Thế giới dưới bàn chân

• Hé mở "tân thế giới" vi sinh vật trong đại dương

Từng có thời điểm trong cuộc đời, nhà khoa học Janet Jansson đặt câu hỏi: điều gì đang ẩn giấu bên dưới lớp đất dày trên Trái Đất? Cách đây gần ba thập kỷ, việc quan sát những mẫu đất khiến cô nữ sinh đại học bang New Mexico tò mò về thế giới kì lạ ấy, trong khi giới nghiên cứu vẫn chưa thể tường tận vai trò thực sự của hàng tỉ vi sinh vật sống dưới đất. 

Hàng loạt thí nghiệm sau này đã giúp Janet Jansson, và thế hệ khoa học kế cận, hình dung rõ nét hơn về bộ mã di truyền, cũng như cơ chế sinh tồn và đặc tính có-một-không-hai của “vũ trụ” sinh vật trong lòng đất, để rồi nhận ra chúng đang dần thay đổi thế giới loài người.

Nguy hiểm ngủ quên

Janet Jansson - giám đốc phụ trách nghiên cứu khoa học sinh học tại Phòng thí nghiệm Tây Bắc Thái Bình Dương - có niềm đam mê bất tận với đất. Càng đào sâu, tham vọng càng lớn, thúc giúc người như Jansson cùng đồng nghiệp tìm cách phân tích chi tiết mã di truyền của “kho báu” sinh vật ẩn sâu trong lòng đất. Tại đại bình nguyên Bắc Mỹ, nghiên cứu chỉ ra các nhóm vi sinh vật có thể sản xuất protein làm nhiệm vụ phân tách và tái hợp với các phân tử CO2, đồng thời “bắt” carbon từ không khí và chuyển hoá thành các khối chất rắn sinh học giàu carbon trữ lại trong lòng đất. Khoa học ví von đây giống như “điềm lành” với loài người, bởi lẽ đất càng “giam” được nhiều CO2 thì càng ít khí nhà kính được tạo ra, từ đó ổn định nhiệt độ hành tinh.

Ở Bắc Cực lạnh giá, giới khoa học vô cùng kinh ngạc về năng lực thích nghi tuyệt vời của thế giới sinh vật trong lòng đất. Khảo sát ba loại địa hình đặc trưng ở vùng Alaska (tầng đất đóng băng quanh năm, lớp đất mặt đóng băng và tan băng theo mùa, cùng với vùng đất lầy ngập nước nóng ấm), cho thấy sự đa dạng trong hệ sinh vật ẩn mình dưới lớp đất sâu ở một trong những nơi lạnh giá nhất hành tinh. Carbon hữu cơ ngập tràn trong tầng đất đóng băng quanh năm, trở thành tâm điểm nghiên cứu của ảnh hưởng từ nóng lên toàn cầu. Các suy đoán ra đời, đa phần đi theo hướng nhiệt độ tăng cao sẽ giải phóng các vi sinh “ngủ đông”, kích hoạt quá trình phân huỷ carbon để giải phóng năng lượng vào không gian.

Gene và protein không nhiều trong các mẫu đất đóng băng quanh năm, nhưng lại xuất hiện nhiều protein “kì lạ” trong lớp đất sau tan băng, đặc biệt là thứ enzyme có thể cắt các chuỗi phân tử carbon tương tự cellulose ở thực vật thành các hợp chất đường đơn giản, tạo ra năng lượng cho vi khuẩn sử dụng. Quá trình “cắt-thải” này khiến carbon “mắc kẹt” trong đất, dưới lớp băng dày. Chưa hết, ẩn sâu dưới những lớp đất mềm ẩm là hàng triệu gene liên quan đến quá trình hình thành methane (CH4) - loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh gấp 20 lần so với CO2. Giới khoa học lưu tâm đến protein methyl-coenzyme M có chứa enzyme xúc tác cho phản ứng khử, biến đổi CO2 thành CH4. Điều này đồng nghĩa với việc nếu khí hậu ấm lên, vi sinh vật trong băng sẽ được kích hoạt để đẩy nhanh quá trình tạo CH4, tiếp tục đưa vào không gian nhiều hơn khí nhà kính, làm trầm trọng hơn biến đổi khí hậu trong nhiều thập kỷ tới.

Sức mạnh tiềm ẩn

Đừng nghĩ vi sinh vật trong đất chỉ biết chơi đùa với carbon, với khí quyển dưới ánh nắng mặt trời gay gắt. Chúng còn làm được nhiều hơn thế khi tạo nên những “đế chế” của riêng mình, xoay chuyển mùi vị thực phẩm, chi phối năng suất và sức khoẻ cây trồng. Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Duke (Mỹ) đã thử nghiệm trồng cùng một loại Boechera stricta thuộc họ cải trên bốn mẫu đất thu thập ở Idaho, vốn chứa các nhóm vi sinh vật khác nhau. Có vẻ như, mỗi nhóm vi sinh vật đóng vai trò riêng biệt trong chuỗi phát triển của cây, đơn cử như khả năng đẩy nhanh quá trình hình thành hoa, hay Proteobacteria (một nhóm chính của vi khuẩn gram âm) có thể kìm hãm quá trình này.

Nhiều nhóm vi sinh vật giúp cây trồng chịu hạn, duy trì sản xuất sinh khối trong điều kiện khô cằn hoặc sống sót với các cơ chế bảo vệ như dung nạp hút ẩm. Thú vị hơn, chu kỳ nở hoa có thể “nằm trong tầm kiểm soát” của nhiều nhóm vi khuẩn, và nếu biết cách tận dụng thì con người có thể cải thiện năng suất, bảo vệ cây trồng trước ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Nông dân được lợi, người làm rượu vang ở nhiều nơi như thung lũng Napa (California) thấy phấn khởi, bởi lẽ số phận những thành phẩm “nhỏ giọt” phụ thuộc rất nhiều vào thời điểm hoa nở, sự phát triển của những trái nho và hơn hết, mùi hương đậm vị của “chất lỏng đỏ”. Danh tiếng rượu vang Napa thực chất được gây dựng từ hàng nghìn sinh vật siêu nhỏ cặm cụi dưới lòng đất, tạo nên chất riêng không thể lẫn vào đâu.

Con người phải nhờ cậy tới thế giới trong lòng đất khi nhiều bằng chứng cho thấy các nhóm vi sinh vật mang tiềm năng phân giải chất độc hại. Nghiên cứu mới đây tại đại học Delhi (Ấn Độ) phát hiện dấu vết các chuỗi ADN trong những mẫu đất còn nhiều tàn dư chất bảo vệ thực vật, so với các mẫu sạch “tự nhiên”. Sự xuất hiện của một vài nhóm vi khuẩn như Pseudomonas, Novosphingobium và Sphingomonas gợi mở khả năng phân huỷ hexachlorocyclohexane - vốn bị đưa vào danh sách của Công ước Stockholm về các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy. Từ đây, giới khoa học tin rằng chính vi sinh vật trong lòng đất giúp cải tạo tầng đất mặt, thúc đẩy quá trình phục hồi sinh học tại những khu vực ô nhiễm hay cằn cỗi trong thời gian dài.

Nhiều dự án cải tạo chất lượng đất ra đời, trở thành các phòng thí nghiệm di động thu thập trên dưới 2.000 tỷ mã di truyền vi sinh vật. Thế nhưng, Janet Jansson tin rằng đây chỉ là một phần rất nhỏ của “vũ trụ” trong lòng đất, bởi lẽ cứ 1 gram đất chứa tới 10 tỷ các tế bào sinh vật khác loại. Tham vọng của khoa học là thiết lập được một bản đồ đất đa hệ gene, ứng dụng nhiều kỹ thuật hiện đại nhằm tăng cường năng lực phân tích gene, đồng thời nghiên cứu tách biệt các trình tự gene lạ để đối chiếu với các mã di truyền phổ biến, từ đó khám phá bí ẩn của thế giới sinh vật dưới mặt đất. Hiểu biết sâu rộng về những nhóm vi sinh vật lạ mở ra cơ hội phỏng đoán năng lực tiềm ẩn của chúng đối với các điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm hạn hán, lũ lụt hay nóng lên toàn cầu.

Chặng đường còn xa

Sự ra đời của metagenomics - kỹ thuật nghiên cứu đa hệ gene trong môi trường tự nhiên, đã giúp khoa học đạt được năng lực xác định trình tự hàng nghìn, thậm chí hàng triệu gene gần như tức thời. Giờ đây, môi trường gần như không còn là rào cản với khoa học đất, từ đầm lầy cho đến tài nguyên lạnh giá, giúp mục tiêu tạo nên một bản đồ vi sinh vật trong lòng đất sớm trở thành hiện thực. Ngoài ra, kỷ nguyên công nghệ 4.0 hứa hẹn xây dựng nhiều thuật toán thông minh để phỏng đoán những thảm họa hay biến đổi tích cực do các nhóm sinh vật tạo nên. Yếu tố này giúp các nhà hoạch định chính sách môi trường nghiên cứu, phối hợp tác động từ các chủng vi khuẩn đất thích hợp nhằm “khoá” carbon gây hiệu ứng nhà kính, kìm hãm quá trình ô nhiễm và đẩy mạnh tốc độ phân huỷ chất độc.

Tất nhiên, thử thách đến từ công việc giải trình tự và phân tích ADN của các vi sinh vật lấy từ môi trường mà không cần nuôi cấy chúng cũng không hề nhỏ. Bởi lẽ, một thìa mẫu đất đã bao gồm hàng tỷ vi sinh vật, chưa kể tới các chủng loại “vô danh”, chưa từng được khám phá. Vì thế, giới khoa học trên khắp thế giới đã bắt tay với nhau thông qua dự án nghiên cứu hệ vi sinh vật Trái Đất, thu thập khảo sát ít nhất 200.000 mẫu đất trên khắp thế giới. Bên cạnh đó, cần có phương án kiểm soát vi sinh vật trong đất hợp lý. Chẳng hạn, ở những khu vực ấm nóng đầm lầy quanh năm, cần đảm bảo nguồn nước dồi dào O2 - khắc tinh của vi sinh vật kỵ khí, khiến chúng khó có thể thải ra nhiều CH4. Đối với những bình nguyên hay đồng cỏ, nông dân cần lựa chọn loại phân bón duy trì tốt tính đa dạng vi sinh vật tự nhiên trong đất.

Rõ ràng, chặng đường phía trước đối với khoa học đất còn rất dài, khi Janet Jansson vẫn tiếp tục miệt mài quan sát từng mẫu đất, ghi chép lại sự đa dạng và đặc tính của mỗi nhóm vi sinh vật, tạo nên cơ sở dữ liệu khổng lồ cho nghiên cứu trong tương lai. Trong quá khứ, Leonardo da Vinci từng suy ngẫm về thế giới này, cho rằng loài người thậm chí hiểu biết nhiều hơn về các thiên thể trên đầu thay vì thế giới vi sinh vật dưới đôi bàn chân. Và rồi, cho tới hơn năm thế kỷ sau, Janet Jansson, cùng với khoa học hiện đại, đang cố gắng chứng minh quan điểm của người đàn ông được coi như thiên tài toàn năng nhất lịch sử nhân loại không còn chính xác nữa ở thời nay...