng trong ngày qua đi, ở một trạng thái mất nước, không hoạt động. Nhưng vào ban đêm, không có ánh sáng mặt trời để chúng quang hợp. Vì vậy, các vi khuẩn có nhiều nhất là vài giờ sau khi mặt trời mọc để “uống” nước đã ngưng tụ dưới dạng sương mù hoặc sương sớm.
Cơ chế giải thích cho sự khô hạn của Atacama: Thứ nhất sa mạc nằm ở phía bên trái của dãy Andes liên quan đến gió thịnh hành. Như hình trên, gió mậu dịch đông nam thịnh hành mang theo không khí ẩm buộc phải bay lên cao. Hơi ẩm ngưng tụ và rơi xuống phía của dãy Andes đối diện với Atacama. Điều này thường được gọi là bóng mưa. Thứ hai là áp suất không khí cao. Về cơ bản, không khí đi xuống ấm lên, nghĩa là bất kỳ hơi ẩm nào bên trong đều chuyển thành hơi nước (khí, không phải chất lỏng) trái ngược với mưa. Cuối cùng là dòng hải lưu Humboldt lạnh giá từ nam Thái Bình Dương. Bất kỳ cơn gió nào trên đất liền đều bị làm lạnh nên chúng không thể hút hơi ẩm từ đại dương. Khi cộng dồn lại, hiệu ứng của ba điểm nói trên tạo ra nơi khô hạn nhất trên trái đất. Ảnh: SME.
Jung và các đồng nghiệp đã kiểm tra lượng nước mà vi khuẩn cần để bắt đầu quá trình quang hợp. Khẩu phần lý tưởng là 0.25 milimét nước (thang đo áp suất với 1 mmH₂0 ≈ 9.8 pascal) — thấp hơn mức nhu cầu của bất kỳ lớp vỏ sinh học nào khác đã biết. Nhưng một khi được làm ẩm, các vi khuẩn lại bắt đầu quang hợp nhanh hơn bất kỳ cộng đồng nào mà các nhà nghiên cứu từng thấy.
Belnap nói: “Có một cách để những sinh vật này sống lâu và phồn thịnh bất chấp thực tế là chúng đang ở trong một khu vực siêu khô hạn.” Sự tháo vát đó đã mở rộng đáng kể địa hình mà lớp vỏ sinh học có thể chiếm giữ ngoài những gì các nhà khoa học đã nghĩ. Mặc dù cho đến nay, lớp vỏ đá cứng chỉ được tìm thấy ở Pan de Azúcar, nhưng các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng nó cũng có thể phát triển ở các vùng khác của Atacama và có thể ở các sa mạc ở miền nam châu Phi như hoang mạc Namib (Namibia).
Ảnh trái: Màn sương mù đặc trưng vào sáng sớm của Sa mạc Namib, phủ trên cồn cát của biển cát miền trung Namib, nằm trong khu vực Di sản Thế giới được UNESCO công nhận. Ảnh phải: Lược đồ thể hiện phạm vi địa lý của sa mạc Namib. Ở Namibia, lằn ranh sương mù đi dọc theo đường viền phân định rìa phía đông của khu vực có khoảng 25 ngày sương mù mỗi năm. Sương mù ít xảy ra hơn ở phía đông của đường này. Hình dạng của đường sương mù này ở Nam Phi và Angola chỉ là gần đúng. “Môi trường sống trên cát” đề cập đến những khu vực có lớp phủ cát đủ sâu để cồn cát xuất hiện thường xuyên. Dải đất này gần như là sự sao chép địa mạo và kiểu khí hậu camanchaca ở Chile. Nguồn: ESA Journals.
Jung cho biết: “Lớp vỏ đá cứng đang thiết lập một ngưỡng mới cho các điều kiện giúp sự sống trở nên khả thi.”
Tuy nhiên, giống như sa mạc đã tạo điều kiện cho những vi khuẩn này, đến lượt mình các vi khuẩn đã định hình sa mạc theo đúng nghĩa đen. Do tất cả các sinh vật xâm chiếm những viên đá nhỏ, khi lớp vỏ đá cứng bị ướt và các tế bào tự bổ sung nước, thể tích của mỗi viên đá sạn tăng khoảng 25%. Khi sương mù sa mạc tràn vào và rút đi, những viên đá sạn phồng lên và co lại theo. Những đợt co lại đều đặn này, cùng với axit do vi khuẩn tiết ra trong quá trình quang hợp, có tác dụng “phong hóa sinh học” – phá vỡ đá thành sỏi và từ sỏi thành sạn.
Bà Van den Brink chỉ ra cây địa y xương rồng, mà chúng giữ lại những giọt nước sương mù được động vật hoang dã của công viên nhấm nháp. Ảnh: Zack Savitsky.
Trong khi tất cả các lớp vỏ sinh học thực hiện một mức độ phong hóa nào đó, thì các hạt lớn hơn của lớp vỏ đá cứng đặc biệt phù hợp với điều ấy. Quá trình này cho thấy toàn bộ tiềm năng của vi khuẩn nhằm tác động đến môi trường quanh chúng. Một lớp da vi sinh vật có thể kết dính các viên sỏi lại với nhau, phá vỡ chúng thành đất và chăm bón cho đất bằng các chất dinh dưỡng thiết yếu. Trên thực tế, lớp vỏ có thể “khai hóa” sa mạc thành đất.
Sức mạnh của vi khuẩn được thể hiện đầy đủ sau một thảm họa năm 2015. Hai năm trước khi Jung đặt chân đến Pan de Azúcar, một trận lũ quét hiếm gặp đã tàn phá khu vực này. Chỉ trong hai ngày, khu vực này đã nhận được lượng mưa của nhiều năm gộp lại. Lũ lụt khiến cho ít nhất 31 người chết ở các thị trấn lân cận.
Người dân dọn bùn trên đường phố sau lũ lụt tại thị trấn Chañaral, nằm ngay rìa phía nam công viên Pan de Azúcar ngày 8/4/2015. Ảnh: Climate.
Tuy nhiên, ở sa mạc này lại bùng nổ sự sống. Trong những tháng sau đó, đất tơi đã tạo ra một màn trình diễn kỳ diệu của những bông hoa dại – một loại “desierto florido” (sa mạc đầy hoa). Làm cách nào mà các loài thực vật được đánh thức bằng sự ồ ạt như vậy sau một thời gian nghỉ ngơi kéo dài hàng thập kỷ đã khiến các nhà sinh học đất bối rối. Nhưng một lần nữa, chìa khóa có thể nằm trong lớp vỏ.
Fernando D. Alfaro, nhà sinh thái học vi sinh vật tại Đại học Major ở Chile, nghiên cứu cách lớp vỏ sinh học ở Atacama làm biến đổi đất của sa mạc. Ảnh: Daniela Rivera.
Fernando D. Alfaro, một nhà sinh thái học vi sinh vật tại Đại học Major ở Chile, kiểm tra giả thuyết đó bằng cách giải phóng những cơn lũ nhỏ của chính mình trên sa mạc, như một biện pháp mô phỏng trận lụt năm 2015. Ông đổ hàng lít nước đóng chai lên những khu đất sa mạc rộng một mét vuông. Những khoảnh đất được bao phủ bởi lớp vỏ sinh học giữ nước lâu hơn nhiều và một số đã có thể nảy mầm cây chỉ trong vài tuần.
Alfaro cho biết: “Trong nhiều năm, [lớp vỏ sinh học] đang chuẩn bị cho hệ thống và chất nền để phản ứng rất nhanh với lượng mưa đầu vào này. Những sự kiện nở hoa đó phụ thuộc vào các cộng đồng vi khuẩn nhỏ bé này.”
Jung cũng đã chứng kiến khả năng phục hồi của vi khuẩn. Tại 11 địa điểm xung quanh Pan de Azúcar, anh đã chọn các mảng đen và trắng lân cận nhau và đo lường hoạt động sinh học của chúng. Sau đó, anh thu gom lớp sạn trên cùng, khử trùng nó trong nồi áp suất (phá hủy hệ vi sinh vật) và đặt nó trở lại mặt đất. Trong vòng một năm, các khu vực từng có màu đen (trước khi khử trùng) trở nên tối trở lại khi các vi sinh vật bắt đầu tái xâm chiếm các ô vô trùng – nhanh hơn nhiều so với tốc độ thường xảy ra với địa y và các vi khuẩn khác trong lớp vỏ sinh học. Dữ liệu viễn thám được thu thập trong thập kỷ qua đã chỉ ra rằng 89% bề mặt của công viên được bao phủ bởi khuôn mẫu của bàn cờ đen-trắng. Trong khu vực bị xâm thực đó, khoảng một phần tư cách sắp xếp đen-và-trắng đã thay đổi trong tám năm qua — một thời gian phản ứng nhanh đáng ngạc nhiên đối với những vi khuẩn vốn thường chậm chạp.
Khuôn mẫu bàn cờ bao gồm các “thuộc địa” do vi khuẩn chiếm lĩnh của Pan de Azucar. Ảnh: Clipart.
Những kẻ chinh phục tí hon của đất liền
Lớp vỏ đá cứng đóng một vai trò quan trọng trong hệ sinh thái địa phương, nhưng sức hấp dẫn về mặt khoa học của nó không dừng lại ở đó. Cổ xưa, ổn định và phi thường, môi trường này cũng thu hút sự chú ý của các nhà sinh vật học vũ trụ.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã sử dụng những phân khu của Sa mạc Atacama làm địa điểm tương tự trên mặt đất để mô phỏng Sao Hỏa. Bức xạ cực đoan, lượng mưa không thường xuyên, cảnh quan cằn cỗi và sự dao động nhiệt độ đến điên cuồng đã khiến sa mạc này trở nên một thế giới khác quá sức rõ rệt. (Tuy nhiên, Gutiérrez Alvarado khẳng định rằng điều xa lạ nhất ở Pan de Azúcar là những người kiểm lâm bằng hữu của anh – “chắc chắn họ là người sao Hỏa,” anh nói và nở một nụ cười.)
Các nhà nghiên cứu đang sử dụng lớp vỏ sinh học tại Atacama để xây dựng một thư viện các dấu hiệu hóa học có thể hướng dẫn việc tìm kiếm sự sống của vi sinh vật trên Sao Hỏa. Nhưng các sinh vật trong lớp vỏ sinh học cũng mở ra cánh cửa dẫn đến sự sống trên một hành tinh ít xa lạ hơn một chút: Trái đất thuở sơ khai.
Bằng chứng hóa thạch cho thấy vi khuẩn sống gần các miệng phun thủy nhiệt dưới biển sâu khoảng 3.5 tỷ năm trước. Tuy nhiên, câu hỏi khi nào và bằng cách nào sự sống chinh phục đất liền thì ít rõ ràng hơn. Địa hình trên các lục địa cứng hơn, sắc nét gồ ghề hơn và nguy hiểm hơn nhiều so với ngày nay.
Ariel Anbar, nhà địa hóa học tại Đại học bang Arizona, cho biết: “Bạn sẽ không có đất phát triển tốt như bây giờ. Những loài thực vật nào phụ thuộc vào việc đã có nhiều thế hệ thực vật trước đó để tạo ra một môi trường sống thân thiện – chúng sẽ gặp khó khăn.”
Những viên sỏi chứa đầy vi khuẩn sống trên vỏ đá cứng tạo thành một lớp màu đen loang lổ bao phủ phần lớn mặt đất ở Pan de Azúcar y như bàn cờ, các khoảnh đất màu sáng thì khô như cát sa mạc và ít vi sinh vật hơn nhiều. Ảnh: Zack Savitsky.
Một số nhà nghiên cứu cho rằng trước khi thực vật xuất hiện, lớp vỏ vi khuẩn có thể đã giúp chuẩn bị đất tơi bằng cách biến đá trơ trụi thành đất được chăm bón. Một lớp vỏ sinh học thích nghi tốt với các điều kiện khắc nghiệt có thể giữ một chất nền thích hợp chứa chất dinh dưỡng và thường xuyên được làm ẩm bằng sương mù. Bằng cách dần dần phong hóa đá và ổn định trầm tích dưới dạng đất, nó có thể biến đổi môi trường theo hướng thúc đẩy sự phát triển của các sinh vật bậc cao.
Alfaro cho biết: “Lớp vỏ sinh học này của Pan de Azúcar đại diện cho kịch bản này. Nó giống như một cộng đồng nguyên thủy nhằm tăng cường sự phát triển của đất và tạo nên những cộng đồng hay quần xã phức tạp hơn.”
Các vi khuẩn trong lớp vỏ đá cứng ở Atacama ngày nay không phải là bản sao hoàn hảo của những vi khuẩn có thể đã chuẩn bị cho Trái đất thuở sơ khai. Một cộng đồng cổ xưa như vậy có khả năng đã được điều chỉnh để phù hợp với môi trường thiếu oxy và không có địa y, mà được cho là chỉ tiến hóa trong 250 triệu năm qua. Nhưng các nhà nghiên cứu đồng ý rằng các cộng đồng vỏ đá cứng hiện đại vẫn có thể đóng vai trò tương tự có giá trị cho những gì đã xảy ra trước đây.
Ý tưởng cho rằng vi khuẩn có thể tạo điều kiện cho khả năng sinh sống của Trái đất buổi sơ khai không phải là một ý tưởng mới. Vào những năm 1980, các nhà khoa học môi trường David Schwartzman tại Đại học Howard và Tyler Volk tại Đại học New York cho rằng sự phong hóa sinh học do sự sống ban đầu trên cạn gây ra có thể đã cô lập đủ carbon dioxide từ khí quyển để làm mát bề mặt Trái đất thành một phạm vi có thể ở được cho các sinh vật khác. Schwartzman nói: “Chúng tôi có bằng chứng về sự phong hóa thực sự mãnh liệt ở Liên đại Thái cổ. Có lẽ lớp vỏ sinh học đã đóng phần nào vai trò trong đó.”
Thế giới trong Liên đại Thái cổ (Archean), đây là thời kỳ thuộc kỷ Tiền Cambri sau Liên đại và Hỏa thành và trước Liên đại Nguyên sinh. Ảnh: Ocean.
Nhưng chúng ta không cần phải dựa vào các giả định. Trong vài thập kỷ qua, bằng chứng gián tiếp đã xuất hiện cho các cộng đồng vi sinh vật trên đất liền trong Liên đại Thái cổ. Gregory Retallack, giáo sư danh dự tại Đại học Oregon, tin rằng ông đã tìm thấy bằng chứng về các cộng đồng giống như lớp vỏ sinh học trong đất hóa thạch (hay “paleosols”) từ 3.7 tỷ năm trước — thách thức giả định phổ biến rằng sự sống bắt nguồn từ biển. Ông nói: “Bằng chứng từ đất hóa thạch khá rõ ràng rằng có đủ loại vật chất trên đất liền, thậm chí từ rất sớm. Bạn có thể nhìn thấy những lớp vỏ vi khuẩn này chỉ bằng mắt thường.”
Một nhóm do Christophe Thomazo, nhà địa sinh học tại Đại học Burgundy, đứng đầu, đã tìm thấy bằng chứng cho thấy một số lớp vỏ sinh học hiện đại có thể từng tồn tại trong bầu khí quyển của Trái đất sơ khai vào thời kỳ Thái cổ: Các vi khuẩn của chúng có thể đã cố định nitơ ở dạng khí thành amoni (-NH₄) và nitrat một cách hiệu quả, cung cấp các chất dinh dưỡng có thể tiếp cận được cho hệ sinh thái toàn cầu mới nổi khi đó. Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng một số hàm lượng carbon và nitơ đồng vị của một số lớp vỏ sinh học sa mạc giống như hàm lượng của đá từ Liên đại Thái cổ.
“Có những dấu hiệu [trong các lớp vỏ sinh học này] tương thích với chất hữu cơ thời kỳ Thái cổ,” Thomazo nói. Ông “khá tự tin” rằng những cư dân trên cạn đầu tiên của hành tinh là thứ gì đó giống với lớp vỏ sinh học hiện đại.
Mong manh nhưng kiên cường
Trong lúc lái xe ra khỏi công viên, Gutiérrez Alvarado dừng xe, xuống xe và quay lại. Vết bánh xe ô tô của anh đã cắt mạnh qua mảng bao phủ dày đặc của lớp vỏ đá cứng, để lại một loạt “xác” vi khuẩn đằng sau vệt bánh xe. Lớp vỏ này có khả năng phục hồi, nhưng không phải là không thể phá hủy được, và ngay cả dấu chân của con người cũng có thể quét sạch những mảnh nhỏ của nó. Đó là lý do tại sao Dịch vụ Công viên Quốc gia (NPS, cơ quan quản lý vườn quốc gia của Hoa Kỳ) đã đăng các biển báo “Đừng làm hỏng lớp vỏ [sinh học]” trên khắp miền Tây Hoa Kỳ, kêu gọi những người đi bộ đường dài đi đúng trên các lộ trình để bảo vệ hoạt động ‘thở’ của đất.
Gutiérrez Alvarado quay trở lại xe của mình trong sương mù. Lớp vỏ sinh học của sa mạc rất nhạy cảm với sự giẫm đạp của ô tô và người đi bộ đường dài. Ảnh: Zack Savitsky.
Gutiérrez Alvarado trân trọng sự mở rộng của lớp vỏ đá cứng. Anh nói, với tư cách là một kiểm lâm viên, nhiệm vụ của anh là giữ cho cảnh quan của công viên và tất cả những gì sinh sống trong đó được an toàn khỏi những vị khách bất cẩn và các hoạt động khai thác xâm lấn. Trong một nghiên cứu được công bố vào tháng 4 mà ông là đồng tác giả với Jung và van den Brink, ông đã thúc giục ban quản lý công viên quốc gia Chile xem xét bảo vệ lớp vỏ sinh học trong kế hoạch bảo tồn thiên nhiên của họ.
“Chúng tôi cần giải thích lý do tại sao chúng tôi đóng đường hoặc đóng một số con đường mòn để không ai có thể đến đó,” Gutiérrez Alvarado nói. “Chúng tôi không có luật, vì vậy nghiên cứu là vật dự phòng của chúng tôi.”
Nhưng lớp vỏ sinh học phải đối mặt với một mối đe dọa do con người gây ra còn tồi tệ hơn nhiều so với dấu chân: biến đổi khí hậu.
Vào năm 2018, Belnap, Büdel và các đồng nghiệp của họ đã xuất bản một nghiên cứu ước tính xem các lớp vỏ sinh học khác nhau trên thế giới sẽ thích ứng như thế nào với biến đổi khí hậu và hoạt động sử dụng đất thâm canh. Các mô hình của họ dự đoán rằng vào cuối thế kỷ này, mức độ bao phủ toàn cầu của lớp vỏ sinh học có thể giảm từ 25% trở lên. Những đợt sút giảm đó có thể làm cho đất kém khỏe mạnh hơn và khiến bụi mù lắng xuống những lớp tuyết, giữ lại nhiều nhiệt hơn và làm trầm trọng thêm các cơn bệnh về khí hậu của hành tinh. “Sau đó, chúng ta sẽ thực sự bắt đầu thấy những điểm tương đồng với sao Hỏa,” van den Brink nói.
Tuy nhiên, lớp vỏ sinh học Atacama nổi bật trong mô hình này. Theo các kịch bản chuyên sâu về khí hậu, khi hầu hết các lớp vỏ khác chết đi, thì cát sạn dường như phát triển mạnh mẽ.
Khi mặt trời lặn, Gutiérrez Alvarado, van den Brink và tôi (tác giả) leo lên một gò cát để nhìn thoáng qua lần chót những ngọn đồi thoai thoải đang bị sương mù nuốt chửng. Từ trên đỉnh, tôi cũng có thể chiêm ngưỡng phạm vi thực sự của đế chế cát sạn và quân đoàn của nó đang lặng lẽ tranh giành lãnh thổ đến tận chân trời. Tôi không thể không nghĩ rằng suốt thời gian qua, những tảng đá có thể đã giữ một bí mật nữa: rằng nếu những vi khuẩn như thế này là những kẻ đầu tiên đến, thì có lẽ chúng cũng sẽ là những kẻ cuối cùng ra đi.
Source: Tinh Tế