Vào 2,3 tỷ năm trước, Trái Đất từng mất hết oxy và suýt “chết ngạt”

Khi Trái đất được hình thành cách đây 4,5 tỷ năm, bầu khí quyển hầu như không chứa oxy. Nhưng cách đây 2,43 tỷ năm, một sự kiện nào đó đã xảy ra, khiến mức oxy trong không khí bắt đầu tăng, sau đó giảm xuống, kèm theo những thay đổi lớn về khí hậu, trong đó có một số kỷ băng hà có thể đã bao phủ toàn bộ hành tinh trong băng giá trong một thời gian dài.

Các dấu hiệu hóa học được lưu trữ trong các tảng đá hình thành trong khoảng thời gian này đã cho thấy rằng, vào khoảng 2,32 tỷ năm trước, oxi bắt đầu trở thành loại khí tồn tại vĩnh viễn trong bầu khí quyển của hành tinh.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây tìm hiểu về khoảng thời gian sau mốc 2,32 tỷ năm trước lại cho thấy rằng mức oxi vẫn có sự tăng giảm liên tục cho đến khoảng 2,22 tỷ năm trước - đến lúc này, Trái Đất của chúng ta mới đạt mức oxi vĩnh viễn như hiện nay.

Nghiên cứu mới này, được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 29/3/2021, đã kéo dài thời gian của một giai đoạn mà chúng ta gọi là Sự kiện Oxy hóa Lớn thêm 100 triệu năm. Nó cũng có thể xác nhận mối liên hệ giữa quá trình oxy hóa của bầu khí quyển và những sự kiện biến đổi khí hậu lớn.

Đồng tác giả nghiên cứu Andrey Bekker, nhà địa chất học tại Đại học California, Riverside, cho biết: "Bây giờ chúng ta mới bắt đầu thấy sự phức tạp của sự kiện này".

Tạo ra oxy

Oxy được tạo ra trong Sự kiện Oxy hóa Lớn được tạo ra bởi vi khuẩn lam biển, một loại vi khuẩn tạo ra năng lượng thông qua quá trình quang hợp. Sản phẩm phụ chính của quá trình quang hợp là oxy, và những vi khuẩn lam thời kỳ đầu này cuối cùng đã tạo ra đủ oxi để làm thay đổi bộ mặt của hành tinh mãi mãi.

Dấu hiệu của sự thay đổi này được thể hiện trong các đá trầm tích biển. Dưới bầu không khí không có oxy, những loại đá này chứa một số loại đồng vị lưu huỳnh (Đồng vị là những nguyên tố có số lượng neutron trong hạt nhân khác với nguyên tố gốc). Khi mức oxy tăng đột biến, các đồng vị lưu huỳnh này biến mất vì các phản ứng hóa học tạo ra nó không xảy ra khi có oxy.

Bekker và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu về sự xuất hiện và biến mất của các tín hiệu đồng vị lưu huỳnh này trong một thời gian dài. Họ và các nhà nghiên cứu khác đã nhận thấy rằng sự tăng giảm của hàm lượng oxy trong khí quyển dường như có sự tương ứng với những dấu vết của ba lần xảy ra kỷ băng hà trên toàn cầu trong khoảng từ 2,5 tỷ đến 2,2 tỷ năm trước. Nhưng kỳ lạ thay, lần băng hà thứ tư và cuối cùng trong thời kỳ đó không liên quan đến sự thay đổi nồng độ oxy trong khí quyển.

"Các nhà nghiên cứu đã rất bối rối," Bekker nói với Live Science. "Tại sao chúng ta có bốn sự kiện băng hà, và ba sự kiện trong số đó có thể được liên kết và giải thích thông qua các biến đổi của hàm lượng oxi trong khí quyển, nhưng sự kiện thứ tư lại không liên quan?"

Để tìm hiểu, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu những tảng đá trẻ hơn từ Nam Phi. Những tảng đá biển này xuất hiện ở giai đoạn sau của Sự kiện Oxy hóa Lớn, từ sau kỷ băng hà thứ ba cho đến khoảng 2,2 tỷ năm trước.

Họ phát hiện ra rằng sau sự kiện băng hà thứ ba, ban đầu khí quyển không có oxy, sau đó nồng độ oxy tăng và giảm trở lại. Mức oxi đã tăng trở lại cách đây 2,32 tỷ năm - thời điểm mà trước đây các nhà khoa học cho rằng sự gia tăng khí oxy này là vĩnh viễn. Nhưng thông qua những tảng đá trẻ hơn, Bekker và các đồng nghiệp của ông lại phát hiện ra có sự sụt giảm nồng độ oxy. Sự sụt giảm này trùng với lần băng hà cuối cùng, lần mà trước đây các nhà khoa học cho rằng không liên quan đến những thay đổi của khí quyển.

Bekker nói: "Oxy trong khí quyển trong thời gian đầu này rất không ổn định - nó tăng lên mức tương đối cao và giảm xuống mức rất thấp. Đó là điều mà chúng tôi không hề nghĩ đến cho tới khoảng 4 hoặc 5 năm trở lại đây."

Vi khuẩn lam và núi lửa

Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu nguyên nhân gây ra tất cả những biến động này, nhưng hiện đã có một số giả thuyết. Một yếu tố quan trọng là metan, một loại khí nhà kính có khả năng giữ nhiệt hiệu quả hơn so với carbon dioxide.

Ngày nay, metan đóng vai trò trong sự nóng lên toàn cầu, nhưng không lớn bằng carbon dioxide, vì metan phản ứng với oxy và biến mất khỏi bầu khí quyển trong khoảng một thập kỷ, trong khi carbon dioxide có thể tồn tại đến hàng trăm năm. Nhưng khi bầu khí quyển có ít hoặc không có oxy, khí metan tồn tại lâu hơn và hoạt động như một loại khí nhà kính có tác động lớn hơn.

Vì vậy, trình tự oxy hóa và biến đổi khí hậu ở thời điểm đó có thể đã diễn ra như thế này: Vi khuẩn lam sản xuất oxy, khí oxy phản ứng với khí metan trong khí quyển vào thời điểm đó, chỉ để lại carbon dioxide.

Lượng carbon dioxide này không đủ dồi dào để bù đắp cho sự thiếu hụt nhiệt trong khí quyển (do khí metan đã bị mất), vì vậy Trái Đất của chúng ta bắt đầu lạnh đi. Các sông băng mở rộng, và bề mặt của hành tinh trở nên băng giá và lạnh hơn nhiều.

Tuy nhiên, việc cứu hành tinh khỏi tình trạng đóng băng sâu vĩnh viễn là những ngọn núi lửa dưới băng. Hoạt động của núi lửa cuối cùng đã tạo ra mức carbon dioxide đủ cao để làm ấm hành tinh trở lại. Và khi quá trình sản xuất oxy bị chậm lại trong các đại dương phủ băng do vi khuẩn lam nhận ít ánh sáng mặt trời hơn, thì khí metan từ núi lửa và vi sinh vật lại bắt đầu tích tụ trong khí quyển, tiếp tục làm gia tăng nhiệt độ.

Tuy nhiên, nồng độ carbon dioxide trong núi lửa còn có một tác động lớn khác. Khi carbon dioxide phản ứng với nước mưa, nó tạo thành axit cacbonic, làm xói mòn các loại đá nhanh hơn so với nước mưa, vốn có độ pH trung tính. Sự phong hóa đá với tốc độ nhanh hơn này đã đưa nhiều chất dinh dưỡng (như photpho) vào đại dương hơn.

Hơn 2 tỷ năm trước, một nguồn chất dinh dưỡng phong phú như vậy sẽ khiến vi khuẩn lam biển sản xuất oxy với tốc độ "điên cuồng" hơn, một lần nữa làm tăng nồng độ oxy trong khí quyển, làm giảm nồng độ khí metan và bắt đầu lại chu trình này.

Cuối cùng, một sự thay đổi địa chất khác đã phá vỡ chu trình oxy hóa và băng giá này. Mô hình này dường như đã kết thúc khoảng 2,2 tỷ năm trước, khi những vết tích trên đá cho thấy sự gia tăng lượng carbon hữu cơ bị chôn vùi, điều này cho thấy rằng các sinh vật quang hợp đang có một thời kỳ hoàng kim ở thời điểm này.

Không ai biết chính xác điều gì đã kích hoạt điểm tới hạn này, mặc dù Bekker và các đồng nghiệp của ông đưa ra giả thuyết rằng hoạt động núi lửa trong thời kỳ này đã cung cấp một lượng chất dinh dưỡng mới cho các đại dương, cuối cùng cung cấp cho vi khuẩn lam mọi thứ chúng cần để phát triển.

Tại thời điểm này, Bekker cho biết, mức oxy đã đủ cao để ngăn chặn vĩnh viễn ảnh hưởng của khí metan đối với khí hậu, và carbon dioxide từ hoạt động núi lửa và các nguồn khác đã trở thành loại khí nhà kính chiếm ưu thế trong việc giữ ấm hành tinh.

Bekker cho biết, có nhiều tàn tích đá khác từ thời kỳ này còn tồn tại trên khắp thế giới, bao gồm cả ở Tây Phi, Bắc Mỹ, Brazil, Nga và Ukraine. Ông nói, "những tảng đá cổ đại này cần được nghiên cứu thêm để tiết lộ cách thức hoạt động của các chu kỳ oxy ban đầu, đặc biệt là để hiểu cách thức mà sự lên xuống của nồng độ các loại khí này ảnh hưởng đến sự sống của hành tinh."

Quang Huy (Science Alert)