Săn kiếm 'kho báu' ẩn sâu tại vùng khắc nghiệt nhất của Trái Đất: Quý giá hơn cả lithium!

Những nhà khoa học đang tìm kiếm điều gì tại trung tâm khô cằn của sa mạc Nam Mỹ này?

Khu vực khô cằn này từ lâu đã được biết đến như một nơi mà không có sự sống tồn tại. Tuy nhiên, đối với các nhà nghiên cứu, đây lại là một 'kho báu đặc biệt' quý giá hơn rất nhiều!

Vậy đó là gì?

SỰ KỲ DIỆU CỦA CUỘC SỐNG TRONG LÕI SA MẠC ATACAMA

Dễ hiểu khi 'Cha đẻ của lý thuyết tiến hóa' Charles Darwin, nhìn vào một vùng đất trống trải cách đây 187 năm, tuyên bố rằng vùng đất này (sa mạc Atacama ở phía bắc Chile) không có điều kiện cho sự sống.

Thực sự, mặc dù có một số nguồn nước rải rác hỗ trợ một số sinh vật thực vật, nhưng suốt hơn một thế kỷ qua, hầu hết các nhà khoa học đều đồng ý với kết luận của Charles Darwin rằng ở đây - trong phần khô cằn nhất của sa mạc Atacama, được gọi là lõi cực khô, thậm chí cả những sinh vật bền bỉ nhất cũng không thể tồn tại lâu!

Tuy nhiên, có vẻ Charles Darwin đã lầm lạc và đó là lý do Gómez-Silva đang ở đây.

Dậy sớm trước khi bình minh để đối phó với cái nóng gay gắt nhất trong ngày, rồi lái xe xuống phía nam dọc theo Dãy núi Bờ biển của Chile, nhóm các nhà khoa học rẽ vào đất liền, hướng tới lõi khô cằn của sa mạc Atacama. Ở đây, Gómez-Silva - một nhà vi sinh vật học sa mạc từ Đại học Antofagasta (Chile) sẽ săn tìm một loại nấm vi mô vô cùng nhỏ mà ông hy vọng có thể phân lập và nuôi trồng trong phòng thí nghiệm của mình. Chúng là thứ mà đối với những nhà khoa học như ông, còn quý giá và hiếm hơn cả lithium hay bất kỳ kim loại nào khác.

Nhà khoa học Gómez-Silva đang lấy mẫu đá muối ở lõi khô cằn của sa mạc. Ảnh: Lindzi Wessel

Mặc dù biết rằng mình đang ở nơi khô cằn nhất trên Trái Đất, nhưng Gómez-Silva tin rằng ở đây có nước, ẩn mình trong những tảng đá muối xung quanh. Giống như lọ chứa muối trong nhà bếp có thể hút ẩm từ không khí ẩm ướt, đá muối ở Atacama cũng hút vào mình một lượng nhỏ hơi ẩm từ sương mù đại dương vào ban đêm. Và đó là nơi mà vi sinh vật tìm kiếm để ẩn náu.

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

Gómez-Silva là thành viên của một nhóm nhà khoa học quyết tâm khám phá những vi sinh vật sống ở đây - trong sa mạc tồn tại lâu nhất thế giới, nơi mà khô cằn kể từ khi loài khủng long cuối kỷ Jura lãnh thổ trên Trái Đất khoảng 150 triệu năm trước.

Mọi thứ cố gắng tồn tại ở đây đều phải đối mặt với một loạt thách thức khắc nghiệt - đương nhiên, bao gồm cả việc thiếu nước: Bức xạ Mặt Trời cường độ cao; Sự hiện diện của các chất hóa học độc hại; Và sự khan hiếm của các chất dinh dưỡng quan trọng cho sự sống.

Tuy vậy, mặc cho những thách thức đó, những hiện tượng đặc biệt và nhỏ bé vẫn phát triển, và các nhà nghiên cứu như Gómez-Silva nói rằng có rất nhiều điều mà các nhà khoa học có thể học hỏi từ chúng.

“Việc tìm kiếm và chứng minh khả năng sống bền vững của các sinh vật nhỏ nhắn liên quan đến việc thay đổi cách nhìn của thế giới về sa mạc Atacama, một khu vực đã lâu được biết đến với việc khai thác các khoáng sản quý. Chúng tôi tin rằng Atacama xứng đáng được đánh giá cao như một điểm đến để mô tả các dạng sống mới mẻ trên Trái Đất, từ đó giúp các nhà khoa học phát triển các công cụ mới trong lĩnh vực sinh học, để trả lời câu hỏi về nguồn gốc của sự sống và hướng dẫn chúng ta cách tìm kiếm sự sống trên các hành tinh khác”.

ATACAMA - NƠI THÁCH THỨC SỰ SỐNG TRÊN HÀNH TINH

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

Không chỉ là một trong những sa mạc cao nhất trên thế giới, Atacama cũng là nơi khô cằn bậc nhất hành tinh. Nhiều khu vực của sa mạc này chỉ nhận được mưa rất ít, nếu có. Thành phố Arica ở sa mạc Atacama, gần biên giới với Peru, giữ kỷ lục về đợt khô dài nhất thế giới - các nhà nghiên cứu tin rằng không một giọt mưa nào rơi xuống vùng này trong hơn 14 năm vào đầu những năm 1900.

Sa mạc Atacama còn được biết đến với cái tên “sao Hỏa trên Trái Đất”. Ảnh: Internet

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

Không khí ở độ cao cao của sa mạc không thể ngăn chặn được tác động của tia UV từ Mặt Trời. Điều này dẫn đến việc thiếu nước chảy đi để cung cấp chất dinh dưỡng cho hệ sinh thái bị hạn chế, cũng như sự pha loãng của các chất độc hại.

Các hồ tồn tại trong sa mạc - thường là các lưu vực mùa được cung cấp bởi các dòng sông ngầm - thường chứa nhiều muối, kim loại và nguyên tố, bao gồm arsen, độc hại cho nhiều loại vi khuẩn.

Trong chuyến thám hiểm Atacama vào những năm 1850, người ta đã nhận thấy điều này, và ngay cả nhà tự nhiên học Rodulfo Philippi cũng thốt lên rằng: Atacama có giá trị nhất ở việc khai thác khoáng sản!

Khai thác khoáng sản đủ để khiến Atacama trở nên hấp dẫn với Chile. Vùng này chứa lượng kali nitrat (diêm tiêu, KNO3) lớn - một nguồn nitrat được sử dụng trong phân bón và chất nổ, và được gọi là “vàng trắng” do nhu cầu lớn trên toàn cầu trong thế kỷ 19.

Ngoài kali nitrat, hoạt động khai thác khoáng sản vẫn rất phát triển ở Atacama. Chile hiện là nhà xuất khẩu đồng số 1 thế giới; nổi tiếng về lithium; đồng thời cung cấp chính của bạc và sắt, cùng với nhiều kim loại và khoáng sản quý khác.

Khai thác mỏ có lịch sử lâu dài ở Atacama và ngày nay sa mạc là nguồn cung cấp lithium chính. Hình ảnh từ không gian cho thấy hoạt động khai thác lithium trong các hồ muối của sa mạc. Nguồn ảnh: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

Khai thác khoáng sản đã tạo ra dấu ấn đặc biệt trên sa mạc Atacama. Nhìn từ không gian, Salar de Atacama, một bãi muối lớn gấp gần 4 lần kích thước thành phố New York (Mỹ), hiện lên với các mỏ lithium nhạt nhòa. Các mỏ vàng và đồng xuất hiện dưới dạng các khe đào, như những vết sẹo trên bề mặt sa mạc khô cằn.

Dưới lòng đất cũng thế, không khó để bắt gặp các di tích liên quan đến lịch sử khai thác của khu vực. Gần nơi Gómez-Silva thu thập đá muối ở Yungay là một nghĩa trang với những ngôi mộ có từ những năm 1800 đến giữa thế kỷ 20, thuộc về công nhân của các mỏ muối bị bỏ hoang và gia đình của họ.

'KHOÁNG SẢN ĐẶC BIỆT' CỦA NHÀ KHOA HỌC

Năm 1994, Đại học Antofagasta (Chile) thành lập một trạm nghiên cứu nhỏ tại 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 khả năng tồn tại của sự sống trong đất và đá khô ở đây từ những năm 1960. Tuy nhiên, chỉ đến năm 2003, khi một bài báo nổi tiếng chi tiết về lý do tại sa mạc Atacama giống sao Hỏa, nghiên cứu về vi sinh vật trong khu vực mới thực sự bắt đầu thành công. Các cuộc điều tra về Atacama đã tăng lên đáng kể từ khi các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực như sinh thái học, di truyền học và vi sinh học tham gia.

“Tuy nhiên, các nhà khoa học chỉ mới tiếp cận phần nhỏ của Atacama. Bởi phần lớn sự sống ở đây vẫn còn ẩn chứa” - Cristina Dorador, nhà vi sinh vật Atacama tại Đại học Antofagasta (Chile) nói.

Cristina Dorador nghiên cứu các thảm vi sinh vật phát triển mạnh dưới lớp vỏ của các mỏ muối Atacama, nơi có hàng triệu vi sinh vật thuộc nhiều loại. Các loài này 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 tầng trầm tích có thể bị bỏ lại dưới dạng hóa thạch stromatolit. Có stromatolit cổ nhất có niên đại 3,7 tỷ năm, khi bầu khí quyển của Trái Đất không có oxy!

Du khách trên bãi muối của sa mạc Atacama. Nguồn: Internet

Có nhiều chiến lược sinh tồn độc đáo tại Atacama, thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học muốn hiểu biết về sự thay đổi của cuộc sống theo thời gian.

Vào năm 2010, một nhóm nghiên cứu tại Chile báo cáo việc phát hiện một loại vi khuẩn mới sống trên các sợi mạng nhện trong một hang động ở bên bờ biển Atacama. Loài vi khuẩn này có khả năng hấp thụ sương mù vào buổi sáng sớm. Dunaliella, một loại tảo đơn bào màu xanh lá cây, là loài đầu tiên trong chi của nó được phát hiện sống ngoài môi trường nước, và các nhà khoa học cho rằng khả năng thích nghi của nó có thể tương tự như những loài thực vật nguyên thủy đã xuất hiện khi lần đầu tiên đặt chân lên đất liền.

Các loài vi khuẩn khác đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm nước. Vào năm 2020, một nhóm nhà khoa học từ Mỹ mô tả một loại vi khuẩn sống trong đá thạch cao, tạo ra một chất để hòa tan các khoáng chất xung quanh, giải phóng phân tử nước.

David Kisailus, một kỹ sư hóa học và môi trường tại Đại học California (Mỹ) nói: “Chúng gần như là những người thợ mỏ... đang khai thác nước”.

Các ví dụ như vậy chỉ là một phần nhỏ của cách vi sinh vật tại Atacama dạy chúng ta về sự sống trong môi trường khắc nghiệt trên Trái Đất. Những bài học như thế có thể giúp chúng ta tìm kiếm sự sống trên các hành tinh khác, hoặc thích nghi với những thay đổi môi trường của chính mình.

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

Michael Goodfellow đã dành phần lớn thời gian 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, hy vọng tìm ra các phân tử mới để sử dụng trong lĩnh vực kháng sinh.

Ông cho rằng việc tiến hành khảo sát sinh học trong môi trường khắc nghiệt là một chiến lược quan trọng để đối phó với cuộc khủng hoảng kháng sinh toàn cầu, cướp đi sinh mạng của ít nhất 700.000 người mỗi năm.

Trong các cuộc thám hiểm đầu tiên đến vùng trung tâm cực khô của Atacama, Michael Goodfellow và đồng nghiệp không mong đợi sẽ tìm thấy nhiều điều. Tuy nhiên, sự kỳ diệu của tự nhiên luôn khiến họ ngạc nhiên.

Đáng ngạc nhiên hơn, các nhà khoa học đã phân lập được một số lượng nhỏ vi khuẩn đất thuộc nhóm Actinomycetes, một loại vi khuẩn đất phổ biến trên toàn cầu, đã tạo nên nền tảng cho nghiên cứu về kháng sinh. Kể từ đó, đã phát triển hơn 40 phân tử mới từ nghiên cứu trên nhóm vi khuẩn này, một số trong đó có khả năng ức chế vi khuẩn gây bệnh thông thường trong phòng thí nghiệm.

Michael Seeger, một nhà hóa sinh tại Đại học Kỹ thuật Federico Santa Maria ở Chile, cho biết nghiên cứu sinh học tại các sa mạc như Atacama cũng mang lại những ứng dụng công nghệ đáng chú ý.

Một ví dụ điển hình là vi sinh vật chiếm khoảng 10% sản lượng đồng của Chile. Đồng thường tìm thấy trong hỗn hợp với các kim loại khác, và vi sinh vật có thể giúp chiết xuất nó bằng cách tiêu thụ các vật liệu không phải là đồng trong quặng.

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

Theo Michael Seeger, các vi khuẩn phân hủy kim loại cần phải có khả năng chống lại axit vì chúng tiết ra axit như một sản phẩm phụ. Để phát triển trong môi trường axit, các loài vi khuẩn này cần có các cơ chế đặc biệt như màng tế bào chống axit để ngăn chặn axit, loại bỏ nhanh chóng axit ra khỏi tế bào và các enzyme có khả năng sửa chữa protein và DNA.

Sa mạc Atacama có khả năng chứa nhiều loài kỳ lạ như vậy, với các khả năng chuyên biệt giúp chúng hữu ích cho công nghiệp và các mục đích thực tiễn khác.

Theo Michael Seeger, các vi khuẩn ưa arsenic có thể hữu ích để làm sạch nước ô nhiễm, và các gene mượn từ vi khuẩn chịu mặn hoặc chịu hạn có thể được chuyển sang vi khuẩn đất để thúc đẩy nông nghiệp ở các quốc gia đang đối mặt với tình trạng sa mạc hóa 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 điều kiện khắc nghiệt, ban đầu được lấy từ một suối nước nóng Yellowstone ở Mỹ.

Các nhà sinh học hy vọng rằng việc nghiên cứu các enzyme có khả năng chịu đựng trong điều kiện khắc nghiệt tương tự từ vi sinh vật sa mạc có thể mang lại những đột phá mới về công nghệ sinh học trong tương lai.

Dù khắc nghiệt theo nhiều cách, sa mạc Atacama vẫn có khả năng chứa đựng những vi sinh vật có khả năng đặc biệt hơn những gì chúng ta đã biết, vì vậy điều quan trọng đối với các nhà khoa học là phải khám phá những gì đang tồn tại ở đó!

Bài viết sử dụng nguồn: KM