ThienNhien.Net Wiki

Sự tuần hoàn của carbon trong đại dương: Sức mạnh của các vi sinh vật

26/04/2022

COVID-19 khiến chúng ta cảm nhận được sức mạnh của những vi sinh vật bé nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy. Mới đây, nghiên cứu của TS. Nguyễn Thị Huyền Trang và cộng sự đã nhấn mạnh thêm tầm quan trọng của vi sinh vật ở một khía cạnh khác, đó là chu trình carbon ở đại dương – một yếu tố liên quan đến sự ổn định của khí hậu toàn cầu.

Với khả năng lưu trữ lượng CO2 khổng lồ (khoảng 38.000 tỷ tấn CO2, nhiều gấp 16 lần lượng được tìm thấy trong sinh quyển của trái đất), các đại dương chiếm một vị trí cực kỳ quan trọng trong chu trình carbon toàn cầu do chúng có thể điều chỉnh lượng khí nhà kính CO2 trong khí quyển và góp phần giữ cho trái đất không ấm lên. Cũng bởi vậy, “việc hiểu rõ quá trình chuyển đổi carbon từ khí CO2 sang hạt chất hữu cơ, và từ chất hữu cơ về lại khí CO2 hoặc lắng đọng dưới đáy biển là những hiểu biết rất quan trọng để có được những dự đoán chính xác hơn về ảnh hưởng của các kịch bản biến đổi khí hậu đến sự tuần hoàn carbon cũng như khí hậu toàn cầu”, TS. Nguyễn Thị Huyền Trang (Đại học Southern California, Mỹ) cho biết.

Các quá trình sinh học của vi khuẩn có ảnh hưởng rất lớn đến sự chuyển đổi carbon. Ảnh minh họa: Photo/iStock/USC

Song, có một điều đáng chú ý là từ trước đến nay, khi mô hình hóa sự chuyển đổi carbon (carbon transfer), hầu hết các nhà hải dương học đều đưa ra giả thuyết: sự lắng đọng carbon phụ thuộc vào kích cỡ của hạt chất hữu cơ. Nhiều người cho rằng, hạt nào nặng sẽ rơi xuống nhanh, hạt nào nhẹ sẽ rơi xuống chậm và bị phân giải trước khi đến đích, do đó tất cả carbon lắng đọng ở dưới đáy biển đều là những hạt vật chất rất lớn. “Dự đoán này mới chỉ hoàn toàn dựa trên tính chất vật lý mà không xét đến các yếu tố về sinh học, mà một trong số đó là vi sinh vật”, TS. Trang nói. Như vậy liệu đã “công bằng” với vi sinh vật hay chưa?

Thay đổi “số phận” của hạt chất hữu cơ

Để trả lời câu hỏi trên, có lẽ trước hết chúng ta cần hiểu về vòng đời của các hạt carbon (hạt chất hữu cơ) nơi đại dương. Khởi nguồn ở tầng ánh sáng (từ mặt biển xuống dưới độ sâu 100m), nơi những ánh mặt trời rực rỡ vẫn còn có thể xuyên qua làn nước, những sinh vật như tảo biển, vi tảo biển, hay các loài thực vật phù du sẽ quang hợp để tổng hợp chất hữu cơ từ khí CO2 trong khí quyển. Sau khi chúng và những loài động thực vật khác ở trên mặt biển chết đi (hoặc bài tiết chất thải), các hạt hữu cơ sẽ được tạo ra và chìm dần xuống đáy đại dương.

Tuy nhiên, chúng không đơn độc trong hành trình ấy. Trong suốt quá trình “du ngoạn”, các hạt hữu cơ sẽ dần bị vi sinh vật như nấm, vi khuẩn hay xạ khuẩn bám vào và phân giải. Nếu những hạt này có thể đi được tới đáy biển trước khi bị phân giải, chúng sẽ được đại dương “lưu trữ” và có thể tồn tại ở đây đến hàng trăm năm sau (thậm chí là 1.500 năm). Ngược lại, nếu bị phân giải ngay ở gần mặt biển, chúng sẽ trở thành CO2 và quay trở lại khí quyển.

Thực tế, cũng đã có nhiều nghiên cứu về vi sinh vật trong phòng thí nghiệm, “tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn rất biệt lập so với các mô hình dự đoán carbon lưu trữ”, TS.Trang cho biết. Dưới con mắt của một nhà mô hình hóa và vi sinh vật học, chị tin rằng, những kẻ “đi nhờ” trên các hạt vật chất ấy quan trọng và phức tạp hơn rất nhiều so với vẻ bề ngoài nhỏ bé.

Với góc nhìn khác biệt này, TS. Trang và các đồng nghiệp đã thực hiện một nghiên cứu nhằm đánh giá sự tương tác của vi sinh vật với các hạt carbon ở quy mô đại dương, đồng thời phát triển được một mô hình đầu tiên để dự đoán tốc độ phân hủy của carbon hữu cơ khi chúng chìm xuống dưới biển. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trong bài báo “Microbes contribute to setting the ocean carbon flux by altering the fate of sinking particulates”, xuất bản trên tạp chí Nature Communications.

Để thực hiện nghiên cứu này, họ đã cùng các cộng sự tại Viện Công nghệ Massachusetts, Đại học California tại San Diego (Mỹ) và Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tích hợp các dữ liệu thực nghiệm trước đây về sinh vật hay quần thể sinh vật ở quy mô phòng thí nghiệm vào những hiểu biết về môi trường biển. Do việc mô hình hóa từng hạt chất hữu cơ một vô cùng phức tạp và tốn rất nhiều tài nguyên tính toán nên họ đã phải đơn giản hóa các giả thiết của mình. “Ở đại dương có rất nhiều loại hạt vật chất hữu cơ khác nhau được hình thành, và cũng có hàng triệu sinh vật khác nhau tồn tại trong đó, mỗi loại lại có khả năng phân giải những hạt khác nhau. Do đó chúng tôi đã đưa ra các dải phân bố của biến số liên quan tới quá trình vật lý và sinh học của các hạt chất hữu cơ trên biển để mô phỏng một môi trường biển ngẫu nhiên hết mức có thể, sao cho giống với môi trường trong thực tế nhất”, TS. Trang chia sẻ về cách vượt qua một trong những điểm thách thức nhất khi thực hiện nghiên cứu này.

Từ kết quả thử và so sánh rất nhiều kịch bản khác nhau, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng: những tương tác và hành vi xảy ra ở quy mô vi mô của vi khuẩn thực sự có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình chuyển đổi carbon. “Những vi sinh vật nào có mặt trong quá trình phân giải, chúng có số lượng bao nhiêu, chúng bơi có nhanh hay không và cách chúng tương tác với các chất hữu cơ đều có vai trò thực sự quan trọng”, TS. Trang nhận xét.

Thậm chí sự có mặt hoặc vắng mặt của vi sinh vật còn thay đổi “số phận” của các hạt vật chất và quyết định việc chúng sẽ lắng đọng hàng nghìn năm dưới đáy biển hay quay trở lại khí quyển chỉ trong vòng một tuần. “Chúng tôi phát hiện ra, có những hạt vật chất cực kỳ nhẹ hoặc dễ bị phân giải vẫn có thể rơi được xuống đáy biển. Nguyên nhân là bởi, có những con vi sinh vật sau khi bám được vào hạt vật chất này lại dần bị chết sau quá trình di chuyển, hoặc bị nước biển khuếch tán cuốn trôi đi, khiến cho các hạt không bị phân giải. Hay có những hạt trong suốt quá trình rơi xuống lại may mắn không gặp phải loại vi sinh vật có khả năng “ăn” chúng, nhờ đó vẫn có thể chìm sâu xuống đáy đại dương”, TS. Trang cho biết.

Phát hiện này đã “thách thức” quan niệm truyền thống vốn chỉ dựa trên tính chất vật lý của nhiều nhà khoa học trước đây. “Nó cũng đòi hỏi các nhà hải dương cũng như các nhà nghiên cứu khác phải suy nghĩ đến các mô hình tính toán bao gồm cả những quá trình sinh học vi mô như vậy”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Mở ra nhiều cách tiếp cận mới

“Các mô hình liên quan đến carbon hiện giờ chưa hiểu rõ về cơ chế tương tác của vi sinh vật nên luôn coi chúng như một hằng số, dẫn đến những phỏng đoán từ các mô hình này không có độ tin cậy cao”, TS. Trang cho biết. Với mô hình mới, nhóm nghiên cứu không chỉ làm sáng tỏ hơn cách carbon – bao gồm cả khí thải từ các phương tiện giao thông hay nhà máy – di chuyển từ khí quyển vào đại dương mà còn hứa hẹn giúp các nhà khoa học có căn cứ để đánh giá chính xác hơn lượng carbon sẽ được lưu trữ trong đại dương cũng như lượng carbon quay trở lại khí quyển trong các kịch bản mới về khí hậu.

Ngược lại, các dự đoán trong mô hình của nhóm nghiên cứu cũng đưa ra các giả thiết mới để giúp các nhà nghiên cứu thực địa thiết kế các thí nghiệm có định hướng tốt hơn, trả lời được những câu hỏi mà từ đó có thể quay lại giúp các nhà mô hình hóa hiểu sâu hơn về chu trình carbon. Chẳng hạn, một giả thiết mà mô hình của TS. Trang đưa ra là các quần thể vi sinh vật bám vào các hạt hữu cơ có sự thay đổi tùy theo độ sâu của mực nước biển. Theo giả thiết này, ở trên mặt biển, hệ vi sinh vật sẽ rất đa dạng và gồm các loài có khả năng phân giải những hợp chất đơn giản; ngược lại, càng ở dưới sâu thì hệ vi sinh vật lại càng ít đa dạng hơn nhưng lại có thể phân giải được những hợp chất phức tạp. “Từ giả thiết này, các nhà nghiên cứu vi sinh vật học có thể đi lấy mẫu ngoài biển rồi chiết xuất ADN để tìm hiểu sự phân bố của các loài vi sinh vật cũng như mối tương quan của chúng với môi trường”, TS. Trang cho biết.

Và không chỉ dừng lại ở đó, nghiên cứu mới của nhóm TS. Trang còn là một tiền đề để so sánh tầm quan trọng của vi sinh vật đối với các động thực vật khác trong việc phân giải chất hữu cơ ở môi trường biển. Ngoài vi sinh vật, đại dương còn có những yếu tố sinh học khác cũng có thể ảnh hưởng rất nhiều đến việc lưu trữ carbon. “Chẳng hạn như một số loài động vật phù du ăn chất hữu cơ, ban ngày sống ở gần mặt biển, ban đêm sống ở gần đáy biển, hoặc ngược lại”, TS. Trang dẫn ví dụ, “việc chúng đi lên đi xuống như vậy sẽ có thể dẫn đến sự tái phân bố của các hạt chất hữu cơ và ảnh hưởng đến sự tuần hoàn carbon”. Hiện nay chưa có nghiên cứu nào so sánh được tầm quan trọng của vi động vật và vi sinh vật trong việc phân giải các chất hữu cơ. “Tuy nhiên, nếu xác định được, nó sẽ rất quan trọng đối với các mô hình khí hậu toàn cầu, bởi nó giúp các nhà khoa học đơn giản hóa mô hình và loại bỏ những yếu tố ít ảnh hưởng đến kết quả dự đoán”, TS. Trang phân tích.

Và có một điều mà có thể nhiều người chưa biết: thật ra những hiểu biết của chúng ta về thế giới vi sinh vật vẫn còn vô cùng hạn chế. “Một gam đất nhỏ xíu thôi có thể chứa đến 1 tỷ con vi khuẩn, nhưng gần như 99% trong số đó chúng ta không ‘biết mặt đặt tên’, dù có thể nhìn được thấy chúng trong kính hiển vi và chiết xuất được ADN”, TS. Trang cho biết. Hay có những vi sinh vật không thể nuôi độc lập được trong ống nghiệm mà phải nuôi cùng một loài vi sinh vật khác, nhưng làm thế nào để biết con nào sống phụ thuộc vào con nào thì vẫn cần phải nghiên cứu sâu hơn. “Vậy nên khác với các nghiên cứu sinh học về những loài động thực vật lớn hơn, những nghiên cứu về vi sinh vật có lẽ cần nhiều hơn sự chú ý từ các nhà khoa học”, TS. Trang nhận định.

Sự chú ý này chắc chắn sẽ không lãng phí bởi vi sinh vật không chỉ ảnh hưởng đến việc lưu trữ carbon ở đại dương. “Về mặt bản chất, quá trình chuyển carbon thông qua các bậc dinh dưỡng ở các môi trường đại dương hay môi trường đất, rừng rất giống nhau”, TS. Trang cho biết, “bởi vậy chúng tôi dự đoán rằng ở môi trường nào, vi sinh vật cũng có vai trò quan trọng tương tự như trong các mô hình tính toán về chu trình carbon ở đại dương”. Và tất nhiên, mỗi môi trường sẽ có các loại vi sinh vật khác nhau, bởi vậy, mục tiêu sắp tới của chị là đem những hiểu biết và phương thức xây dựng mô hình ở môi trường biển sang nghiên cứu và xây dựng mô hình ở rừng và đất. “Hiện giờ mặc dù cũng đã có thêm nhiều phương tiện nghiên cứu liên quan đến sinh tin hay giải mã ADN, tuy nhiên vẫn có rất nhiều điều mà mình chưa hiểu hết được, tùy thuộc vào cơ sở dữ liệu và hiểu biết hiện tại về thế giới vi sinh vật. Bởi vậy, sẽ rất thú vị khi chúng ta thử đặt những thứ mình chưa biết nhiều vào trong một mô hình lớn hơn và nghiên cứu”, TS. Trang nói.

Nguồn:

Mỹ Hạnh/ Báo Khoa học và Phát triển