Một trong những tổ chức tự nhiên thú vị nhất được các nhà khoa học nghiên cứu là thảm vi sinh vật, quần xã vi khuẩn lam (hay "tảo lam"). Những hệ sinh thái khép kín đầy hấp dẫn này có thể nhìn thấy bằng mắt thường và có thể được tìm thấy ở khắp mọi nơi: trong hồ và suối, trong đất, và thậm chí trong cả môi trường nhân tạo như rãnh nước và vòi uống nước.

Nếu cho đủ thời gian - giả sử từ 2 đến 3 nghìn năm - các thảm vi sinh vật sẽ hóa thạch từng lớp thành các lớp stromatolite cacbon hóa - hóa thạch lâu đời nhất của chúng ta. Và chúng đã làm điều này trong khoảng 3,7 tỷ năm.

Các nhà khoa học tin rằng những bộ phận quang hợp của vi sinh vật cổ đại này chịu trách nhiệm tạo ra oxy mà chúng ta hít thở ngày này. Trước khi chúng xuất hiện, bầu khí quyển của hành tinh này chỉ có khoảng 1% oxy. Vậy chúng đã thở bằng gì trong 1,5 tỷ năm đầu tiên, và làm thế nào chúng thực hiện quá trình quang hợp mà không có oxy?

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Communications Earth & Environment, các nhà nghiên cứu do Pieter T. Visscher từ Đại học Connecticut (Mỹ) dẫn đầu đã đưa ra một câu trả lời thuyết phục cho câu hỏi trên.

Đó là việc các vi sinh vật ban đầu đã quang hợp từ thạch tín và thải ra oxy.

Quá trình quang hợp chủ yếu cần ánh sáng mặt trời, nước và CO2. Trong quá trình này CO2 bị phân hủy thành carbon và oxy - cây sử dụng một phần oxy này và thải ra phần còn lại. Tuy nhiên, nếu không có phân tử oxy, mọi chuyển đã xảy ra như thế nào?

Ngày nay, có những thảm vi sinh vật được biết đến sống trong môi trường không có oxy, nhưng chúng không được cho là giống như tổ tiên để giải thích quá trình quang hợp cổ đại trong môi trường không có oxy.

Đã có một số phương án tạo oxy được đề xuất. Ví dụ, quá trình quang hợp có thể hoạt động với các phân tử sắt, nhưng bằng chứng ghi lại bằng hóa thạch không ủng hộ ý tưởng đó. Hydro và lưu huỳnh cũng đã được đề xuất, mặc dù bằng chứng cho chúng cũng còn thiếu. Sự chú ý bắt đầu chuyển sang asen (hay thạch tín), sau khi các thảm vi sinh vật hít thở bằng asen được phát hiện trong hai hồ siêu kiềm ở California, Searles Lake và Mono Lake.

Vào năm 2014, Visscher và các đồng nghiệp đã phát hiện ra dấu hiệu của quá trình quang hợp dựa trên asen, từ thảm vi sinh "arsenotrophic" nằm sâu trong mẫu hóa thạch ở Tây Úc.

Tuy nhiên, với địa chất luôn thay đổi của các hành tinh, hồ sơ hóa thạch cổ đại bị đứt gãy khiến cho việc nghiên cứu xác định về quá trình quang hợp của "arsenotrophic" cổ đại trở nên khó khăn. Hồ sơ hóa thạch không thể xác định được vai trò của asen mà nó tiết lộ, rằng liệu asen có tham gia vào quá trình quang hợp hay chỉ là một hóa chất độc hại tình cờ có mặt ở đó.

Nhưng vào năm ngoái, vi sinh vật hít thở từ asen đã được phát hiện ở Thái Bình Dương. Và một loại vi khuẩn lưu huỳnh, Ectothiorhodospira sp., cũng được phát hiện thời gian gần đây có khả năng chuyển hóa asen từ hợp chất arsenite ở Hồ Big Soda ở Nevada, Mỹ.

Nội dung báo cáo nghiên cứu cho biết Visscher phát hiện ra một thảm vi sinh vật sống phát triển mạnh trong môi trường đầy asen ở Laguna La Brava trong sa mạc Atacama ở Chile.

"Chúng tôi bắt đầu làm việc ở Chile", Visscher chia sẻ, "nơi tôi tìm thấy một dòng sông màu đỏ như máu. Những trầm tích màu đỏ được tạo thành bởi vi khuẩn quang hợp anoxogenic. Nước cũng có hàm lượng asen rất cao. Nước chảy qua những thảm vi sinh vật chứa hydro sulfua có nguồn gốc từ núi lửa và nó chảy rất nhanh trên những thảm này. Hoàn toàn không có oxy."

Những thảm vi sinh vật này trước đây chưa được nghiên cứu và điều kiện chúng sống tương tự như những điều kiện của Trái đất sơ khai. Đó là trạng thái không có oxy vĩnh viễn ở độ cao lớn với nhiệt độ thay đổi khắc nghiệt và tiếp xúc nhiều với tia cực tím.

Những thảm vi sinh vật trên có phần giống với Ectothiorhodospira sp. ở Nevada, khi tạo ra các chất lắng đọng cacbonat, hình thành các đá thạch nhũ mới. Điều thú vị nhất là những chất lắng đọng đó chứa bằng chứng cho thấy chúng đang chuyển hóa asen. Các vùng nước chảy xiết xung quanh thảm cũng rất giàu hydro sunfua và asen.

"Tôi đã làm việc với thảm vi sinh trong khoảng 35 năm hoặc lâu hơn. Đây là hệ thống duy nhất trên Trái đất mà tôi có thể tìm thấy thảm vi sinh hoạt động hoàn toàn trong điều kiện thiếu oxy", Visscher nói.

Và một điều quan trọng là không phải Trái đất là nơi duy nhất có thể xảy ra điều này. Visscher lưu ý rằng thiết bị mà họ sử dụng để nghiên cứu các thảm vi sinh nói trên không khác gì hệ thống trên tàu thăm dò sao hỏa của Nasa.

"Khi tìm kiếm bằng chứng về sự sống trên sao Hỏa, họ thường xem xét sự tồn tại của sắt. Và có lẽ họ cũng nên xem xét thêm cả thạch tín nữa", nhà nghiên cứu này nói thêm.