Hồi sinh vi khuẩn 100 triệu năm tuổi

• Vi khuẩn trong điều tra pháp y hình sự
• Dùng vi khuẩn để dò mìn
• Vi khuẩn lạ và cuộc chạy đua cứu hành tinh khỏi rác thải nhựa

Câu chuyện bắt đầu từ cách đây hơn 100 triệu năm ở giữa khu vực mà giờ đây là Thái Bình Dương. Đá núi lửa đã tạo nên một lớp "móng" cứng cho đáy biển. Bên trên, trầm tích bắt đầu tích tụ, nhưng không phải trầm tích bình thường.

Ở những nơi khác trong đại dương, phần lớn trầm tích đáy biển là chất hữu cơ. Động vật, từ loài nhỏ nhất như sinh vật phù du tới loài lớn nhất như cá voi, chết đi và chìm xuống, tạo thành lớp tạp chất mà các loài ăn xác thối tụ tập. Bờ biển phía tây châu Mỹ là ví dụ điển hình. Dòng nước trồi mang chất dinh dưỡng từ sâu lên, nuôi mọi loại sinh vật gần mặt biển. Các sinh vật này lại làm mồi cho sinh vật lớn hơn trong chuỗi thức ăn. Mọi loài khi chết lại chìm xuống đáy và tiếp tục chu trình như trên. Tại đáy, chất hữu cơ tích tụ nhanh tới mức phần lớn bị chôn vùi bên dưới các lớp hữu cơ khác trước khi sinh vật ăn xác thối có thể chạm tới.

Trái lại, giữa Thái Bình Dương, dù có sự sống như lại ít hơn nhiều. Nước biển ngoài khơi Australia và New Zealand thuộc loại trong nhất thế giới. Không có nước trồi và ít sự sống ở bề mặt, ít chất hữu cơ chìm xuống đáy để tạo trầm tích. Cái gì chìm xuống ngay lập tức bị các sinh vật như hải sâm xâu xé.

Ông Steven D'Hondt thuộc Đại học Rhode Island (Mỹ), người đứng đầu nhóm thám hiểm, cho biết sinh vật trong trầm tích là quần xã sinh vật ít được khám phá nhất Trái Đất. Chúng bao phủ 70% bề mặt Trái Đất và con người biết rất ít về chúng.

Thả các mũi khoan xuống độ sâu gần 5.800m cách đông bắc New Zealand hơn 2.200km, ông Steven D'Hondt và đồng nghiệp thực hiện sứ mệnh thăm dò lớp trầm tích cổ đại ở đáy biển để tìm sự sống.

Để tìm vi khuẩn, họ đã khoan 75m xuyên qua lớp trầm tích siêu mịn cho tới khi mũi khoan chạm phần đá núi lửa bên dưới. Sau đó, họ thu thập mẫu vật.

Từ lần khoan trước đó ở khu vực gần đây, họ biết họ sẽ khoan tới được lớp tạp chất 101,5 triệu năm tuổi. Trầm tích tích tụ ở khu vực biển này với tốc độ có thể là 10 cm/1 triệu năm.

Khi có mẫu trầm tích trong tay, Yuki Morono, nhà địa vi trùng học tại Cơ quan Công nghệ và Khoa học Biển-Trái Đất Nhật Bản (JAMSTEC), phải tìm kiếm các vi khuẩn siêu bé trong trầm tích siêu mịn này. Ông Morono đã dùng một hóa chất chứa ADN để tìm các vi khuẩn trong nơi trú ẩn của chúng giữa các hạt trầm tích.

Thứ ông Morono tìm thấy thật đáng ngạc nhiên: 10 tế bào/1 cm3 trầm tích. Tìm thấy số tế bào nhiều như vậy trong trầm tích gần như không có dinh dưỡng và ô xy đã khiến ông ngạc nhiên. Tuy nhiên, trong vòng nửa năm, ông đã dùng công nghệ khác và chứng minh rằng kết quả đó là sai. Hơn 99% tế bào mà ông phát hiện lại không phải là tế bào.

Nghiên cứu về số lượng lớn tế bào trong trầm tích mà ông nộp cho một tạp chí và đã được bình duyệt nay phải rút lại. Tuy nhiên, ông Morono quyết định thử lần nữa.

Hóa ra hóa chất chứa ADN mà ông dùng để tìm vi khuẩn khiến ADN dính vào các hạt trầm tích khác, khiến chúng trông giống như tế bào. Thực ra, các vi khuẩn mà ông tìm thấy đều là các mảnh trầm tích bình thường.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là không có vi khuẩn ở đó. Ông Morono đã có một giải pháp khác để tìm vi khuẩn, đó là một dung dịch mật độ cao mà các nhà sinh học dùng để cô lập tế bào. Ông lấy mẫu trầm tích, đặt nó lên trên dung dịch, quay trong máy ly tâm. Vi khuẩn có mật độ thấp hơn phần còn lại của trầm tích nên chúng sẽ bị lọc ra, còn các phân tử phi hữu cơ mật độ cao hơn sẽ ở lại trong dung dịch.

Ông Morono nói: "Sản phẩm cuối cùng là tôi thu được vi khuẩn. Thông thường, tế bào vi khuẩn đơn nhất được các chất màu vàng vàng bao quanh, nhưng sau khi lọc, chúng tôi có thể thu được tế bào vi khuẩn màu xanh riêng rẽ".

Ông Morono đã cô lập được các tế bào 100 triệu năm tuổi, phần lớn là vi khuẩn ưa khí, tức là vi khuẩn hô hấp bằng ô xy, cũng như các sinh vật đơn bào.

Sau đó, ông Morono đã hồi sinh các tế bào bằng cách cho chúng "ăn" carbon và ni tơ. Sau 68 ngày, một số loại vi khuẩn đã tăng số lượng. Các nhà nghiên cứu có thể đo đạc xem các sinh vật này "tăng cân" bao nhiêu khi chúng hấp thu chất dinh dưỡng. Ông Morono nói: "Thật không thể tin nổi. Hơn 99% vi khuẩn có thể sống lại".

Được khoan lên từ 75m dưới lớp trầm tích nghèo ô xy và dinh dưỡng ở độ sâu gần 6.000 mét dưới biển, các vi khuẩn đã hồi sinh từ trạng thái ngủ đông, tức là không thực sự sống hoặc chết.

Mặc dù khoa học đã giải phóng các vi khuẩn cổ đại có thể đe dọa loài người, nhưng ông D'Hondt nói rằng các mầm bệnh của con người thường không có ở trong lớp trầm tích sâu dưới biển, và các vi khuẩn này đã nằm trong lớp trầm tích đó cả trăm triệu năm trước khi xuất hiện nguồn gốc loài người. Vì thế, chúng không có cơ hội tiến hóa cùng loài người hay các động vật hiện đại khác.

Câu hỏi đặt ra là làm sao các vi khuẩn lại tồn tại lâu như vậy trong trầm tích, xa nguồn nước biển có ô xy. Thực ra, các hệ sinh thái dưới biển sâu này, nơi các sinh vật tiến hóa để tồn tại trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt, có lợi thế là đáy biển có vô vàn vi khuẩn sống bằng các chất hữu cơ và ô xy. Còn trên bề mặt lớp trầm tích ẩn sâu dưới đáy biển, vi khuẩn ít hoạt động hơn nhiều. Lượng ô xy thừa có thể "thấm" xuống tới khu vực chứa vi khuẩn cổ đại. Đó là một lượng ô xy rất nhỏ nhưng cũng có tác dụng.

Ông Fumio Inagaki thuộc JAMSTEC, người tham gia nghiên cứu, nói: "Vi khuẩn này hẳn phải nằm đó rất lâu rồi, trải qua thời gian địa chất, chỉ để chờ điều kiện tốt hơn. Cuối cùng, chúng có cơ hội hồi sinh. Tôi cho rằng điều này cung cấp một số thông tin quan trọng để hiểu về sự sống trên Trái Đất, kể cả trên các hành tinh khác như dưới bề mặt Sao Hỏa. Tất nhiên, bề mặt Sao Hỏa có thể không phải là nơi lý tưởng để tìm kiếm sự sống, nhưng nếu đào sâu xuống, tôi cho rằng có thể có khả năng tìm thấy sự sống".