Làm thế nào một sự cố tiến hóa vi sinh vật đã thay đổi khí quyển Trái Đất năm 2025

Một khu rừng mưa dày đặc hoặc các thảm thực vật đất liền xanh mướt khác có thể là điều đầu tiên xuất hiện trong tâm trí khi nói đến quá trình quang hợp. Tuy nhiên, những đám mây tảo biển đầy ắp trên các đại dương là nguồn động lực chính của quá trình đó trong tự nhiên. Những vi sinh vật nước mặn nhỏ bé giống như thực vật tạo ra hơn 50 phần trăm oxy trong khí quyển, và chúng hấp thụ gần một nửa lượng khí carbon dioxide, biến đổi nó thành glucose, chất béo, protein và các phân tử hữu cơ khác nuôi dưỡng chuỗi thức ăn trong đại dương.

Một nghiên cứu mới được công bố trong Current Biology cuối cùng đã xác định nguồn gốc của hiệu suất quang hợp không giới hạn này, điều này đã làm bối rối các nhà khoa học từ lâu. Nghiên cứu mới phát hiện rằng một số tảo biển được trang bị một màng nội bộ phụ trợ mang theo một enzym “bơm proton” làm tăng cường khả năng biến đổi khí carbon dioxide thành các chất khác. Những cải tiến do việc sửa đổi một protein này dường như đóng góp vào việc sản xuất gần 12 phần trăm oxy trong không khí và tới 25 phần trăm tổng lượng carbon “cố định” (khóa vào hợp chất hữu cơ) trong đại dương.

Đáng ngạc nhiên, sự đổi mới quang hợp này dường như đã phát triển ngẫu nhiên từ một protein màng ban đầu được sử dụng để tiêu hóa trong tổ tiên của tảo biển. Ngoài việc giải thích về sức mạnh quang hợp của tế bào, công việc mới này giúp xác nhận lý thuyết rằng những tảo biển này xuất phát thông qua một liên minh cộng sinh giữa một nguyên bào và một loại tảo đỏ chịu đựng.

“Tôi thấy kinh ngạc khi một enzym proton mà chúng ta đã biết trong nhiều thập kỷ chịu trách nhiệm duy trì một hiện tượng quan trọng như vậy trên Trái Đất,” nói Dennis Brown, một nhà sinh học tế bào tại Harvard Medical School nghiên cứu về chức năng của protein màng và không liên quan đến nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu đã biết rằng một số lớp tảo biển nhất định—tảo kính, tảo xoắn, và tảo nang—nổi bật với khả năng quang hợp xuất sắc của họ. Những tế bào này rất thành thạo trong việc hấp thụ khí carbon dioxide từ môi trường xung quanh và đưa nó đến chloroplast để quang hợp, nhưng chi tiết về tại sao chúng làm điều đó chưa rõ ràng. Một đặc điểm độc đáo của ba nhóm tảo biển đó, tuy nhiên, là chúng có một màng phụ bổ xung quanh chloroplast của họ.

Bảy năm trước, nhà vi sinh vật học Daniel Yee, tác giả chính của nghiên cứu mới, đang nghiên cứu về tảo kính cho luận văn tiến sĩ tại Viện Hải dương học Scripps thuộc Đại học California, San Diego. Quang hợp không phải là trọng tâm của anh; anh ấy muốn hiểu cách tảo kính điều chỉnh độ axit bên trong để hỗ trợ việc lưu trữ dưỡng chất và xây dựng thành tế bào chắc chắn bằng silica. Nhưng anh ấy luôn chú ý đến màng phụ bổ độc đáo xung quanh chloroplast của chúng.

Anh ấy khám phá rằng màng phụ bổ thêm này được nhiều nhà nghiên cứu coi là một di tích của một sự tiêu hóa cổ đại, thất bại. Các nhà khoa học giả định rằng khoảng 200 triệu năm trước, một nguyên bào săn mồi đã cố gắng thưởng thức một loại tảo quang hợp đơn bào. Nó bao bọc tảo biển chịu đựng bằng một cấu trúc màng gọi là vacuole thức ăn để tiêu hóa, nhưng vì lý do không rõ, quá trình tiêu hóa không xảy ra. Thay vào đó, tảo biển sống sót và trở thành đối tác cộng sinh với nguyên bào, cung cấp cho nó những quả của quang hợp. Mối quan hệ đối tác này gia tăng qua các thế hệ cho đến khi đối tượng hai trong một mới tiến hóa thành tảo kính chúng ta biết ngày nay. Nhưng lớp màng phụ thêm vào từng là vacuole thức ăn không bao giờ biến mất.

Vào cuối thập kỷ 1990, một số nhà khoa học giả định rằng vacuole thức ăn trước đây vẫn có khả năng mang theo một protein kênh qua màng gọi là bơm proton. Bơm proton là các phân tử rất linh hoạt có thể được chuyên biệt cho nhiều nhiệm vụ đa dạng trong cơ thể sống, từ tiêu hóa đến điều chỉnh độ axit trong máu để giúp nơron gửi tín hiệu, giải thích nhà vi sinh vật học Martin Tresguerres, đồng tác giả chính của nghiên cứu mới và người hướng dẫn của Yee tại UCSD. Ở loài động vật có vú, một loại bơm proton có thể tạo ra điều kiện axit ăn mòn cao trong các khu vực của xương để phá hủy cấu trúc khoáng của chúng và hoà tan chúng theo thời gian.

Yee phát hiện rằng cùng một bơm proton cũng giúp tảo kính tạo thành vỏ silica chắc chắn của chúng. Nhưng khi xem xét tính linh hoạt của bơm proton và sự liên quan trực tiếp với chloroplast, anh ấy tin rằng nó còn làm nhiều hơn nữa.

Sử dụng sự kết hợp của các kỹ thuật sinh học phân tử, Yee và đội của anh ấy xác nhận rằng lớp màng phụ bổ xung quanh chloroplast của tảo biển thực sự chứa một bơm proton hoạt động, có tên là VHA thường đóng vai trò tiêu hóa trong vacuole thức ăn. Họ thậm chí đã kết hợp bơm proton với một protein phát quang để họ có thể quan sát nó hoạt động trong thời gian thực. Những quan sát của họ hỗ trợ lý thuyết cộng sinh kết thúc về cách tảo kính đã có thêm lớp màng phụ quanh chloroplast của chúng.

Yee, Tresguerres và đồng nghiệp của họ cũng tò mò về cách bơm proton có thể ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của chloroplast. Để tìm hiểu, họ sử dụng một loại thuốc chặn, concanamycin A, để ngừng hoạt động của bơm proton trong khi họ theo dõi xem tảo biển tiếp tục hấp thụ bao nhiêu carbon vào cacbonat và sản xuất oxy. Họ phát hiện rằng việc chặn bơm proton giảm đáng kể cả hai quá trình cố định carbon và sản xuất oxy trong tế bào.

Công việc tiếp theo giúp họ hiểu rằng bơm cải thiện quang hợp bằng cách tập trung carbon gần chloroplast. Bơm chuyển proton từ cytoplasm đến khu vực giữa màng phụ thêm và chloroplast. Độ axit tăng lên trong khu vực làm tăng carbon (dưới dạng ion bicarbonate) để lan tỏa vào khu vực để làm trung hòa nó. Enzymes chuyển đổi bicarbonate trở lại thành carbon dioxide, rồi thuận tiện gần enzymes cố định carbon của chloroplast.

Sử dụng số liệu thống kê về phân bố của tảo kính và các tảo biển khác có màng phụ thêm trong toàn cầu, các nhà nghiên cứu suy luận rằng sự tăng cường hiệu suất từ protein màng VHA này giải thích gần 12 phần trăm oxy trong khí quyển Trái Đất. Nó cũng đóng góp từ 7 phần trăm đến 25 phần trăm của toàn bộ carbon ổn định hàng năm trong đại dương. Đó là ít nhất 3.5 tỷ tấn carbon—gần bốn lần lượng khí thải hàng năm của ngành công nghiệp hàng không toàn cầu. Ở mức độ cao nhất của ước lượng của các nhà nghiên cứu, VHA có thể chịu trách nhiệm cho việc buộc chặt lên đến 13.5 tỷ tấn carbon mỗi năm.

Bây giờ, các nhà khoa học có thể thêm yếu tố này vào các xem xét khác khi ước tính tác động của biến đổi khí hậu đối với tốc độ carbon dioxide trong khí quyển được cố định vào phân tử hữu cơ, điều này quyết định tốc độ ấm len của hành tinh. Nó cũng liên quan đến cuộc thảo luận về việc liệu sự thay đổi về độ axit của đại dương có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ ổn định carbon và sản xuất oxy hay không. Yee nói rằng các nhà khoa học cũng có thể bắt đầu hỏi liệu các giải pháp sinh học dựa trên cơ chế mới được khám phá có thể tăng cường quá trình sequestration carbon để giới hạn biến đổi khí hậu hay không.

Yee, người hiện đang là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Sinh lý Tế bào và Thực vật thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp tại Grenoble, tự hào về việc đội của anh đã có thể cung cấp một cơ chế mới cho quá trình quang hợp xảy ra trong một hình thức sống quan trọng về môi trường như vậy.

“Nhưng chúng tôi cũng nhận ra,” anh ấy nói, “rằng càng nhiều chúng ta học, chúng ta càng ít biết.”

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ xuất bản độc lập biên tập của Simons Foundation, có nhiệm vụ làm tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa tin về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.