Vỏ sò nhỏ hơn hạt cát kể chuyện biển nóng 3 triệu năm trước

Trong nước biển có một loại vi khuẩn làm được việc mà bạn và tôi không làm nổi. Chúng lấy khí ni tơ hoà tan trong nước rồi biến nó thành thức ăn. Không phải thức ăn cho riêng chúng, mà cho gần như cả đại dương.

Vậy khi biển nóng lên, những vi khuẩn ấy làm việc nhiều hơn hay ít hơn?

Câu hỏi nghe có vẻ phải cần một con tàu đầy máy móc mới trả lời được. Nhưng câu trả lời lại nằm ở một chỗ khác hẳn. Nó nằm trong những chiếc vỏ nhỏ hơn hạt cát, chìm dưới đáy biển suốt ba triệu năm.

Hai nhóm vi khuẩn làm hai việc ngược nhau

Trước hết cần biết ni tơ quan trọng cỡ nào.

Ni tơ là dưỡng chất nuôi sinh vật phù du (plankton), những sinh vật li ti trôi nổi trong nước. Sinh vật phù du là nền của cả chuỗi thức ăn biển. Cá nhỏ ăn chúng, cá lớn ăn cá nhỏ. Không có ni tơ thì cái nền ấy mỏng đi.

Lượng ni tơ trong biển do hai quá trình ngược nhau quyết định.

Việc thứ nhất là cố định ni tơ (nitrogen fixation). Vi khuẩn lam (cyanobacteria) hút khí ni tơ hoà tan trong nước rồi đổi nó thành dạng mà các sinh vật khác dùng được. Giống như biến không khí thành bữa cơm. Việc này xảy ra chủ yếu ở vùng nước mặt ấm và nghèo dưỡng chất. Ở Đại Tây Dương, gần 90% lượng cố định ni tơ diễn ra tại vùng nhiệt đới Bắc Đại Tây Dương.

Việc thứ hai đi ngược lại, gọi là phản nitrat hoá (denitrification). Ở đây, một nhóm vi khuẩn khác lấy ni tơ trong nước rồi thả nó trở lại thành khí bay lên trời. Việc này mạnh nhất ở những vùng biển nghèo ô xy, mà ngày nay vùng rộng nhất kiểu đó nằm ở Thái Bình Dương.

Một bên nạp vào, một bên rút ra. Câu hỏi là khi Trái Đất ấm lên thì bên nào thắng.

Đọc chuyện cũ trong một cái vỏ

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Viện Hoá học Max Planck ở Đức dẫn đầu đã đi tìm câu trả lời. Họ khoan lấy lõi bùn dưới đáy vùng nhiệt đới Bắc Đại Tây Dương. Bùn đáy biển xếp lớp giống các trang sách, lớp càng sâu càng cũ.

Trong bùn ấy có hoá thạch của trùng lỗ (foraminifera). Đây là những sinh vật siêu nhỏ có bộ xương bằng đá vôi. Khi lớn lên, chúng gắn một lượng ni tơ rất nhỏ vào bộ xương của mình. Con vật chết đi từ lâu rồi, nhưng cái vỏ vẫn nằm đó, và lượng ni tơ trong vỏ vẫn giữ nguyên dấu vết của vùng nước mà nó từng sống.

Các nhà khoa học phân tích đồng vị ni tơ trong những chiếc vỏ ấy. Đồng vị là các phiên bản hơi khác nhau của cùng một nguyên tố, nặng nhẹ khác nhau một chút, và tỉ lệ giữa chúng thay đổi tuỳ theo chuyện gì đã xảy ra trong nước.

Những con trùng lỗ được đo sống trong hai thời kỳ. Kỷ Pliocene bắt đầu khoảng 5,33 triệu năm trước và kết thúc 2,58 triệu năm trước, khi Trái Đất nóng hơn bây giờ. Sau đó là kỷ Pleistocene mát hơn, thời của những đợt băng hà nối tiếp nhau. Kết quả được đăng trên tạp chí Nature Communications.

Biển nóng thì làm ít đi

Câu trả lời là: ít hơn.

Trong giai đoạn Pliocene muộn ấm áp, việc cố định ni tơ ở vùng nhiệt đới Đại Tây Dương giảm rõ rệt. Rồi khi khí hậu lạnh dần sang Pleistocene, nó mạnh trở lại.

Điều thú vị là các nghiên cứu trước của chính viện này đã cho thấy phản nitrat hoá, tức việc rút ni tơ ra, cũng yếu đi trong những thời kỳ ấm. Hai việc ngược nhau lại cùng chậm lại một lúc.

Vì sao? Vì chúng kéo nhau.

Khi vi khuẩn ở Thái Bình Dương rút ni tơ khỏi nước, chúng để lại phần nước giàu phốt pho, một dưỡng chất khác. Dòng hải lưu chở lượng phốt pho dư ấy đi khắp nơi. Tới vùng nước nghèo dưỡng chất, chính phốt pho này nuôi vi khuẩn lam để chúng cố định ni tơ. Thành ra bên rút ra lại đang tiếp tế cho bên nạp vào.

Trong Pliocene, bên rút ra chậm lại, nên ít phốt pho tới Đại Tây Dương hơn, nên bên nạp vào cũng chậm theo.

Vòi nước nhỏ lại, mà lỗ thoát cũng nhỏ lại. Mực nước trong chậu gần như không đổi. Tổng lượng ni tơ trong đại dương vẫn tương đối ổn định.

Maayan Yehudai, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Hoá học Max Planck và là tác giả đầu của nghiên cứu, nói rằng trong một tương lai ấm hơn, nhóm nghi cả hai quá trình sẽ chậm lại. Đại dương sẽ cố định ít ni tơ hơn nhưng cũng mất ít hơn. Hai thay đổi phần lớn bù trừ nhau. Nhưng lượng dưỡng chất cấp cho một vùng cụ thể có thể khác hôm nay.

Đó mới là chỗ đáng chú ý. Không phải "biển hết đạm", mà là chỗ giàu dinh dưỡng đổi vị trí.

Nhịp 41.000 năm

Những chiếc vỏ còn kể thêm một chuyện nữa.

Khoảng 2,8 triệu năm trước, các tảng băng lớn ở Bắc bán cầu bắt đầu phát triển. Từ mốc đó trở đi, việc cố định ni tơ ở vùng Caribbean lên xuống theo một nhịp đều đặn khoảng 41.000 năm một lần.

Con số ấy không ngẫu nhiên. Nó là chu kỳ Milanković của độ nghiêng trục Trái Đất. Trục quay của Trái Đất hơi nghiêng, và độ nghiêng ấy đổi qua đổi lại theo chu kỳ. Điều đó làm thay đổi lượng nắng các vùng nhận được, và góp phần quyết định khi nào có thời băng hà.

Cơ chế nằm ở mực nước biển. Thời gian băng ấm, nước biển dâng cao và tràn lên thềm lục địa, tức phần đáy biển nông sát bờ. Vi sinh vật trong lớp bùn ở đó lấy ni tơ khỏi nước và để lại phốt pho. Lại là phốt pho, lại thúc đẩy cố định ni tơ. Khi thời băng hà tới, nước rút, thềm lục địa lộ ra, nguồn phốt pho ấy teo lại và việc cố định ni tơ giảm theo.

Alfredo Martínez-García, trưởng nhóm tại Viện Hoá học Max Planck và là tác giả chính, nói rằng kết quả giúp đặt những cơ chế điều khiển cố định ni tơ ở Đại Tây Dương ngày nay vào một bối cảnh dài hạn hơn. Vài thập kỷ gần đây, việc cố định ni tơ ở Đại Tây Dương được thúc đẩy bởi hiện tượng nước trồi ở vùng xích đạo đông, đưa nước giàu phốt pho theo dòng chảy vào Caribbean. Trong Pliocene ấm hơn, cơ chế đó dường như không hoạt động, vì nước trồi khi ấy mang theo ít phốt pho dư hơn nhiều. Nói cách khác, cái nút điều khiển đổi chỗ tuỳ theo khí hậu nền đang nóng hay lạnh.

Tự tìm vi khuẩn cố định ni tơ trong cốc đất

Bạn không cần ra biển mới gặp được loại vi khuẩn này. Chúng có họ hàng sống ngay trong đất vườn.

Lấy hai cái cốc, đổ đất vào. Cốc thứ nhất gieo vài hạt đậu xanh hoặc đậu đen. Cốc thứ hai gieo hạt ngô hoặc hạt rau cải để so sánh. Tưới nước vừa đủ ẩm, để chỗ có nắng.

Sau hai tới ba tuần, nhổ nhẹ cả cây lên, rửa rễ dưới vòi nước cho sạch đất. Nhìn kỹ rễ cây đậu, bạn sẽ thấy những nốt sần tròn nhỏ bám vào. Đó là nhà của vi khuẩn cố định ni tơ. Chúng làm đúng cái nghề của vi khuẩn lam ngoài biển: biến khí ni tơ thành thức ăn, chỉ khác là làm cho cây đậu thay vì cho đại dương.

Rễ ngô sẽ không có nốt nào. Cây ngô không mời được vi khuẩn về ở.

Và một câu để nghĩ tiếp. Nghiên cứu này đo một vùng của Đại Tây Dương, rồi rút ra kết luận về chu trình ni tơ của cả đại dương. Nếu bạn là người phản biện, bạn thấy cần thêm bằng chứng gì nữa mới tin chắc?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.