Trong kỷ Than đá (khoảng 359–299 triệu năm trước), oxy trong khí quyển được ước tính đã lên khoảng 30–35%, cao hơn mức 20,95% hiện nay – dù các phương pháp khác nhau cho con số chênh nhau. Cùng thời đó có chuồn chuồn khổng lồ sải cánh khoảng 65–70 cm và cuốn chiếu dài hơn 2 mét. Giả thuyết "oxy cao nuôi côn trùng to" được nhiều nhà khoa học ủng hộ, nhưng vẫn còn tranh luận.
Vì sao kỷ Than đá lại nhiều oxy
Oxy trong khí quyển tăng khi carbon hữu cơ bị chôn vùi thay vì bị phân huỷ. Mỗi nguyên tử carbon cây cối lấy từ CO₂ để lại một phân tử oxy trong không khí. Nếu cây chết rồi mục, quá trình phân huỷ dùng lại oxy đó. Nhưng nếu cây bị chôn xuống đầm lầy, ép thành than, thì oxy được "giữ lại" trên trời.
Kỷ Than đá có đủ điều kiện để chôn carbon với quy mô chưa từng có:
- Rừng đầm lầy rộng lớn ở vùng xích đạo của siêu lục địa Pangaea đang hình thành – nay là các vùng than ở Bắc Mỹ, châu Âu.
- Cây có lignin: chất làm gỗ cứng, khó phân huỷ. Thực vật thân gỗ đã lan rộng từ kỷ Devon.
- Nước đọng thiếu oxy trong đầm lầy làm chậm quá trình mục rữa.
Một giả thuyết nổi tiếng cho rằng nấm phân huỷ gỗ chưa tiến hoá đầy đủ khả năng "ăn" lignin, nên gỗ chết tích tụ. Năm 2016, nghiên cứu của Nelsen và cộng sự trên PNAS phản bác: lượng than kỷ Than đá giải thích tốt hơn bằng khí hậu ẩm và địa hình sụt lún liên tục, không cần đến việc nấm "chưa biết ăn gỗ". Cả hai cách giải thích vẫn được nhắc đến; vế "nấm chưa tiến hoá" hiện yếu thế hơn.
Cùng lúc, CO₂ giảm mạnh vì bị khoá vào than, góp phần vào kỷ băng hà Cổ Sinh muộn với băng phủ nhiều vùng ở nam bán cầu (Gondwana).
Đo oxy cổ bằng cách nào
Không có bọt khí nào từ 300 triệu năm trước còn sót lại để đo trực tiếp. Các nhà khoa học dựa vào nhiều cách gián tiếp:
| Phương pháp | Nguyên lý | Ước tính đỉnh oxy (gần đúng) |
|---|---|---|
| Mô hình địa hoá (GEOCARBSULF của Robert Berner) | Cân bằng lượng carbon và lưu huỳnh bị chôn vùi theo đồng vị trong đá | Khoảng 30–35% cuối kỷ Than đá – đầu kỷ Permi |
| Than củi hoá thạch | Cháy rừng cần đủ oxy; tỷ lệ than củi trong than đá phản ánh mức dễ cháy | Trên 25%, có thể cao hơn |
| Hạt khí trong muối cổ, các chỉ dấu khác | Phân tích trực tiếp hơn nhưng hiếm và gây tranh cãi | Kết quả không thống nhất |
Giới hạn dưới thì chắc chắn hơn: than củi hoá thạch có liên tục từ khoảng 420 triệu năm trước, mà cháy rừng gần như không duy trì được nếu oxy dưới khoảng 15–17%. Giới hạn trên cũng bị ràng buộc: nếu oxy quá cao, đến cả thảm thực vật ẩm cũng dễ bắt lửa, rừng khó tồn tại.
Những sinh vật khổng lồ của kỷ Than đá
Meganeura: "chuồn chuồn" lớn nhất từng biết
Hoá thạch Meganeura monyi được tìm thấy ở mỏ than Commentry, Pháp, và được mô tả cuối thế kỷ 19. Sải cánh ước tính khoảng 65–70 cm. Họ hàng của nó ở kỷ Permi, Meganeuropsis permiana (Kansas, Mỹ), có sải cánh tương đương hoặc nhỉnh hơn. Chính xác thì chúng không phải chuồn chuồn thật mà thuộc bộ Meganisoptera, đôi khi gọi là "griffinfly" – họ hàng cổ của chuồn chuồn.
Arthropleura: cuốn chiếu dài bằng chiếc xe máy
Arthropleura là động vật chân khớp giống cuốn chiếu, dài có thể tới khoảng 2,5 mét, là động vật không xương sống trên cạn lớn nhất từng biết. Năm 2021, một mảnh hoá thạch lớn được tìm thấy trên bãi biển Northumberland, Anh, giúp ước tính kích thước rõ hơn.
Không phải con gì cũng to
Phần lớn côn trùng kỷ Than đá vẫn có kích thước bình thường. "Khổng lồ" là vài nhóm cá biệt – đó là điều cần nhớ khi tranh cãi về nguyên nhân.
Oxy cao có làm côn trùng to ra không
Côn trùng không có phổi. Chúng thở bằng hệ ống khí – những ống nhỏ phân nhánh đưa không khí từ lỗ thở vào sâu trong cơ thể, phần lớn nhờ khuếch tán. Cơ thể càng lớn, ống càng dài, khuếch tán càng kém hiệu quả, và ống khí chiếm càng nhiều thể tích. Không khí giàu oxy làm khuếch tán hiệu quả hơn, "nới" giới hạn kích thước.
Bằng chứng ủng hộ
- Năm 1995, Jeffrey Graham và cộng sự trên Nature nêu mối liên hệ giữa oxy cao và sự xuất hiện động vật khổng lồ thời Cổ Sinh muộn.
- Thí nghiệm nuôi một số loài chuồn chuồn trong không khí giàu oxy cho thấy con trưởng thành lớn hơn; ở một số côn trùng khác, kết quả không rõ hoặc ngược lại.
- Năm 2012, Matthew Clapham và Jered Karr trên PNAS phân tích hàng nghìn hoá thạch cánh côn trùng và thấy kích thước lớn nhất bám theo mức oxy suốt khoảng 150 triệu năm – cho tới khi chim xuất hiện.
Điểm vướng
- Côn trùng khổng lồ vẫn còn ở kỷ Permi, khi oxy theo mô hình đã bắt đầu giảm.
- Ấu trùng chuồn chuồn sống dưới nước, nơi oxy hoà tan thấp hơn nhiều, nên việc thở có thể là "nút cổ chai" ở giai đoạn ấu trùng chứ không phải con trưởng thành.
- Kẻ săn mồi: khi chưa có chim và dơi, côn trùng bay lớn ít bị ăn hơn. Clapham và Karr cho rằng sau khi chim xuất hiện, kích thước không còn bám theo oxy nữa – nghĩa là sinh thái cũng quan trọng.
- Chính mức oxy 30–35% vẫn là ước tính mô hình, có nghiên cứu cho con số thấp hơn.
Tóm lại: oxy cao có lẽ là điều kiện cho phép côn trùng to ra, không phải lý do duy nhất. Đây là cách nói thận trọng phản ánh đúng hiện trạng nghiên cứu.
Mốc thời gian oxy Cổ Sinh
- ~420 triệu năm trước: than củi hoá thạch đầu tiên – oxy đủ để cháy.
- ~385 triệu năm trước (kỷ Devon): những khu rừng cây gỗ đầu tiên.
- ~359–299 triệu năm trước (kỷ Than đá): rừng đầm lầy, than đá hình thành hàng loạt; oxy tăng mạnh.
- ~300 triệu năm trước: oxy có thể đạt đỉnh; băng hà ở Gondwana.
- ~252 triệu năm trước: cuối kỷ Permi, đại tuyệt chủng; oxy theo nhiều mô hình đã giảm đáng kể.
Góc nhìn hôm nay
Than đá mà con người khai thác ở châu Âu, Bắc Mỹ phần lớn có tuổi kỷ Than đá – tên kỷ được đặt chính vì thế. Riêng than ở Quảng Ninh thì trẻ hơn: các nhà địa chất xếp chúng vào kỷ Trias muộn, khoảng hơn 200 triệu năm trước. Đốt than là trả lại cho bầu trời phần carbon đã bị chôn hàng trăm triệu năm.
- Bảo tàng Địa chất Việt Nam (Hà Nội) và Bảo tàng Quảng Ninh có mẫu than, đá và hoá thạch thực vật.
- Hoá thạch Meganeura được trưng bày ở Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Quốc gia Pháp (Paris).
- Muốn đọc thêm: các bài tổng quan về "lịch sử oxy Phanerozoic" của Robert Berner và của nhóm nghiên cứu than củi hoá thạch.
Câu hỏi thường gặp
Oxy thời kỷ Than đá là bao nhiêu phần trăm?
Các mô hình địa hoá ước tính oxy đạt khoảng 30–35% vào cuối kỷ Than đá và đầu kỷ Permi. Bằng chứng than củi hoá thạch cho thấy oxy ít nhất trên 25%. Con số chính xác vẫn còn tranh luận vì không có mẫu khí trực tiếp.
Vì sao côn trùng thời xưa to như vậy?
Giả thuyết phổ biến là oxy cao giúp hệ ống khí của côn trùng vận chuyển oxy hiệu quả hơn, cho phép cơ thể lớn hơn. Tuy nhiên việc thiếu kẻ săn mồi trên không như chim cũng đóng vai trò. Giả thuyết oxy được ủng hộ nhưng chưa được chứng minh hoàn toàn.
Meganeura là gì?
Meganeura là một chi côn trùng bay sống khoảng 300 triệu năm trước, hoá thạch tìm thấy ở Commentry, Pháp. Sải cánh ước tính khoảng 65–70 cm. Nó là họ hàng cổ của chuồn chuồn, không phải chuồn chuồn thật.
Vì sao kỷ Than đá có nhiều than?
Rừng đầm lầy rộng lớn ở vùng nhiệt đới, cây giàu lignin khó phân huỷ và nước đọng thiếu oxy khiến lượng lớn thực vật bị chôn vùi thay vì mục rữa. Địa hình sụt lún liên tục giúp tích tụ các lớp than dày.
Nếu oxy lên 35% thì chuyện gì xảy ra?
Lửa sẽ dễ bùng và cháy mạnh hơn rất nhiều, kể cả với vật liệu tương đối ẩm. Đó là lý do mức oxy cao bị giới hạn bởi sự tồn tại của rừng. Con người không cần mức đó; oxy cao kéo dài cũng có thể gây hại cho phổi.
