"Mỏ vàng đặc biệt' ở nơi khắc nghiệt của Trái Đất: Quý hơn lithium, giới khoa học không ngừng săn tìm!

Khu vực khô hạn nổi tiếng từ lâu trên Trái Đất đã bị ‘xa lánh’ như một vùng đất hoang hầu như không có sự sống. Có chăng chỉ tốt cho việc khai thác khoáng sản và kim loại quý. Tuy nhiên, đối với những nhà nghiên cứu, nơi đây có một ‘mỏ vàng đặc biệt’, đáng quý hơn rất nhiều! 

Đó là gì?

SỰ SỐNG KINH NGẠC NƠI LÕI KHÔ CẰN CỦA ATACAMA

Thật dễ dàng để tưởng tượng tại sao “Cha đẻ thuyết tiến hóa” Charles Darwin, nhìn qua một vùng đất trống cách đây 187 năm rồi tuyên bố vùng này (sa mạc Atacama ở phía bắc Chile) là nơi “không có gì có thể tồn tại”.

Thật vậy, mặc dù các nguồn nước rải rác hỗ trợ một số đời sống động thực vật, nhưng trong hơn một thế kỷ qua, hầu hết các nhà khoa học đều chấp nhận kết luận của Charles Darwin rằng ở đây - tại phần khô hạn nhất của sa mạc Atacama, được gọi là lõi siêu khô cằn, ngay cả những dạng sống bền bỉ nhất cũng không thể tồn tại lâu!

Nhưng Charles Darwin có lẽ đã sai và đó là lý do Gómez-Silva ở đây.

Dậy trước bình minh để đánh bại cái nóng gay gắt nhất trong ngày, rồi lái xe đi về phía nam dọc theo Dãy núi Bờ biển của Chile, đoàn khoa học rẽ vào đất liền về phía lõi khô cằn của sa mạc Atacama. Tại đây, Gómez-Silva - Nhà vi sinh vật học sa mạc của Đại học Antofagasta (Chile) sẽ tìm kiếm một loại nấm cực nhỏ mà ông hy vọng có thể phân lập và phát triển trong phòng thí nghiệm của mình. Chúng là thứ mà đối với những người làm khoa học như ông, còn quý và hiếm hơn lithium hay bất kỳ kim loại khác.

Dù biết đang ở nơi khô hạn nhất trên Trái Đất, nhưng Gómez-Silva tin ở đây có nước, ẩn mình trong những tảng đá muối xung quanh. Giống như lọ đựng muối trong nhà bếp sẽ hấp thụ nước trong thời tiết ẩm ướt, đá muối ở Atacama hấp thụ một lượng nhỏ hơi ẩm thổi vào dưới dạng sương mù đại dương vào ban đêm. Và đó là nơi vi sinh vật tìm nơi ẩn náu.

Khi độ ẩm và ánh sáng Mặt Trời cùng xuất hiện, những loài vi sinh này bắt đầu quang hợp và phát triển cộng đồng của chúng.

Nhà khoa học Gómez-Silva (đội mũ) đang thu thập đá muối tại lõi khô cằn của sa mạc. Ảnh: Lindzi Wessel

Gómez-Silva là một thành viên trong nhóm các nhà khoa học quyết tâm tìm kiếm các vi sinh vật sống ở đây - trong sa mạc lâu đời nhất thế giới, một nơi khô cằn kể từ khi khủng long cuối kỷ Jura đi lang thang trên Trái Đất khoảng 150 triệu năm trước.

Bất cứ thứ gì cố gắng tồn tại ở đây đều phải đối mặt với một loạt thách thức khủng khiếp - tất nhiên, bên cạnh việc thiếu nước: Bức xạ Mặt Trời cường độ cao; Nồng độ cao của các hóa chất độc hại; Và sự khan hiếm của các chất dinh dưỡng quan trọng cho sự sống. 

Tuy nhiên, bất chấp những thách thức đó, những thứ bất thường và nhỏ bé vẫn phát triển, và các nhà nghiên cứu như Gómez-Silva nói rằng các nhà khoa học có rất nhiều điều để học hỏi từ chúng.

“Việc tìm và chứng minh khả năng tồn tại bền bỉ của những sinh vật nhỏ bé liên quan đến việc thay đổi cách nhìn của thế giới về sa mạc Atacama, một khu vực trong lịch sử đã được đánh giá cao về khai thác các khoáng sản quý hơn bao giờ hết. Chúng tôi tin rằng Atacama nên được đánh giá cao như một nơi để mô tả các dạng sống chưa từng được biết đến trên Trái Đất, từ đó giúp giới khoa học phát triển các công cụ mới trong công nghệ sinh học, để trả lời các câu hỏi về nguồn gốc của sự sống và hướng dẫn chúng ta cách tìm kiếm sự sống trên những hành tinh khác”.

ATACAMA - NƠI THÁCH THỨC SỰ SỐNG HÀNH TINH

Atacama trải dài khoảng 966 km dọc theo bờ biển Nam Mỹ, và nằm ở phía đông gần núi lửa Altiplano của dãy núi Andes, ở phía tây là bờ Thái Bình Dương của Chile. Có kích thước tương đương với Cuba, sa mạc Atacama này là nơi thách thức sự sống nhất trên Trái Đất.

Không chỉ là một trong những sa mạc cao nhất trên thế giới, Atacama còn là nơi khô hạn bậc nhất hành tinh. Nhiều vùng của sa mạc này nhận được lượng mưa chỉ vài mm mỗi năm, nếu có. Thành phố Arica của sa mạc Atacama, ngay dưới biên giới của Peru, giữ kỷ lục về đợt khô hạn dài nhất thế giới - các nhà nghiên cứu tin rằng không có một giọt mưa nào rơi xuống vùng này trong hơn 14 năm vào đầu những năm 1900.

Nếu không có nước, ít loài có thể tồn tại: Tế bào co lại, protein phân hủy và các thành phần tế bào không thể di chuyển.

Bầu khí quyển ở độ cao lớn của sa mạc không thể ngăn chặn được các tia có hại của Mặt Trời. Và việc thiếu nước chảy để lại kim loại quý cho các công ty khai thác, nhưng đồng nghĩa với việc phân phối chất dinh dưỡng qua hệ sinh thái bị hạn chế, cũng như sự pha loãng của các hợp chất độc hại.

Nơi các thủy vực tồn tại trong sa mạc - thường ở dạng các lưu vực theo mùa được cung cấp bởi các sông ngầm - chúng thường có nồng độ cao của muối, kim loại và các nguyên tố, bao gồm cả asen, gây độc cho nhiều tế bào.

Nhìn thấy những điều kiện như vậy trong chuyến thám hiểm Atacama vào những năm 1850 theo lệnh của chính phủ Chile, ngay cả nhà tự nhiên học người Đức-Chile Rodulfo Philippi cũng phải thốt lên rằng: Thứ giá trị nhất của Atacama nằm ở việc khai thác khoáng sản!

Khai thác khoáng sản là quá đủ để khiến Atacama trở nên đáng mơ ước đối với Chile. Nơi đây có trữ lượng Kali nitrat (diêm tiêu, KNO3) khổng lồ - một nguồn nitrat được sử dụng trong phân bón và chất nổ, và nó được mệnh danh là “vàng trắng” do nhu cầu lớn trên toàn cầu hồi thế kỷ 19.

Bên cạnh Kali nitrat, hoạt động khai thác khoáng sản vẫn rất nhộn nhịp tại Atacama. Ngày nay, Chile là nhà xuất khẩu đồng số 1 thế giới; nằm trong top đầu về lithium; đồng thời là nhà cung cấp chính của bạc và sắt, cùng các kim loại và khoáng sản có giá trị khác.

Khai thác mỏ có lịch sử lâu đời ở Atacama và ngày nay sa mạc là nguồn cung cấp lithium chính, trong số các kim loại khác. Ảnh chụp từ trên không năm 2018 này cho thấy hoạt động khai thác lithium trong lưu vực muối của sa mạc. Nguồn ảnh: OTON BARROS, DSR / OBT / INPE

Khai thác khoáng sản đã tạo nên dấu ấn rất riêng trên sa mạc Atacama. Nhìn từ không gian, Salar de Atacama, một bãi muối có kích thước gần gấp 4 lần thành phố New York (Mỹ), hiển lên các mỏ liti màu nhạt. Các mỏ vàng và đồng xuất hiện dưới dạng các mỏ đào, như những vết sẹo trên bề mặt sa mạc khô cằn.

Trên mặt đất cũng vậy, không khó để tìm thấy các di tích về lịch sử khai phá của khu vực. Gần nơi Gómez-Silver thu thập đá muối ở vùng Yungay là một nghĩa trang với những ngôi mộ có niên đại từ những năm 1800 đến giữa thế kỷ 20. Họ là công nhân của các mỏ muối bị bỏ hoang và gia đình của họ.

'MỎ VÀNG ĐẶC BIỆT' CỦA NHÀ KHOA HỌC

Năm 1994, Đại học Antofagasta (Chile) thiết lập một trạm nghiên cứu nhỏ ở Yungay với sự hỗ trợ của NASA, nơi các nhà thiên văn học quan tâm đến điều kiện khắc nghiệt giống sao Hỏa của sa mạc Atacama.

NASA đã bắt đầu nghiên cứu liệu sự sống có thể tồn tại trong đất và đá khô ở đây vào giữa những năm 1960 hay không. Nhưng phải đến năm 2003, khi một bài báo nổi tiếng nêu chi tiết lý do tại sao sa mạc Atacama lại là một nơi tương tự sao Hỏa , thì nghiên cứu vi sinh vật trong khu vực mới thực sự bắt đầu thành công. Các cuộc điều tra về Atacama đã tăng lên đều đặn kể từ khi các nhà khoa học từ các lĩnh vực bao gồm sinh thái học, di truyền học và vi sinh học nỗ lực tham gia.

“Tuy nhiên, các nhà khoa học chỉ mới tiếp cận bề nổi của Atacama. Bởi phần lớn sự sống ở đây vẫn chưa được biết đến” - Cristina Dorador, nhà vi sinh vật Atacama tại Đại học Antofagasta (Chile) cho biết.

Cristina Dorador nghiên cứu các thảm vi sinh vật phát triển mạnh bên dưới lớp vỏ của các mỏ muối Atacama. Ở đó có hàng triệu vi sinh vật thuộc nhiều loại khác nhau. Các loài tụ lại với nhau thành từng lớp rõ ràng, nhiều màu sắc.

Các nhà khoa học tin rằng đây là những hệ sinh thái sớm nhất hình thành trên Trái Đất. Khi chúng phát triển, một số thảm vi sinh vật tạo thành những trầm tích nhiều lớp có thể bị bỏ lại dưới dạng hóa thạch thạch anh, được gọi là stromatolit. Cổ nhất trong số các stromatolite này có niên đại 3,7 tỷ năm, khi bầu khí quyển của Trái Đất không có oxy!

Một hồ muối ở phía nam Atacama, rất giàu asen và lưu huỳnh. Tuy nhiên, một số vi khuẩn phát triển mạnh trong những điều kiện này và tạo thành những thảm lớn màu tía. Các tấm thảm chứa nhiều lớp vi khuẩn khác nhau, có thể nhìn thấy theo mặt cắt ngang, một số có thể tồn tại mà không cần oxy, tương tự như những loài sống cách đây hàng tỷ năm. Nguồn ảnh: P.T. VISSCHER ET AL / COMMUNICATIONS EARTH & ENVIRONMENT 2020

Các chiến lược sinh tồn sáng tạo có rất nhiều ở Atacama, điều này thu hút các nhà khoa học quan tâm đến việc tìm hiểu cuộc sống có thể đã thay đổi như thế nào theo thời gian.

Vào năm 2010, một nhóm nghiên cứu ở Chile đã báo cáo việc phát hiện ra một loài vi khuẩn mới sống ngoài sương bám trên các sợi mạng nhện trong một hang động Atacama ven biển, có vị trí thuận lợi để nuốt sương mù vào buổi sáng sớm. Dunaliella, một dạng tảo đơn bào màu xanh lá cây, là loài đầu tiên trong chi của nó được tìm thấy sống bên ngoài môi trường nước, và những người phát hiện ra nó cho rằng sự thích nghi của nó có thể giống như những loài thực vật nguyên thủy đã tạo ra khi lần đầu tiên đến đất liền.

Các vi khuẩn khác đóng vai trò tích cực trong việc tìm kiếm nước. Vào năm 2020, một nhóm các nhà khoa học từ Mỹ đã mô tả một loại vi khuẩn sống trong đá thạch cao tiết ra một chất để hòa tan các khoáng chất xung quanh nó, giải phóng các phân tử nước riêng lẻ cô đọng bên trong đá.

David Kisailus, một kỹ sư hóa học và môi trường tại Đại học California (Mỹ) cho biết: “Chúng gần giống như những người thợ mỏ… đang đào tìm nước”.

Một mẫu đá thạch cao từ Atacama chứa các vi khuẩn có thể hút nước từ đá. Các vi khuẩn được hiển thị bằng màu xanh lá cây trên nền thạch cao màu tím trong hình ảnh kính hiển vi điện tử quét. Nguồn ảnh: W. HUANG ET AL / PNAS 2020

Những ví dụ như thế này chỉ là một vài trong số những minh chứng thể hiện cách vi sinh vật ở Atacama dạy chúng ta về sự sống sót ở môi trường khắc nghiệt trên Trái Đất. Và những bài học như vậy có thể giúp chúng ta nhận ra manh mối trong việc tìm kiếm sự sống trên các thế giới ngoài hành tinh khác, hoặc giúp chúng ta thích nghi với những thay đổi môi trường đến với chính mình.

Michael Goodfellow, Giáo sư danh dự về hệ thống vi sinh vật tại Đại học Newcastle, Vương quốc Anh, cho biết các lập luận về bảo tồn và khám phá vi sinh vật vượt ra ngoài sự tò mò của giới khoa học.

Michael Goodfellow đã dành phần lớn sự nghiệp của mình để tìm kiếm các loài vi khuẩn mới trong môi trường khắc nghiệt như Atacama, Nam Cực và các rãnh sâu dưới đáy đại dương với hy vọng xác định các phân tử mới để sử dụng trong kháng sinh.

Ông cho rằng khảo sát sinh học như vậy trong môi trường khắc nghiệt nên được coi là một chiến lược quan trọng để đối đầu với cuộc khủng hoảng kháng thuốc kháng sinh xảy ra trên thế giới, giết chết ít nhất 700.000 người mỗi năm trên toàn cầu.

Trong những chuyến đi đầu tiên đến vùng lõi siêu khô cằn của Atacama, Michael Goodfellow và các đồng nghiệp của ông không thực sự mong đợi sẽ tìm thấy nhiều thứ. Dẫu vậy, tạo hóa luôn khiến con người phải kinh ngạc.

Trước sự ngạc nhiên của họ, các nhà khoa học đã có thể phân lập một số lượng nhỏ vi khuẩn đất từ nhóm Actinomycetes, một loại vi khuẩn đất phổ biến trên toàn cầu từ lâu đã trở thành trọng tâm quan trọng của nghiên cứu kháng sinh. Kể từ đó, nghiên cứu trên các vi khuẩn này đã tạo ra hơn 40 phân tử mới, một số trong số đó ức chế vi khuẩn gây bệnh phổ biến trong các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Michael Seeger, nhà hóa sinh tại Đại học Kỹ thuật Federico Santa Maria ở Chile, cho biết nghiên cứu sinh học ở các sa mạc như Atacama cũng có các ứng dụng công nghệ.

Một ví dụ chính là các vi sinh vật chiếm khoảng 10% sản lượng đồng của Chile. Đồng thường được tìm thấy trong hỗn hợp các kim loại, và các vi sinh vật có thể giúp chiết xuất nó bằng cách ăn bớt các vật liệu khác trong quặng.

Bằng cách cho các vi sinh vật này không tiếp xúc với các đống vật liệu do quá trình khai thác hoặc hỗn hợp quặng để lại mà chỉ có nồng độ đồng nhỏ tồn tại, các nhà sản xuất đồng có thể đảm bảo ít đồng bị bỏ lại tại các điểm khai thác của họ.

Một bức vẽ của nhà tự nhiên học người Đức-Chile Rodulfo Philippi, từ khoảng năm 1860. Ông mô tả cộng đồng này là "khu vực buồn nhất, ở giữa sa mạc, nơi không có một cây xanh nhỏ nhất hoặc thậm chí là một giọt của nước. Nguồn ảnh: RA PHILIPPI / THƯ VIỆN QUỐC GIA CHILE

Michael Seeger nói rằng, những vi khuẩn nghiền kim loại như vậy phải có khả năng xử lý nồng độ axit cao vì chúng tạo ra axit như một chất thải. Để phát triển mạnh trong điều kiện có tính axit cao, những loài ưa axit này phải có những khả năng thích ứng đặc biệt như màng tế bào chuyên để ngăn chặn các phần tử axit, nhanh chóng loại bỏ các yếu tố gây hại đó ra khỏi tế bào và các enzym có khả năng sửa chữa nhanh chóng các protein và DNA.

Sa mạc Atacama có khả năng chứa đầy những loài kỳ lạ như thế này, với những khả năng chuyên biệt giúp chúng trở nên hữu ích cho ngành công nghiệp và các mục đích thực tế khác.

Michael Seeger nói: Các vi khuẩn ưa asen có thể hữu ích để làm sạch các nguồn nước ô nhiễm, và các gen vay mượn từ các vi khuẩn chịu mặn hoặc chịu hạn có thể được chuyển vào vi khuẩn đất để thúc đẩy nông nghiệp ở một quốc gia đang đối mặt với tình trạng sa mạc hóa ngày càng gia tăng.

Protein hoạt động tốt trong điều kiện khắc nghiệt cũng có thể có các ứng dụng y tế quan trọng. Ví dụ, xét nghiệm PCR Covid sẽ không thể thực hiện được nếu không có một loại enzyme vi khuẩn có thể tạo ra các sợi DNA trong nhiệt độ khắc nghiệt và ban đầu được lấy ra từ một suối nước nóng Yellowstone ở Mỹ.

Các nhà sinh học hy vọng việc nghiên cứu các enzym có khả năng chịu đựng tốt trong điều kiện khắc nghiệt tương tự từ vi sinh vật sa mạc có thể dẫn đến những đột phá bổ sung về công nghệ sinh học trong tương lai.

Atacama, dù khắc nghiệt theo nhiều cách khác nhau, vẫn có khả năng chứa những vi sinh vật có nhiều khả năng hơn so với những gì chúng ta đã biết, và vì vậy điều quan trọng đối với các nhà khoa học là phải tìm ra những gì đang tồn tại ở đó!

Bài viết sử dụng nguồn: KM