Những hệ sinh thái nằm sâu dưới lớp đáy đại dương

1) Trong suốt 20 năm qua, những nhà khoa học đã nhiều lần khoan sâu dưới lớp nền, trầm tích dưới đáy đại dương và họ đã khám phá một thế giới vi sinh vật vô cùng phong phú. Những quần xã đa dạng của những loài tế bào nhân sơ (prokaryote) được phát hiện ở tận sâu hơn 1km dưới nền đất đá của đáy biển. Phần lớn những vi sinh vật này không thê nuôi cấy được hoặc có rất ít quan hệ với những thế giới sinh vật bên trên bề mặt. Ngày nay người ta chỉ biết được sự có mặt của chúng thông qua những trình tự DNA đặc trưng (xem metagenomics). Những nghiên cứu gần đây (1-4) đã làm sáng tỏ cách thức làm những loài này trở nên khác biệt so với những loài trên bề mặt lớp đáy đại dương. Đồng thời, người ta cũng đã tìm hiểu nguồn năng lượng nào đã duy trì cuộc sống ở những hệ sinh thái bị trôn vùi như vậy.

Chương trình Khoan dò đại dương (ODP, Leg 201)

2) Khoảng 20 năm trước, R. John Parkes và Barry Cragg đã bắt đầu tìm kiếm một cách hệ thống những loài vi sinh vật ở những rặng san hô ngầm (5). Rất lâu sau đó, những kiểm nghiệm nghiêm ngặt mới được tiến hành trên những chuyến tàu thám hiểm và họ đã chỉ ra rằng những tế bào tìm thấy ở đây thực sự là đặc hữu cho khu hệ sinh vật dưới lòng biển này. Các kỹ thuật đếm tế bào cũng cho phép người ta ngoại suy ra số lượng sinh vật dưới đáy các thềm đại dương. Kết quả đã đem lại một con số kinh ngạc là những loài sinh vật trong thế giới ngầm này chiếm từ 55 đến 85% sinh khối prokaryote trên trái đất và chiếm 30% của toàn bộ sinh khối nói chung.

3) Chuyến thám hiểm thăm dò đầu tiên tập trung khám phá thế giới ngầm nay được bắt đầu từ năm 2002 theo Chương trình Khoan dò đại dương (ODP, Leg 201) (1). Mục tiêu là vùng biển nhiệt đới phía đông Thái Binh Dương nơi có độ sâu của thềm đại dương tới 5000m. Bằng những mũi khoan sâu xuống lớp đá dưới đáy biển, những mẫu vật thu lên có thể có niên đại lên đến 35 triệu năm tuổi. Ở mọi điểm lấy mẫu, người ta đều phát hiện được những tế bào prokaryote (vi khuẩn và archae). Số lượng tế bào này giảm từ 10^(8)/cm^(-3) ở bề mặt đáy xuống còn dưới 10^(6)/cm^(-3) phía tận cùng lớp đất đá, con số trung bình này cho thấy mức độ phong phú của sinh vật dưới lòng đất biển này còn cao hơn nhiều so với lượng sinh vật trong đại dương. Ở những nền đá có ẩn chứa nhiều năng lượng với methane và sulfate thì số lượng tế bào còn tăng đến 10^(10) cm^(-3).

4) Kích thước thực tế của những quần thể sinh vật khổng lồ này vẫn còn là điều bí ẩn trong sinh quyển dưới đáy đại dương. Mặc dù thềm đại dương ẩn chứa nguồn carbon hoạt động lớn nhất trên Trái đất, tuy nhiên những chất hữu cơ trở nên bất hoạt đột ngột theo độ sâu và tuổi của lớp đá này. Và người ta ước đoán là những vi sinh vật không thể sử dụng hữu hiệu những nguồn chất hữu cơ sau khi đã bị trôn vùi hàng triệu năm. Như vậy, bằng một cách nào đó những nguồn cơ chất này đã cung cấp đủ nguồn năng lượng cho quá trình trao đổi chất và sinh trưởng của tất cả các sinh vật. Các hoạt động trao đổi chất của những quần thể này có thể ước tính thông qua mô hình vận chuyển của các chất tan trong nước. Đó là những chất mà vi sinh vật phải tiêu dùng hoặc tiết xuất với môi trường. Thông thường, các tế bào này phải chuyển hóa một lượng nhất định cơ chất trước khi chúng có thể tăng kích thước gấp đôi để phân bào, do đó thời gian phân bào tối thiểu của chúng có thể tính toán được. Dựa trên những tính toán này, thời gian thế hệ trung bình của các loài vi sinh vật dưới lớp đáy đại dương là lớn hơn 1000 năm. Với tốc độ sinh trưởng cực chậm này làm những nhà khoa học khó có thể tính toán được mức năng lượng tối thiểu của sự sống. Mọi sinh vật đang tăng trưởng đều phải duy trì cỗ máy enzyme của mình ở trên một mức độ nhất định nhằm ổn định các chức năng sống của tế bào như loại bỏ các enzyme đã lão hóa, sửa chữa những tổn thương DNA do nguồn phóng xạ tự nhiên, và còn phải duy trì thế điện hóa của các ion bên trong và bên ngoài màng tế bào. Một giải thích tương đối hợp lý cho mức trao đổi chất cực thấp này là rằng những tế bào dưới lớp đáy hoàn toàn bất hoạt, ẩn sinh hoặc thậm chí đã chết. Tuy nhiên, bằng kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang cực nhạy (catalyzed reporter deposition-fluorescence in situ hybridization, CARDFISH) những nhà khoa học đã phát hiện được sự có mặt của các ribosome, một thành phần có mặt ở mọi tế bào đang sống và sẽ bị phân hủy nhanh chóng khi tế bào chết. Phát hiện này chỉ ra rằng rất nhiều các tế bào lớp đáy này vẫn đang sống.