Sự kiện Ôxy hoá lớn (Great Oxidation Event) là giai đoạn oxy tự do lần đầu tích tụ lâu dài trong khí quyển Trái Đất, khoảng 2,4–2,1 tỷ năm trước – mốc chính xác còn tranh luận. Thủ phạm là vi khuẩn lam, những sinh vật đầu tiên quang hợp bằng cách tách nước và thải ra oxy. Từ đó, bầu khí quyển không bao giờ quay về trạng thái cũ.
Vi khuẩn lam: nhà máy oxy nhỏ nhất
Vi khuẩn lam (cyanobacteria) là vi khuẩn sống bằng quang hợp, giống cây xanh: dùng ánh sáng, nước và CO₂ để tạo đường, thải ra oxy. Trước chúng đã có những vi khuẩn quang hợp kiểu khác, dùng hydro sunfua hay sắt hoà tan thay cho nước, và không tạo ra oxy.
Bước nhảy của vi khuẩn lam là tách được phân tử nước – việc đòi hỏi năng lượng lớn, cần một cụm nguyên tử mangan đặc biệt trong bộ máy quang hợp. Nước thì có khắp nơi, nên từ khi biết dùng nước, vi khuẩn lam không còn bị giới hạn bởi nguồn nguyên liệu hiếm. Chúng lan ra khắp các vùng biển nông có ánh sáng.
Lục lạp trong tế bào cây xanh ngày nay, theo thuyết nội cộng sinh được chấp nhận rộng rãi, chính là hậu duệ của một vi khuẩn lam bị một tế bào khác "nuốt" mà không tiêu hoá. Nói cách khác, mỗi chiếc lá đang làm lại việc vi khuẩn lam đã làm hơn hai tỷ năm trước.
Vi khuẩn lam xuất hiện chính xác lúc nào vẫn là câu hỏi mở. Ước tính dao động từ khoảng 2,7–3 tỷ năm trước, có ý kiến còn đẩy sớm hơn. Các thảm vi sinh hoá đá (stromatolite) 3,5 tỷ năm tuổi chứng tỏ đã có sự sống, nhưng không chứng minh được những vi sinh vật ấy thải oxy.
Vì sao oxy phải chờ hàng trăm triệu năm mới tích tụ
Nếu vi khuẩn lam có từ 2,7 tỷ năm trước hoặc sớm hơn, vì sao oxy chỉ tích tụ trong không khí sau 2,4 tỷ năm? Lời giải là các "bể hút" oxy. Oxy rất hoạt động, gặp gì cũng phản ứng:
- Sắt hoà tan trong nước biển: biển cổ giàu sắt hoá trị hai, oxy biến nó thành gỉ sắt không tan và lắng xuống đáy.
- Khí núi lửa: hydro, hydro sunfua, CO thoát ra liên tục và "nuốt" oxy.
- Đá trên lục địa: khoáng vật chứa sắt, lưu huỳnh bị oxy hoá khi phong hoá.
- Mê-tan: oxy và mê-tan phản ứng với nhau trong khí quyển.
Chừng nào lượng khí khử từ lòng đất còn nhiều hơn lượng oxy sinh vật tạo ra, oxy bị tiêu thụ ngay khi xuất hiện. Nhiều nhà khoa học cho rằng thay đổi then chốt nằm ở lòng đất: lớp phủ Trái Đất nguội dần, núi lửa thải ra khí ít "khử" hơn, và cán cân nghiêng về phía oxy. Một số tín hiệu địa hoá cho thấy đã có những "làn hơi oxy" ngắn ngủi trước sự kiện chính, khoảng 2,5 tỷ năm trước – nhưng cách đọc tín hiệu này còn bị chất vấn.
Đá kể chuyện: bằng chứng của Sự kiện Ôxy hoá lớn
| Bằng chứng | Trước sự kiện | Sau sự kiện |
|---|---|---|
| Dấu vết đồng vị lưu huỳnh bất thường (MIF-S) | Có, vì tia UV chiếu thẳng vào khí lưu huỳnh | Biến mất khoảng 2,4–2,3 tỷ năm trước |
| Sỏi chứa pyrit, uraninit bị nước cuốn | Phổ biến, không gỉ | Gần như không còn |
| Lớp đất cổ (paleosol) | Sắt bị rửa trôi khỏi đất | Sắt bị giữ lại dưới dạng oxit |
| Đá trầm tích đỏ (red beds) | Hiếm | Xuất hiện rộng |
| Thành hệ sắt dải (BIF) | Rất nhiều, cực thịnh quanh 2,5 tỷ năm trước | Giảm dần, phần lớn dừng khoảng 1,8 tỷ năm trước, tái xuất ngắn thời Trái Đất quả cầu tuyết |
Thành hệ sắt dải: vằn đỏ của đáy biển cổ
Thành hệ sắt dải là đá có các lớp mỏng đỏ – xám xen kẽ: lớp giàu oxit sắt, lớp giàu silic. Những mỏ lớn ở lưu vực Hamersley (Tây Úc), vùng hồ Thượng (Bắc Mỹ) hay Carajás (Brazil) ngày nay cung cấp phần lớn quặng sắt thế giới. Cơ chế hình thành chi tiết còn được nghiên cứu, nhưng thường được giải thích là sắt hoà tan gặp oxy (hoặc vi sinh vật oxy hoá sắt) rồi kết tủa theo từng đợt. Nghĩa là cái thìa sắt trong bếp có thể làm từ quặng sinh ra nhờ lần thở đầu tiên của vi khuẩn lam.
Oxy tăng bao nhiêu – và không tăng mãi
"Lớn" ở đây là so với con số gần bằng không trước đó. Ngay sau sự kiện, oxy có lẽ chỉ đạt khoảng một phần trăm đến vài phần trăm mức hiện nay; ước tính dao động khá rộng. Trong khoảng 2,2–2,06 tỷ năm trước, đá ghi lại một biến động đồng vị carbon rất lớn (gọi là sự kiện Lomagundi), được nhiều người hiểu là thời kỳ chôn vùi rất nhiều carbon hữu cơ và oxy có thể đã tăng vọt – rồi sau đó lại tụt xuống.
Tiếp theo là khoảng 1,8–0,8 tỷ năm trước mà giới địa chất gọi đùa là "một tỷ năm nhàm chán" (boring billion): khí hậu khá ổn định, oxy trong khí quyển ở mức thấp, đại dương sâu phần lớn vẫn thiếu oxy. Mức oxy cụ thể trong giai đoạn này còn tranh luận, có ý kiến cho rằng chỉ vào khoảng 0,1% mức hiện nay.
Phải đến Sự kiện Ôxy hoá Tân Nguyên Đại, khoảng 800–540 triệu năm trước, oxy mới tiến gần mức hiện đại, mở đường cho động vật lớn và vụ "bùng nổ kỷ Cambri".
Hệ quả: một cuộc khủng hoảng và một tấm khiên
Thảm hoạ cho sinh vật kỵ khí
Với vi sinh vật quen sống không oxy, oxy là chất độc: nó tạo ra các gốc tự do phá huỷ tế bào. Sách phổ thông hay gọi sự kiện này là "thảm hoạ oxy" và nói về một vụ tuyệt chủng lớn. Thực tế vi sinh vật để lại rất ít hoá thạch, nên quy mô "tuyệt chủng" là suy đoán. Điều chắc hơn là sinh vật kỵ khí bị đẩy vào những nơi thiếu oxy – bùn đáy, suối nước nóng, ruột động vật sau này – nơi chúng vẫn sống đến hôm nay.
Một kỷ băng hà rất sớm
Trùng thời điểm với sự kiện là băng hà Huronian (khoảng 2,4–2,1 tỷ năm trước), một trong những đợt băng hà cổ và dài nhất từng biết. Một giải thích phổ biến: oxy phá huỷ mê-tan – khí nhà kính mạnh giữ ấm Trái Đất dưới Mặt Trời trẻ còn mờ – nên hành tinh lạnh đi. Đây là giả thuyết được nhiều người ủng hộ, nhưng mối quan hệ nhân quả và trình tự thời gian vẫn đang được xem xét.
Tầng ozone ra đời
Có oxy thì tia cực tím biến một phần oxy thành ozone (O₃) ở trên cao. Lớp ozone hấp thụ phần lớn tia UV có hại, sau này trở thành điều kiện để sự sống lên được cạn. Đồng thời, hô hấp hiếu khí – dùng oxy để "đốt" thức ăn – cho năng lượng nhiều hơn hẳn so với hô hấp kỵ khí, tạo nền cho tế bào phức tạp.
Mốc thời gian oxy trên Trái Đất
- ~3,5 tỷ năm trước: thảm vi sinh hoá đá cổ; chưa có bằng chứng thải oxy.
- ~3,0–2,7 tỷ năm trước (tranh luận): quang hợp tạo oxy có thể đã xuất hiện.
- ~2,5 tỷ năm trước: có thể có những đợt oxy ngắn; thành hệ sắt dải cực thịnh.
- ~2,4–2,1 tỷ năm trước: Sự kiện Ôxy hoá lớn; băng hà Huronian.
- ~1,8–0,8 tỷ năm trước: "một tỷ năm nhàm chán", oxy thấp.
- ~800–540 triệu năm trước: Sự kiện Ôxy hoá Tân Nguyên Đại; động vật lớn xuất hiện.
- Hôm nay: oxy ~20,95% không khí khô.
Góc nhìn hôm nay
Bài học lớn nhất của Sự kiện Ôxy hoá lớn là sự sống có thể thay đổi cả bầu khí quyển một hành tinh. Đó cũng là lý do các nhà thiên văn tìm oxy và ozone trong khí quyển ngoại hành tinh như một dấu hiệu sinh học – dù họ biết rõ Trái Đất đã có sự sống hai tỷ năm mà oxy vẫn chưa lộ ra.
- Muốn thấy vi khuẩn lam tận mắt: lớp váng xanh ở ao hồ, nhiều khi chính là chúng. Thực phẩm bổ sung "tảo xoắn" spirulina cũng là một loại vi khuẩn lam.
- Muốn thấy thành hệ sắt dải: nhiều bảo tàng địa chất có mẫu đá đánh bóng; công viên quốc gia Karijini ở Tây Úc có vách đá BIF lộ thiên.
- Sách nên đọc: Oxygen: The Molecule that Made the World của Nick Lane là cuốn phổ thông kể kỹ câu chuyện này.
Câu hỏi thường gặp
Sự kiện Ôxy hoá lớn xảy ra năm nào?
Khoảng 2,4–2,1 tỷ năm trước. Mốc bắt đầu thường được đặt quanh 2,4–2,3 tỷ năm trước, khi dấu vết đồng vị lưu huỳnh bất thường biến mất khỏi đá. Con số chính xác vẫn còn tranh luận giữa các nhóm nghiên cứu.
Vi khuẩn lam là gì?
Vi khuẩn lam là vi khuẩn quang hợp bằng cách tách nước và thải ra oxy, giống cây xanh. Chúng là sinh vật đầu tiên tạo ra oxy tự do trên Trái Đất. Lục lạp trong tế bào thực vật được cho là có nguồn gốc từ vi khuẩn lam.
Vì sao có vi khuẩn lam rồi mà oxy chưa tăng ngay?
Vì oxy bị tiêu thụ ngay bởi sắt hoà tan trong biển, khí núi lửa, đá trên lục địa và mê-tan. Chỉ khi lượng oxy tạo ra vượt lượng bị tiêu thụ, nó mới tích tụ trong không khí. Quá trình đó mất hàng trăm triệu năm.
Sự kiện Ôxy hoá lớn có gây tuyệt chủng không?
Oxy độc với nhiều vi sinh vật kỵ khí, nên chúng bị đẩy vào các môi trường thiếu oxy. Nhiều sách gọi đó là "thảm hoạ oxy", nhưng vi sinh vật để lại rất ít hoá thạch nên quy mô tuyệt chủng là suy đoán, chưa đo được.
Thành hệ sắt dải là gì?
Đó là loại đá có các lớp mỏng giàu oxit sắt và giàu silic xen kẽ, hình thành chủ yếu dưới đáy biển cổ trên 1,8 tỷ năm trước. Chúng là nguồn quặng sắt chính của thế giới hiện nay và là bằng chứng về quá trình oxy hoá đại dương.
