Có hơn một tỷ vi khuẩn chỉ trong một lít nước biển. Làm thế nào để tất cả các sinh vật này tìm thấy năng lượng và chất dinh dưỡng cần thiết để tồn tại?

Ở vùng nước giàu dinh dưỡng gần bề mặt đại dương, nguồn năng lượng chính là ánh sáng mặt trời, thúc đẩy quá trình quang hợp, chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Tuy nhiên, ở phần lớn đại dương rộng mở, việc thiếu chất dinh dưỡng sẽ hạn chế quá trình quang hợp và ở đại dương sâu thẳm, quá trình này hoàn toàn ngừng lại do không có ánh sáng mặt trời.

Mặc dù vậy, vi khuẩn đã tìm ra cách để sống trong đại dương rộng lớn và tối tăm. Chúng làm điều đó như thế nào?

Như tác giả bài viết đã báo cáo trên tạp chí Nature Microbiology, trên thực tế, nhiều vi khuẩn đại dương thu được năng lượng từ hai loại khí hòa tan, hydro và carbon monoxide, trong một quá trình gọi là tổng hợp hóa học. Quá trình bí ẩn này  giúp duy trì sự đa dạng sinh vật của các đại dương của chúng ta.

Khi không có ánh sát, quá trình tổng hợp hóa học chiếm ưu thế

Nhóm tác giả nhằm đến việc xác định các nguồn năng lượng ưa thích của vi khuẩn trong các đại dương trên thế giới.

Con người và các động vật khác phụ thuộc vào việc ăn thực phẩm hữu cơ, trong khi thực vật phụ thuộc vào quá trình quang hợp. Ngược lại, vi khuẩn sử dụng vô số nguồn năng lượng: năng lượng mặt trời, hữu cơ và vô cơ.

Nhiều loại vi khuẩn hấp thụ các loại khí năng lượng cao như hydro và thậm chí cả carbon monoxide, những chất độc hại đối với chúng ta. Chúng làm như vậy bằng cách sử dụng các enzym đặc biệt gọi là hydroase và carbon monoxide dehydrogenase.

Các đại dương trên thế giới chứa khá nhiều hydro và carbon monoxide hòa tan do các quá trình sinh học và địa chất khác nhau. Vì điều này, nhóm nghiên cứu dự đoán những loại khí này sẽ là nguồn năng lượng chính cho các vi khuẩn đại dương.

Trong quá trình nghiên cứu kéo dài 5 năm, nhóm tác giả đã khảo sát khả năng và hoạt động của các vi khuẩn có trong các đại dương trên thế giới. Họ đã lấy mẫu nước biển từ nhiều địa điểm khác nhau, trải dài từ các hòn đảo nhiệt đới đến vùng biển cận Nam Cực. Dữ liệu công khai từ nghiên cứu toàn cầu về Đại dương Tara cũng được phân tích.

Sử dụng một kỹ thuật gọi là giải trình tự metagenomic, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra bản thiết kế di truyền của tất cả các vi khuẩn trong các mẫu đại dương của chúng tôi. Nhóm cũng đã thực hiện các phép đo hóa học trong các cuộc thám hiểm, phân tích môi trường nuôi cấy vi khuẩn và sử dụng mô hình toán học để hiểu cách vi khuẩn lấy năng lượng.

Trong tất cả các mẫu mà chúng tôi đã phân tích, vi khuẩn sử dụng enzym để thu năng lượng từ hydro và carbon monoxide. Như chúng ta dự đoán, quang hợp là nguồn năng lượng chính ở vùng nước bề mặt ven biển – nhưng các vi khuẩn ăn khí phát triển phổ biến hơn ở xa bờ và trong đại dương sâu hơn.

Ở những vùng nước nghèo chất dinh dưỡng, quá trình tổng hợp hóa học có thể là chiến lược chính để thu được năng lượng.

Tám nhóm vi khuẩn có họ hàng xa, hay còn gọi là phyla, đã tạo ra các enzym để sử dụng hydro và carbon monoxide. Rõ ràng tổng hợp hóa học là một chiến lược phổ biến hơn nhiều trong các đại dương so với suy nghĩ trước đây!

Hydro và carbon monoxide không phải là nguồn năng lượng hóa học duy nhất hỗ trợ vi khuẩn đại dương. Dựa trên nghiên cứu trước đây của những nhóm khác, nhóm tác giả nhận thấy amoniac, sunfua và thiosunfat cũng được sử dụng rộng rãi.

Cùng với nhau, tất cả các nguồn năng lượng vô cơ này cho phép các vi khuẩn đa dạng phát triển thịnh vượng ngay cả ở những vùng tối nhất và nghèo dinh dưỡng nhất của đại dương. Như nhóm đã báo cáo trước đây, quá trình tổng hợp hóa học thậm chí còn cho phép hình thành một “khu rừng vi sinh vật” bên dưới các tảng băng ở Nam Cực.

Một đặc điểm cổ xưa vẫn còn phổ biến đáng ngạc nhiên cho đến ngày nay

Hóa tổng hợp ít được biết đến hơn so với quang hợp, nhưng nó có nguồn gốc cổ xưa hơn nhiều. Các lý thuyết hàng đầu về nguồn gốc sự sống cho thấy hydro – được tạo ra trong các miệng thủy nhiệt không có ánh sáng mặt trời – là nguồn năng lượng đầu tiên cho sự sống. Quá trình quang hợp có thể phát triển muộn hơn nhiều, cung cấp oxy trong khí quyển hỗ trợ sự sống của con người.

Một số hệ sinh thái vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay chủ yếu được thúc đẩy bởi quá trình tổng hợp hóa học, đáng chú ý nhất là “những người hút thuốc đen”. Ở đây, các nguồn năng lượng vô cơ được giải phóng từ các núi lửa dưới nước hỗ trợ các hệ sinh thái phức tạp do vi sinh vật điều khiển, bao gồm cả giun ống khổng lồ (bạn có thể đã thấy chúng trên Hành tinh xanh của David Attenborough). Nhưng người ta thường cho rằng hầu hết các hệ sinh thái ngày nay đều được điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp bởi quá trình quang hợp.

Phát hiện của nhóm cho thấy hiện trạng có thể phức tạp hơn. Bằng cách trình bày báo cáo đầu tiên về mức tiêu thụ hydro trong các đại dương mở, nhóm nghiên cứu tiết lộ những điểm tương đồng bất ngờ của các vi sinh vật biển ngày nay với tổ tiên xa xưa của chúng.

Ngày nay, quá trình tổng hợp hóa học vẫn còn hoạt động mạnh mẽ và cung cấp nguồn dinh dưỡng huyết mạch cho các vi khuẩn đại dương khi quá trình quang hợp thấp.

Các hydroase mà vi khuẩn biển hiện đại sử dụng để tiêu thụ hydro dường như có nguồn gốc trực tiếp từ các chất xúc tác cổ xưa đã hỗ trợ sự sống đầu tiên. Nhưng qua hàng tỷ năm tiến hóa, chúng đã thích nghi với mức hydro thấp hơn và mức oxy cao hơn hiện nay.

Thú vị ở chỗ, hydro và carbon monoxide dường như có vai trò riêng biệt đối với vi khuẩn đại dương.

Các vi khuẩn tiêu thụ hydro phát triển bằng cách sử dụng nguồn năng lượng chậm, ổn định do khí này cung cấp. Những vi khuẩn này thường siêu nhỏ và thích nghi với sự sống với năng lượng tối thiểu, như được phản ánh trong các thí nghiệm với vi khuẩn vùng cực Sphingopyxis alaskensis.

Ngược lại, carbon monoxide chủ yếu là nguồn năng lượng “cuối cùng” cho vi khuẩn thiếu ánh sáng hoặc carbon hữu cơ. Nó cung cấp đủ năng lượng để tồn tại cho đến khi có một bữa ăn ngon hơn, nhưng không cho phép cơ thể phát triển nhiều. Điều này phù hợp với nghiên cứu trước đây cho thấy carbon monoxide dehydrogenase hỗ trợ sự sống sót chứ không phải sự phát triển của các loại vi khuẩn khác nhau.

Sự tồn tại của vi khuẩn trong một thế giới đang thay đổi

Thông qua các nghiên cứu của chúng tôi về đại dương và nhiều môi trường khác, giờ đây rõ ràng rằng quá trình tổng hợp hóa học là một quá trình phổ biến và vi khuẩn thực sự khá linh hoạt trong chế độ ăn của chúng. Những hiểu biết sâu sắc như vậy nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách vi khuẩn đại dương tồn tại, sản xuất và tiêu thụ chất dinh dưỡng cũng như thích nghi với môi trường của chúng.

Đổi lại, chúng ta có thể dự đoán tốt hơn cách chúng có thể phản ứng với khí hậu thay đổi và các áp lực khác. Đại dương sâu thẳm, thường được coi là “biên giới cuối cùng” của Trái đất, chắc chắn ẩn chứa nhiều bí mật lớn nhỏ khác.

Nguồn: The Conversation.