Vùng Pilbara ở Tây Úc là nơi có một trong những mảnh vỏ Trái đất cổ xưa nhất còn sót lại, không thay đổi về mặt địa chất kể từ khi được tạo ra cách đây khoảng 3,5 tỷ năm.

Một số dấu hiệu lâu đời nhất của sự sống đã được tìm thấy ở đây, ở khu vực Bắc Cực phía tây thị trấn Marble Bar, trong những tảng đá đen bao gồm thạch anh hạt mịn gọi là đá phiến silic.

Một số đặc điểm, được gọi là “Apex chert” (một loại đá trầm tích vi tinh chứa các hạt silica rất mịn và có thể chứa các hóa thạch nhỏ), đã được xác định là tàn tích hóa thạch của vi khuẩn giống như vi khuẩn vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã tranh luận về nguồn gốc thực sự của những đặc điểm này kể từ khi chúng được phát hiện cách đây 30 năm.

Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Advances, nhóm tác giả bài viết cho thấy các hợp chất giàu carbon cũng được tìm thấy trong đá phiến silic có thể được tạo ra bởi các quá trình phi sinh học. Điều này cho thấy “hóa thạch” được cho là không phải là tàn dư của các dạng sống ban đầu mà là đồ tạo tác của các quá trình hóa học và địa chất.

Hóa thạch Pilbara gây tranh cãi

Năm 1993, nhà cổ sinh vật học người Mỹ William Schopf đã phát hiện ra các sợi giàu carbon trong các mỏ lộ thiên 3,45 tỷ năm tuổi của đá phiến silic Apex. Ông giải thích chúng là phần còn lại của các vi khuẩn hóa thạch tương tự như vi khuẩn lam, là những sinh vật tạo ra oxy đầu tiên trên Trái đất và vẫn còn nhiều cho đến ngày nay.

Sự tồn tại của vi khuẩn lam hóa thạch trong những tảng đá cũ như vậy có nghĩa là sự sống đã bơm oxy vào không khí hơn một tỷ năm trước khi bầu khí quyển của Trái đất trở nên giàu oxy.

Một bằng chứng quan trọng ủng hộ sự sống là sự liên kết của các hợp chất hữu cơ với các hóa thạch cổ đại. Điều này là do các tế bào sống được tạo thành từ các phân tử hữu cơ lớn, bao gồm chủ yếu là carbon cũng như hydro, nitơ, oxy và các nguyên tố khác.

Năm 2002, cách giải thích của Schopf đã bị thách thức bởi nhà cổ sinh vật học người Anh Martin Brasier và nhóm của ông. Họ cho thấy các “hóa thạch” có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, không giống với vi khuẩn lam và thực sự không phù hợp với đời sống vi sinh vật. Hơn nữa, họ cũng cho thấy các phiến đá phiến đen chứa hóa thạch không phải là những lớp nằm ngang lắng đọng dưới đáy biển, mà là những đường vân góc cạnh cắt ngang các lớp đá bên dưới.

Các phiến đá phiến chứa hóa thạch dường như đã hình thành ở nhiệt độ cao trong quá trình hoạt động của núi lửa. Brasier lập luận rằng môi trường này thù địch với sự sống và trên thực tế, các “hóa thạch” được hình thành từ các tạp chất than chì trong đá. Họ cũng suy đoán rằng carbon liên quan đến “hóa thạch” thậm chí có thể không có nguồn gốc sinh học.

Một cuộc tranh luận sôi nổi xảy ra sau đó, và nó đã tiếp tục kể từ đó.

Vi khuẩn hay chất lỏng nóng?

Để cố gắng xác định nguồn gốc của các lớp trầm tích giàu carbon trong các vân đá phiến đen, nhóm của tác giả bài viết đã xem xét rất kỹ chúng bằng kính hiển vi điện tử có độ phóng đại cao.

Nhóm nhận thấy nó không đến từ vi khuẩn hóa thạch. Chất giống như dầu xuất hiện dưới dạng cặn bã trong các vết nứt và dưới dạng các giọt hóa đá, trước đây thường bị nhầm với hóa thạch cổ đại.

Kết cấu trong các vân đá phiến đen cho thấy chúng được hình thành khi chất lỏng nóng giàu silica và carbon di chuyển qua các vết nứt trong dòng dung nham bên dưới lỗ thông hơi dưới đáy biển tương tự như lỗ thông hơi “người hút thuốc đen” hiện đại. Khi tiếp cận đáy biển, chất lỏng nóng xâm nhập vào các lớp trầm tích núi lửa, thay thế nó bằng đá phiến đen.

Nếu carbon đến từ một chất lỏng nóng như vậy, thì điều này hỗ trợ cho những phát hiện rằng các sợi giàu carbon trong đá phiến silic Apex không phải là hóa thạch. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra một câu hỏi mới.

Thông thường, các hợp chất hữu cơ như dầu và khí đốt, được gọi là “nhiên liệu hóa thạch” vì chúng hình thành từ xác chết của tảo, vi khuẩn và thực vật, được tạo ra khi những xác chết này được chôn cất và nung nóng đến nhiệt độ trên 65℃. Các phản ứng hóa học giải phóng các hợp chất hữu cơ, các hợp chất này có thể tích tụ để tạo thành các mỏ dầu và khí đốt.

Tuy nhiên, trầm tích từ khu vực Bắc Cực rất mỏng (dày dưới 50m), nghèo phân tử hữu cơ và bị kẹp giữa hàng km dòng dung nham. Vì vậy, làm thế nào mà các hợp chất hữu cơ hình thành trong môi trường xung quanh như vậy?

Lỗ thông hơi dưới đáy biển trên Trái đất sơ khai

Một giả thuyết thay thế khả thi khác được đề xuất từ bằng chứng thực nghiệm và nghiên cứu về các thiên thạch trên sao Hỏa. Trong trường hợp không có các nguồn sinh học truyền thống, một số phân tử hữu cơ trong mạch đá phiến silic có thể được hình thành bởi các quá trình phi sinh học.

Ví dụ, khi nước nóng chảy qua dung nham hoặc đá lửa khác, nước và carbon dioxide có thể phản ứng với các bề mặt khoáng chất để tạo thành các hợp chất hữu cơ. Các phản ứng tương tự đã được đề xuất để giải thích sự hiện diện của các phân tử hữu cơ trong các thiên thạch trên sao Hỏa và trong một số loại đá lửa trên Trái đất.

Do đó, carbon trong đá phiến đen từ vùng hẻo lánh Pilbara có thể đại diện cho di tích của các hợp chất hữu cơ được tạo ra bởi phản ứng giữa nước và đá. Thật vậy, trên các lỗ thông hơi dưới đáy biển sơ khai của Trái đất có thể đã tạo ra nhiều hợp chất hữu cơ hơn so với các quá trình sinh học đã tạo ra, gây khó khăn cho việc phân biệt giữa các hóa thạch chứa carbon đích thực và các tạo tác chứa dầu.

Trong khi nhiều nghiên cứu khác đang được tiến hành, những kết quả ban đầu cho thấy sự sống chỉ mới tồn tại được 3,5 tỷ năm trước, đang cố gắng giành chỗ đứng trong một môi trường khắc nghiệt. Thế giới sau đó bị tàn phá bởi các vụ phun trào núi lửa thường xuyên bao phủ bề mặt Trái đất trong dung nham và tắm trong bức xạ mặt trời khắc nghiệt truyền qua bầu khí quyển không có tầng ôzôn bảo vệ.

Nhìn xa hơn về quá khứ, những phiến đá phiến đen mang đến cái nhìn thoáng qua về một hành tinh không có sự sống. Các phản ứng giữa nước và đá ở các lỗ thông hơi dưới đáy biển đã tạo ra một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ, có lẽ cung cấp nguyên liệu thô để lắp ráp các tế bào sống đầu tiên.

Nguồn: The Conversation.