Các nhà nghiên cứu tìm thấy lượng lớn những hình thức sống thường kỳ lạ bên dưới bề mặt hành tinh.

Nhiều dạng sự sống tồn tại dưới lòng đất hơn là trên bề mặt, một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Đài Quan Sát Carbon Sâu (DCO) đã kết luận. Thực tế, khoảng 16,5 đến 25 tỷ tấn vi sinh vật sống dưới bề mặt của Trái Đất. Đó là lượng lớn gấp hàng trăm lần so với tổng trọng lượng của tất cả con người trên Trái Đất.

Các nhà khoa học đã có được kết quả này bằng cách khảo sát ở nhiều địa điểm trên khắp thế giới, từ các giếng khoan sâu tới 5km (3,1 dặm), khoan 2,5 km (1,6 dặm) vào đáy biển và lấy mẫu từ các mỏ khai thác trên lục địa. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng tổng kích thước của hệ sinh thái dưới lòng đất lớn gấp đôi thể tích của tất cả các đại dương trên hành tinh (khoảng từ 2 đến 2,3 tỷ km khối).

Khám phá vĩ đại về sinh quyển sâu thẳm dưới lòng đất

Trong suốt hàng thế kỷ qua, sự chú ý của nền khoa học sinh học và sinh thái học nhân loại dường như chỉ tập trung một cách độc quyền vào lớp vỏ mỏng manh trên bề mặt của hành tinh xanh, nơi có sự hiện diện của ánh sáng mặt trời rực rỡ, bầu khí quyển giàu oxy và những đại dương bao la gợn sóng. Chúng ta đã quen thuộc với việc tự hào về sự đa dạng lộng lẫy của các thảm rừng mưa nhiệt đới bạt ngàn hay những rạn san hô rực rỡ sắc màu, và vô thức mặc định rằng ranh giới của sự sống chỉ được giới hạn ở những nơi mà đôi mắt con người có thể dễ dàng chạm tới. Mọi lý thuyết về sự tiến hóa, các mô hình về chu trình sinh địa hóa toàn cầu và những nỗ lực bảo tồn thiên nhiên đều được xây dựng dựa trên một lăng kính bề mặt chật hẹp đó. Thế nhưng, khi các công nghệ khoan thăm dò địa chất và phân tích vi sinh học phân tử đạt đến những bước tiến nhảy vọt mang tính chất cách mạng trong thế kỷ XXI, bức màn bí ẩn che phủ thế giới ngầm vĩnh cửu đã dần được vén lên, giáng một đòn mạnh mẽ vào tư duy dĩ nhân vi trung và định kiến sinh thái học truyền thống. Giới hàn lâm quốc tế đã đi đến một kết luận chấn động làm thay đổi hoàn toàn sách giáo khoa sinh học: có nhiều dạng sự sống tồn tại dưới lòng đất hơn là trên bề mặt của chúng ta. Việc các nhà nghiên cứu tìm thấy một lượng lớn những hình thức sống thường kỳ lạ bên dưới bề mặt hành tinh không chỉ đơn thuần là việc bổ sung thêm một vài loài mới vào danh mục phân loại sinh học, mà nó thực sự đại diện cho việc khám phá ra một lục địa sinh học khổng lồ hoàn toàn vô hình, một sinh quyển thứ hai đang âm thầm vận hành trong điều kiện khắc nghiệt tột độ. Khám phá vĩ đại này ép buộc chúng ta phải tái định nghĩa lại toàn bộ các khái niệm về giới hạn vật lý của sự sống, đánh giá lại nguồn gốc nguyên thủy của sinh giới, đồng thời mở ra những hướng đi mới đầy hứa hẹn cho quá trình tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất trên các hành tinh xa xôi trong vũ trụ bao la.

Quy mô và sự phân bố của hệ sinh thái dưới lòng đất

Để có thể nắm bắt được tầm vóc vĩ đại của sinh quyển sâu thẳm này, các nhà khoa học đã không thể chỉ dựa vào những phỏng đoán lý thuyết hay các mô hình ngoại suy toán học đơn thuần, mà bắt buộc phải tiến hành những chiến dịch thực địa quy mô lớn, khoan sâu vào tận cùng của lớp vỏ thạch quyển rắn chắc. Bằng việc tổng hợp hàng triệu điểm dữ liệu thu thập được từ những môi trường khắc nghiệt nhất, một bức tranh định lượng vô cùng chi tiết và đáng kinh ngạc về khối lượng, thể tích cũng như sự phân bố không gian của hệ sinh thái ngầm đã được phác họa thành công.

Cuộc khảo sát toàn cầu của giới khoa học địa chất

Hành trình đi tìm sự sống trong bóng tối vĩnh cửu không phải là nỗ lực đơn độc của bất kỳ một quốc gia hay một phòng thí nghiệm riêng lẻ nào, mà nó đòi hỏi một sự hợp tác quốc tế chưa từng có trong lịch sử nghiên cứu khoa học tự nhiên. Để hiện thực hóa tham vọng này, Đài Quan Sát Carbon Sâu (Deep Carbon Observatory) đã được thành lập, đóng vai trò như một cơ quan đầu não điều phối chiến dịch vĩ đại nhất nhằm khám phá thế giới ngầm. Đài Quan Sát Carbon Sâu là một tập hợp khổng lồ gồm 1.200 nhà khoa học xuất chúng đến từ 52 quốc gia khác nhau trên toàn thế giới, bao phủ và làm việc trên nhiều lĩnh vực chuyên môn đa dạng từ địa chất học, vật lý học ứng dụng, cho đến hóa học cấu trúc và vi sinh học phân tử. Sự hội tụ đa ngành này là một yêu cầu bắt buộc, bởi lẽ việc thấu hiểu sự sống dưới lòng sâu không thể tách rời khỏi việc phân tích cấu trúc khoáng vật, dòng chảy của các dòng lưu chất địa nhiệt và các phản ứng hóa học vô cơ diễn ra ở áp suất khổng lồ. Sáng kiến nghiên cứu mang tính chất lịch sử kéo dài 10 năm này đã tập hợp được một nguồn ngân sách khổng lồ và hệ thống máy móc tối tân nhất, và các kết quả của nghiên cứu hiện tại mang tính chất tổng kết đã được trình bày một cách đầy tự hào tại cuộc họp thường niên của Hiệp Hội Địa Vật Lý Hoa Kỳ.

Để thu thập được những mẫu vật nguyên sơ không bị ô nhiễm bởi sinh quyển bề mặt, đội ngũ chuyên gia do nhà khoa học xuất sắc Cara Magnabosco (năm sinh chưa rõ – nay) đến từ Trung Tâm Sinh Học Tính Toán thuộc Flatiron Institute tại New York dẫn dắt, cùng với các đồng nghiệp thuộc Đài Quan Sát Carbon Sâu, đã phải vượt qua những giới hạn kỹ thuật tưởng chừng như không thể. Các nhà khoa học đã có được kết quả này bằng cách tiến hành khảo sát một cách hệ thống ở vô số nhiều địa điểm có cấu trúc địa chất phức tạp trên khắp thế giới. Họ đã thực hiện các mũi khoan công nghiệp đâm xuyên qua các tầng đá mẹ kiên cố từ các giếng khoan có độ sâu kỷ lục lên tới 5 ki lô mét trên đất liền, đồng thời triển khai các hệ thống khoan ngầm dưới đáy đại dương sâu 2,5 ki lô mét để tiếp cận với lớp vỏ trầm tích và đá bazan nứt nẻ. Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu của Cara Magnabosco (năm sinh chưa rõ – nay) còn trực tiếp đi xuống các hầm lò tối tăm, trong quá trình thu thập các mẫu nước cổ xưa bị giam cầm hàng triệu năm ở độ sâu 1,3 ki lô mét bên trong hệ thống mỏ vàng Beatrix nổi tiếng tại Nam Phi, cũng như lấy mẫu từ vô số các mỏ khai thác khoáng sản tự nhiên khác trên các lục địa. Mỗi một mẫu lõi khoan được đưa lên bề mặt đều là một viên nang thời gian vô giá, chứa đựng những bí mật sinh học chưa từng được ánh sáng mặt trời chạm tới.

Quá trình phân tích hàng ngàn mẫu vật từ các độ sâu và môi trường địa chất khác nhau này đã đòi hỏi sự hỗ trợ của các hệ thống siêu máy tính để giải trình tự gen di truyền học (metagenomics) và lập bản đồ phân bố sinh thái quy mô toàn cầu. Bằng cách trích xuất cẩn thận từng đoạn phân tử axit deoxyribonucleic (ADN) từ những khối đá cứng nhắc và những mạch nước ngầm nhiễm mặn, các nhà nghiên cứu không chỉ xác định được sự hiện diện vật lý của vi khuẩn mà còn giải mã được toàn bộ cơ sở dữ liệu về cách thức chúng trao đổi chất. Công việc này khó khăn giống như việc tìm kiếm những hạt cát phát sáng giữa một sa mạc khổng lồ, đòi hỏi các quy trình vô trùng tuyệt đối để ngăn chặn vi khuẩn từ da người hoặc không khí làm sai lệch kết quả thí nghiệm. Sự kiên trì và độ chính xác tuyệt đối trong phương pháp luận của cuộc khảo sát toàn cầu này đã đặt một nền móng vững chắc không thể bị lật đổ cho ngành sinh thái học vi sinh vật sâu thẳm, cung cấp những bộ dữ liệu định lượng có độ tin cậy cao nhất để chuẩn bị cho những tuyên bố làm thay đổi nhận thức nhân loại trong các báo cáo khoa học tiếp theo.

Khối lượng sinh khối khổng lồ và sự đảo lộn nhận thức

Khi các hệ thống máy tính hoàn tất việc ngoại suy dữ liệu từ các mẫu khoan cục bộ ra quy mô toàn cầu, con số tổng kết về sinh khối ngầm đã tạo ra một cú sốc lớn đối với giới hàn lâm. Nhóm nghiên cứu quốc tế từ Đài Quan Sát Carbon Sâu đã đưa ra kết luận chính thức rằng, trong thực tế khách quan, có khoảng từ 16,5 đến 25 tỷ tấn vi sinh vật đang âm thầm sống sót và sinh sôi ngay dưới bề mặt của Trái Đất chúng ta. Con số từ 16,5 đến 25 tỷ tấn carbon sinh khối này là một khối lượng vật chất hữu cơ khổng lồ vượt quá mọi sức tưởng tượng của các nhà sinh học truyền thống, những người vốn luôn tin rằng sinh quyển chỉ tập trung chủ yếu ở những nơi có quá trình quang hợp diễn ra. Nếu chúng ta gom toàn bộ số lượng thực vật, động vật và con người trên bề mặt lại để so sánh, chúng ta sẽ nhận ra một sự thật phũ phàng về vị trí vô cùng khiêm tốn của mình trên cán cân sinh thái vĩ mô. Đặc biệt, để công chúng dễ dàng hình dung được sự khổng lồ của thế giới ngầm, các nhà khoa học đã đưa ra một phép so sánh vô cùng trực quan: khối lượng vi sinh vật ngầm đó là một lượng lớn gấp hàng trăm lần so với tổng trọng lượng của tất cả con người đang sinh sống trên bề mặt Trái Đất cộng lại.

Sự đảo lộn nhận thức này không chỉ dừng lại ở việc so sánh khối lượng tĩnh, mà nó còn định hình lại toàn bộ sự hiểu biết của nhân loại về các chu trình luân chuyển nguyên tố sinh địa hóa quy mô hành tinh, đặc biệt là chu trình carbon cốt lõi. Một lượng sinh khối khổng lồ lên tới hàng chục tỷ tấn tồn tại dưới dạng vi sinh vật ngầm đồng nghĩa với việc lòng đất đang hoạt động như một bể chứa carbon (carbon sink) vĩ đại nhất, tham gia trực tiếp vào việc điều hòa nồng độ các loại khí nhà kính trong thời gian địa chất dài hạn. Những vi khuẩn này không ngừng tiêu thụ, biến đổi và giải phóng các hợp chất chứa carbon, lưu huỳnh và sắt, tạo ra những dòng chảy năng lượng hóa học kết nối trực tiếp lớp phủ của Trái Đất với lớp vỏ và cuối cùng là hệ thống khí quyển. Việc bỏ qua sinh quyển sâu thẳm trong các mô hình dự báo biến đổi khí hậu hoặc tính toán ngân sách carbon toàn cầu trước đây rõ ràng là một thiếu sót học thuật vô cùng nghiêm trọng, giống như việc chúng ta cố gắng lập bảng cân đối kế toán cho một tập đoàn khổng lồ mà lại hoàn toàn bỏ quên đi hai phần ba số tài sản đang được cất giấu trong các kho báu bí mật.

Chính vì tầm vóc khổng lồ và sự phong phú ngoài sức tưởng tượng này, giới khoa học đã không ngần ngại sử dụng những phép so sánh mỹ miều nhất để tôn vinh sự vĩ đại của sinh quyển dưới lòng đất. Lượng lớn sinh vật đang tồn tại bên dưới lớp vỏ hành tinh có thể được đặt lên bàn cân để so sánh trực tiếp với việc nghiên cứu các hệ sinh thái phong phú và phức tạp bậc nhất trên bề mặt, chẳng hạn như quần đảo hoang sơ Galapagos – nơi khởi nguồn của thuyết tiến hóa Darwin, hay thảm rừng mưa nhiệt đới Amazon bạt ngàn – nơi được mệnh danh là lá phổi xanh và là kho tàng đa dạng sinh học của thế giới, các nhà khoa học cho biết. Tuy nhiên, khác với rừng Amazon đang chịu sự đe dọa từng ngày bởi sự tàn phá của nền công nghiệp khai thác gỗ, hệ sinh thái ngầm này đã và đang được bảo vệ an toàn dưới lớp áo giáp đá tảng vững chắc suốt hàng tỷ năm qua. Việc thừa nhận khối lượng sinh khối khổng lồ này đòi hỏi triết học khoa học hiện đại phải chấm dứt thái độ kiêu ngạo mang tính chất dĩ nhân vi trung, học cách khiêm nhường kính sợ trước sức sống mãnh liệt của tự nhiên, và chấp nhận một thực tại rằng loài người chỉ là những kẻ cư ngụ muộn màng và nhỏ bé trên tầng gác mái mỏng manh của một tòa lâu đài sinh học khổng lồ ẩn sâu dưới lòng đất.

Thể tích không gian sống bao la và các giới hạn vật lý

Việc một lượng sinh khối khổng lồ như vậy có thể tồn tại được đòi hỏi một không gian vật lý tương xứng, và các phép tính toán học không gian đã mở ra một góc nhìn hoàn toàn mới về kiến trúc của Trái Đất. Thông qua việc lập mô hình các mạng lưới khe nứt, lỗ rỗng li ti bên trong các tầng đá trầm tích và đá magma bọt, các nhà nghiên cứu thuộc dự án đã tiến hành ước tính một cách vô cùng thận trọng rằng tổng kích thước của toàn bộ hệ sinh thái dưới lòng đất thực sự lớn gấp đôi thể tích của tất cả các đại dương trên hành tinh cộng lại. Khi biết rằng các đại dương bao phủ tới bảy mươi mốt phần trăm bề mặt Trái Đất và chứa đựng một lượng nước khổng lồ, việc sinh quyển ngầm sở hữu một thể tích ước tính đạt khoảng từ 2 đến 2,3 tỷ ki lô mét khối là một thông số vật lý gây choáng ngợp tột độ. Thể tích không gian sống khổng lồ này không tồn tại dưới dạng những hang động ngầm khổng lồ trống rỗng như trong các tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, mà chúng được cấu thành từ vô số các vi môi trường nhỏ bé, những mạng lưới mao dẫn ngập nước chứa đầy khoáng chất hòa tan, kéo dài từ ngay dưới lớp đất mùn bề mặt cho đến độ sâu hàng chục ki lô mét, nơi sức nóng của lớp phủ địa幔 bắt đầu biến đá thành trạng thái nóng chảy.

Sự phân bố của sự sống bên trong cái không gian khổng lồ 2,3 tỷ ki lô mét khối này không hề đồng đều, mà nó bị chi phối một cách cực kỳ nghiêm ngặt bởi ba yếu tố vật lý giới hạn cốt lõi: nhiệt độ, áp suất và độ rỗng của cấu trúc đá thạch quyển. Càng đi sâu vào trung tâm Trái Đất, nhiệt độ càng gia tăng theo gradien địa nhiệt, và áp suất tĩnh do khối lượng lớp đá phía trên nén xuống càng trở nên khủng khiếp, có thể đạt tới hàng ngàn lần áp suất khí quyển ở mực nước biển. Tuy nhiên, thay vì bị tiêu diệt bởi các điều kiện vật lý khắc nghiệt này, các vi sinh vật ngầm đã chứng minh được sự linh hoạt tiến hóa vô tiền khoáng hậu khi chúng len lỏi vào từng khe nứt vi mô có kích thước chỉ bằng vài nanomet, tạo ra các màng sinh học (biofilm) mỏng manh nhưng vô cùng bền vững bám chặt vào bề mặt các tinh thể khoáng vật. Tại những vi không gian này, chúng thiết lập nên các hệ sinh thái cục bộ, hoàn toàn cách biệt với thế giới bên ngoài, nơi các quy luật hóa sinh học diễn ra theo những cơ chế hoàn toàn khác biệt so với môi trường tự do trên bề mặt hoặc trong vùng nước biển khơi.

Việc xác định được thể tích khổng lồ của không gian sống dưới lòng đất cũng đồng thời đặt ra những câu hỏi triết học và khoa học lớn về giới hạn tận cùng thực sự của sinh quyển (deep biosphere limits). Đâu là ranh giới nhiệt độ tuyệt đối mà tại đó ngay cả những liên kết phân tử carbon cứng cáp nhất của tế bào sống cũng bị bẻ gãy? Đâu là độ sâu tối đa mà áp suất sẽ đè bẹp hoàn toàn các cấu trúc màng lipid của vi khuẩn? Những số liệu hiện tại từ độ sâu 5 ki lô mét trên lục địa hay 2,5 ki lô mét dưới đáy biển mới chỉ là những mũi khoan thăm dò nông cạn so với bán kính khổng lồ của hành tinh. Chắc chắn rằng, khi công nghệ khoan sâu tiếp tục phát triển trong những thập kỷ tới, chúng ta sẽ tiếp tục đẩy lùi ranh giới thể tích không gian sống của hệ sinh thái ngầm xuống những tầng sâu hơn nữa. Sự bao la của thể tích sinh thái ngầm này chính là một lời nhắc nhở không ngừng về tính kiên cường vô song của hiện tượng sự sống, nó luôn tìm thấy một lối thoát, một khe hở vật lý để tiếp tục duy trì ngọn lửa sinh học bất diệt ngay trong lòng một hành tinh tưởng chừng như là một khối đá vô tri vô giác.

Đa dạng sinh học và các cư dân kỳ lạ của trái đất sâu

Thế giới vĩnh cửu không có ánh sáng mặt trời này không phải là một môi trường vô sinh tĩnh lặng, mà nó là một vườn ươm sinh học chứa đựng những cư dân có hình thái và phương thức trao đổi chất kỳ dị nhất từng được khoa học biết đến. Các nhà phân loại học và vi sinh học đã phải đối mặt với một thách thức khổng lồ khi cố gắng sắp xếp những sinh vật này vào cây gia phả tiến hóa hiện tại, bởi vì chúng mang trong mình những đặc điểm sinh lý học phá vỡ mọi quy chuẩn và định nghĩa truyền thống về giới hạn chịu đựng của tế bào sống.

Các dạng sống siêu cực đoan và vi khuẩn thây ma

Khi đặt câu hỏi xem thực sự ai là những cư dân bản địa của sinh quyển sâu hay trái đất sâu này, các nhà khoa học đã tìm thấy một danh sách các loài mang đậm màu sắc của sự kỳ bí và sức chịu đựng phi thường. Đứng đầu trong danh sách này là sự hiện diện của hàng triệu tấn vi khuẩn thây ma đang tồn tại trong trạng thái hầu như không sống, cùng với các nhóm vi sinh vật cổ đại được gọi là archaea và vô số nhiều hình thức sống vi mô (thường mang hình dáng vô cùng kỳ lạ) khác chưa từng được con người đặt tên hoặc thấu hiểu trọn vẹn. Trạng thái vi khuẩn thây ma (zombie bacteria) là một thuật ngữ sinh học mang tính hình tượng cao, dùng để chỉ những cá thể tế bào có tốc độ trao đổi chất chậm đến mức độ cực đoan, chậm hơn hàng triệu lần so với các vi khuẩn phát triển trong môi trường đĩa nuôi cấy tại phòng thí nghiệm. Chúng không phân chia tế bào, không di chuyển, và biểu hiện ra bên ngoài hệt như những hạt bụi vô tri vô giác, nhưng thực chất chúng vẫn duy trì một mức độ hoạt động sinh hóa vừa đủ để sửa chữa các phân tử axit deoxyribonucleic (ADN) bị tổn thương do bức xạ tự nhiên của đất đá, từ đó đánh lừa thời gian và cái chết trong suốt hàng vạn niên kỷ.

Bên cạnh những thây ma ngủ đông, sinh quyển sâu còn là vương quốc thống trị của các sinh vật siêu cực đoan (hyperthermophiles và piezophiles), những thực thể coi các điều kiện khắc nghiệt chết người là môi trường lý tưởng để sinh trưởng. Trong các báo cáo khoa học, chúng ta đang nói về sự tồn tại của các sinh vật vô cùng đặc biệt như loài Altiarchaeales sở hữu hệ thống gai nhọn cực kỳ đặc thù, rất ưa thích môi trường sống chìm ngập trong các suối nước nóng chứa nồng độ lưu huỳnh độc hại cao; hoặc một ví dụ điển hình khác là loài vi sinh vật đơn bào mang tên khoa học là Geogemma barossii (thường được biết đến với biệt danh là Chủng 121). Loài sinh vật này đã phá vỡ mọi kỷ lục sinh học trước đó khi được phát hiện đang sống khỏe mạnh và sinh sôi nảy nở bên trong các miệng lỗ thông thủy nhiệt đen ngòm dưới đáy đại dương tối tăm với mức nhiệt độ nước xung quanh lên tới 121 độ Celsius. Ở nhiệt độ 121 độ Celsius, nước trong điều kiện áp suất bề mặt bình thường đã sôi sục sùng sục, và mọi loại protein cũng như màng tế bào của các sinh vật thông thường đều sẽ bị phá hủy và biến tính hoàn toàn thành một mớ hỗn độn hóa học vô dụng.

Tuy nhiên, loài Geogemma barossii và các sinh vật siêu cực đoan khác đã tiến hóa ra những giải pháp sinh hóa học vô cùng thanh lịch và phức tạp để đối phó với sức nóng khủng khiếp này. Chúng cấu tạo màng tế bào của mình bằng các liên kết ether vững chắc thay vì liên kết ester dễ bị thủy phân, đồng thời sản sinh ra một lượng lớn các loại protein sốc nhiệt (chaperonins) hoạt động như những chiếc khuôn nẹp sinh học, giúp ngăn chặn cấu trúc không gian ba chiều của các enzyme quan trọng bị phá vỡ dưới tác động của nhiệt năng khổng lồ. Việc khám phá ra những cơ chế chống chọi nhiệt độ siêu việt này không chỉ là một chiến thắng của ngành sinh học cơ bản, mà nó còn mở ra vô số những ứng dụng tiềm năng mang tính thương mại hóa trong lĩnh vực công nghệ sinh học và y sinh. Các enzyme được trích xuất từ những sinh vật kỳ lạ sống dưới lòng đất này có thể được sử dụng làm chất xúc tác công nghiệp chịu nhiệt cao, phục vụ cho các quy trình tổng hợp hóa học phức tạp, phân giải rác thải công nghiệp độc hại, hoặc cải tiến các phương pháp xét nghiệm khuếch đại gen phân tử trong y học pháp y và chẩn đoán bệnh truyền nhiễm trong tương lai gần.

Cơ chế sinh tồn không dựa vào ánh sáng mặt trời

Sự khác biệt mang tính triết học và sinh lý học lớn nhất giữa sinh quyển bề mặt và sinh quyển sâu thẳm nằm ở nguồn gốc năng lượng duy trì sự sống. Trong khi toàn bộ mạng lưới thức ăn vĩ đại trên mặt đất đều phải dựa dẫm một cách tuyệt đối vào năng lượng bức xạ từ ánh sáng mặt trời thông qua quá trình quang hợp của diệp lục tố, thì các dạng sống nhỏ bé dưới lòng đất này lại thường xuyên tồn tại với tình trạng có rất ít chất dinh dưỡng hữu cơ được cung cấp từ bên trên. Rơi vào một môi trường hoàn toàn vắng bóng các photon ánh sáng và các hợp chất đường tự do, chúng bắt buộc phải tiến hóa để chuyển đổi cơ chế hoạt động thành các sinh vật hóa tự dưỡng (chemoautotrophs), khai thác năng lượng trực tiếp từ năng lượng sinh ra bởi các loại đá khoáng hoặc các loại khí vô cơ bay hơi như khí hydro và khí metan xung quanh môi trường sống chật hẹp của chúng. Quá trình oxy hóa khử các hợp chất vô cơ chậm chạp này cung cấp một dòng electron vô cùng nhỏ giọt nhưng lại liên tục và ổn định, giúp chúng duy trì được ngọn lửa sinh mệnh leo lét vượt qua những thử thách khắc nghiệt nhất của thời gian địa chất.

Một minh chứng hoàn hảo và ngoạn mục nhất cho nền kinh tế năng lượng hóa học độc lập này là loài vi khuẩn mang tên khoa học là Candidatus Desulforudis audaxviator. Khi các nhà khoa học tiến hành soi chiếu dưới kính hiển vi điện tử tối tân, họ nhìn thấy hình ảnh của các tế bào hình que mang màu sắc xanh tím đặc trưng đang ôm chặt quanh các hạt tinh thể carbon màu cam sáng rực. Đây là một loại vi khuẩn sinh trưởng hoàn toàn độc lập với hệ sinh thái quang hợp, chúng sống và tổng hợp năng lượng sinh học chỉ dựa vào việc tiêu thụ khí hydro phân tử. Khí hydro này không phải đến từ sự phân hủy sinh học, mà được tạo ra một cách liên tục và thuần túy vật lý thông qua quá trình phân giải phóng xạ của các khoáng chất uranium tự nhiên có trong cấu trúc đá xung quanh tác động lên các phân tử nước ngầm. Loài vi khuẩn độc lập này tự mình thực hiện mọi chức năng sinh hóa thiết yếu: tự cố định carbon vô cơ để tạo thành cấu trúc tế bào, tự cố định nitơ để sản xuất protein, và tự chiết xuất năng lượng từ phản ứng của khí hydro. Chúng giống như những trạm không gian sinh học tự hành hoàn hảo, không cần đến bất kỳ sự tiếp tế ngoại lai nào từ hệ mặt trời rực rỡ ở phía trên đỉnh đầu hàng ki lô mét đất đá.

Sự khan hiếm cực độ về nguồn cung cấp năng lượng hóa học này đã rèn giũa nên một lối sống nhẫn nại đến mức kinh ngạc. Tuy nhiên, bất chấp những khó khăn đó, một số sinh vật ngầm có thể sống kéo dài hàng ngàn năm tuổi thọ, chỉ luôn ở trong một trạng thái gần như bất động hoàn toàn, giảm thiểu mọi hoạt động sinh lý không cần thiết xuống mức tiệm cận điểm không. Chúng chỉ thực sự bị đánh thức và bắt đầu di chuyển hoặc tiến hành phân chia tế bào khi có các biến cố địa chất thay đổi lớn mang tính chất thảm họa mang năng lượng tới, chẳng hạn như những trận động đất đứt gãy kiến tạo hoặc sự phun trào dung nham của hệ thống núi lửa ngầm. Những sự kiện địa chất mang tính chất phá hủy ở bề mặt này lại chính là những bữa tiệc năng lượng thịnh soạn đối với sinh quyển sâu, khi các vết nứt mới được hình thành, giải phóng ồ ạt các dòng khí hydro và metan tươi mới, đồng thời cung cấp thêm không gian vật lý và các dòng chảy lưu chất mang theo khoáng chất mới. Chu kỳ sống của những cư dân ngầm này không được đo lường bằng nhịp điệu của ngày và đêm hay sự tuần hoàn của bốn mùa xuân hạ thu đông, mà chúng hòa nhịp đập sinh học của mình một cách hoàn hảo cùng với chu kỳ kiến tạo mảng vô cùng chậm chạp và vĩ đại của chính cấu trúc hành tinh đang mang nặng chúng.

Ý nghĩa tiến hóa và lịch sử sinh tồn hàng tỷ năm

Việc đi sâu nghiên cứu về các quần thể vi sinh vật cổ đại nằm sâu dưới lòng đất không chỉ đơn thuần là việc lập danh mục phân loại sinh học, mà nó còn là một cuộc hành trình du hành ngược thời gian bằng cỗ máy di truyền học để chạm tay vào cội nguồn của sự sống trên hành tinh xanh. Phó giáo sư nổi tiếng Karen Lloyd (năm sinh chưa rõ – nay), đang công tác tại Đại học Tennessee ở Knoxville, đã chia sẻ một nhận định mang tính triết học sâu sắc khi trả lời phỏng vấn tạp chí Inverse, bà giải thích một cách vô cùng nhiệt huyết rằng: Những sinh vật vi mô kỳ lạ này có khả năng đã tồn tại và duy trì nòi giống trên Trái Đất từ hàng tỷ năm trước trong quá khứ xa xôi. Khi Trái Đất nguyên thủy còn là một tinh cầu hỗn mang bị bắn phá liên tục bởi các thiên thạch khổng lồ từ không gian vũ trụ, và bề mặt hành tinh chìm trong bầu khí quyển độc hại không có màng chắn bức xạ tia cực tím, thì những khu vực khe nứt sâu dưới lòng đất hoặc các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy đại dương tăm tối lại chính là những pháo đài trú ẩn an toàn nhất. Rất nhiều nhà sinh học tiến hóa hiện nay tin rằng sinh quyển sâu thẳm này không phải là nơi mà sự sống bề mặt trốn chạy xuống để tị nạn, mà chính là cái nôi nguyên thủy nhất đã ươm mầm ra những tế bào sống đầu tiên của toàn bộ nhân loại.

Vai trò của thế giới ngầm không chỉ dừng lại ở việc bảo tồn các hóa thạch sống, mà chúng còn đóng vai trò như một lực lượng kiến tạo vĩ đại định hình nên môi trường của toàn bộ hành tinh. Trong suốt lịch sử địa chất kéo dài hàng tỷ năm đó, chính mạng lưới vi sinh vật ngầm này đã không ngừng can thiệp và điều khiển vô số nhiều hệ thống chu trình địa hóa học phức tạp của Trái Đất, từ việc cố định dòng chảy của lưu huỳnh, biến đổi cấu trúc quặng sắt, cho đến việc giải phóng oxy sơ khai. Hoạt động trao đổi chất miệt mài không ngừng nghỉ của chúng trong suốt những niên kỷ tăm tối đã dần dần biến đổi thành phần hóa học của lớp vỏ thạch quyển và đại dương nguyên thủy, chính việc đó đã giúp tạo nên một thế giới ổn định, cân bằng và có thể sống được mà toàn thể nhân loại chúng ta hiện nay đang may mắn được tận hưởng trên bề mặt. Sự phát triển rực rỡ của các loài động vật bậc cao và sự bùng nổ của trí tuệ con người ngày nay sẽ mãi mãi là điều bất khả thi nếu không có sự hy sinh thầm lặng và công việc xây dựng cơ sở hạ tầng hóa học vĩ đại mà giới vi khuẩn ngầm đã thực hiện một cách kiên nhẫn trong bóng tối dưới đáy sâu.

Sự thấu hiểu sâu sắc về sức bền bỉ và lịch sử tiến hóa hàng tỷ năm của sinh quyển ngầm mang lại một niềm hy vọng lớn lao trong nỗ lực tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất (astrobiology) của nhân loại. Giống như Phó giáo sư Karen Lloyd (năm sinh chưa rõ – nay) đã vô cùng hào hứng cho biết: Đó giống như chúng ta vừa mới phát hiện ra một hồ chứa sự sống khổng lồ hoàn toàn mới ngay trên chính Trái Đất của chúng ta. Lời khẳng định mạnh mẽ này – Chúng ta đang không ngừng khám phá ra những loại hình sự sống mới với các cơ chế kỳ lạ mọi lúc mọi nơi. Và thực tế là phần lớn khối lượng sự sống của hành tinh nằm bên trong tâm của Trái Đất chứ tuyệt đối không phải lơ lửng trên bề mặt mỏng manh – đã định hướng lại toàn bộ chiến lược thám hiểm không gian của các cơ quan hàng không vũ trụ quốc tế. Khi tìm kiếm dấu vết sự sống trên bề mặt cằn cỗi và khô hạn của sao Hỏa bị bức xạ chết người thiêu đốt, hoặc trên các mặt trăng băng giá chứa đại dương ngầm như Europa hay Enceladus, các nhà khoa học không còn tuyệt vọng tìm kiếm các dạng sống bề mặt. Thay vào đó, họ tin tưởng mãnh liệt rằng, giống như sự sống kỳ diệu đang ẩn mình dưới lòng đất mẹ của chúng ta, sự sống ngoài hành tinh rất có thể đang phát triển rực rỡ, sử dụng năng lượng địa nhiệt và hóa học vô cơ, lặng lẽ sinh tồn bên dưới lớp vỏ đá lạnh lẽo của những thế giới xa xôi đó.

Kết luận

Khám phá mang tính kỷ nguyên về một sinh quyển khổng lồ đang sục sôi sự sống ngay dưới gót chân của nhân loại đã thực sự giáng một đòn mạnh mẽ vào những định kiến khoa học cổ điển, buộc chúng ta phải tiến hành một cuộc cách mạng tư duy toàn diện về định nghĩa và giới hạn không gian của sinh giới. Việc thừa nhận sự hiện diện của hàng chục tỷ tấn vi sinh vật đang vận hành một nền kinh tế năng lượng hóa học độc lập trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực đoan đã mở rộng ranh giới của khả năng cư trú sinh học (habitability) vượt xa khỏi những vùng ôn hòa có ánh sáng mặt trời. Sinh quyển sâu thẳm không chỉ là một bảo tàng lưu giữ những sinh vật sống cổ đại từ thuở bình minh của Trái Đất, mà còn là một nhà máy hóa chất vĩ đại đóng vai trò tối quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của chu trình carbon và khí hậu bề mặt mà con người đang lệ thuộc vào. Quan trọng hơn cả, việc thấu hiểu sự sống kiên cường bên trong lớp vỏ Trái Đất đã thắp lên một ngọn đuốc hy vọng rực rỡ cho ngành sinh học vũ trụ, chứng minh rằng sự sống là một hiện tượng tự nhiên mang tính chất ngoan cường và linh hoạt tột độ, có khả năng bám rễ và sinh sôi ở bất kỳ nơi nào có sự hiện diện của nhiệt lượng từ lõi hành tinh và nước ở dạng lỏng. Đã đến lúc nền văn minh nhân loại cần gạt bỏ đi sự tự mãn bề mặt, học cách cúi xuống để nghiên cứu và tôn vinh những người khổng lồ vô hình đang âm thầm nâng đỡ thế giới sự sống từ sâu trong bóng tối của lòng đất mẹ.