Không phải rừng nhiệt đới Amazon, Trái Đất còn có một lá phổi lớn hơn trong lòng đại dương nhưng ít người biết đến

Sống trên bề mặt đất, con người chúng ta thường nghĩ rằng rừng mưa nhiệt đới là những lá phổi xanh của hành tinh. Trong hàng trăm triệu năm, rừng nhiệt đới đã liên tục hấp thụ một lượng lớn khí carbon dioxide (CO2) từ bầu khí quyển và tạo ra oxy để hỗ trợ sự sống cho các loài động vật.

Tuy nhiên, công bằng mà nói, hóa ra Trái Đất còn đang thở bằng những lá phổi lớn hơn trong lòng đại dương, một hệ sinh thái mà ít người trong số chúng ta biết đến: Đó là những cánh đồng cỏ biển.

Cỏ biển không phải rong biển, cũng không phải tảo hay san hô. Chúng là thực vật và từng sống trên cạn. Cỏ biển thuộc nhóm thực vật một lá mầm. Chúng có rễ, có lá, có hoa và thậm chí hoa vẫn thụ phấn được khi ở dưới nước.

Loài thực vật này từng có tổ tiên chung với cỏ trên mặt đất, nhưng khoảng 100 triệu năm trước, những cây cỏ biển lại tìm đường lặn xuống và mọc dưới đáy đại dương. Ở đây, chúng vẫn giữ truyền thống quang hợp, trao đổi CO2 và oxy như bình thường.

Mỗi một mét vuông cỏ biển có thể tạo ra 10 lít khí oxy mỗi ngày thông qua quang hợp. Và chúng cũng hấp thụ carbon nhanh gấp 35 lần so với rừng mưa nhiệt đới. Hệ sinh thái cỏ biển nằm trong số những bể chứa carbon lớn nhất hành tinh. Dù chỉ chiếm 0,1% diện tích đáy biển, loài sinh vật này lại đang lưu trữ 11% carbon có trong lòng đại dương.

Đến các nhà khoa học cũng phải bất ngờ trước năng suất hấp thụ carbon của cỏ biển

Thế nhưng, điều gì đã giúp cỏ biển đánh bại rừng nhiệt đới trong nhiệm vụ thanh lọc CO2 cho Trái Đất? Hoá ra ẩn dưới những cánh đồng cỏ biển vẫn còn có một anh hùng ẩn giấu. Thiếu vắng sự hiện diện của loài sinh vật này, cỏ biển sẽ héo úa và mất đi gần như toàn bộ khả năng thu giữ carbon của chúng.

Trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Nature, các nhà khoa học đã phát hiện trong rễ của loài cỏ biển Neptune (Posidonia oceanica) có một loại vi khuẩn tên là Celerinatantimonas neptuna. Vi khuẩn này đã biến nitơ thành một chất dinh dưỡng mà cỏ biển biển cần để quang hợp.

Quá trình đó được gọi là cố định nitơ hay cố định đạm. Vi khuẩn C. neptuna dường như đã đi theo cỏ biển trong quá trình chúng di cư từ mặt đất trở lại đại dương khoảng 100 triệu năm về trước. Và tình bạn mật thiết giữa hai loài sinh vật này hóa ra đã giúp Trái Đất trở nên xanh hơn bao giờ hết.

Trong chuyến di cư về lòng biển

Chúng ta biết tất cả các loài thực vật trên cạn thực ra đã tiến hóa từ một nhóm tảo lục cách đây khoảng 450 triệu năm. Khi còn là tảo dưới biển, chúng không có rễ, không có hoa và lấy chất dinh dưỡng thông qua quá trình thẩm thấu nước chứ không phải từ rễ đâm sâu vào đáy biển.

Lên khỏi bề mặt nước, các loài thực vật mới bắt đầu trang bị cho mình những bộ máy hấp thụ và trao đổi chất sinh sản đặc thù như rễ, thân, lá, hoa và hạt. Giống như tảo, thực vật cũng quang hợp nhưng chúng không sử dụng sắc tố phycobilin mà chỉ sử dụng diệp lục và carotenoid.

Thực vật trên mặt đất rõ ràng là một hình thức tiến hóa hơn nhiều so với tảo dưới biển. Tảo có thể ở dạng đơn bào, dạng sợi và sống một đời sống trôi nổi trong lòng đại dương, nhưng thực vật thì không, chúng chắc chắn phải ở dạng đa bào, có cơ thể phức tạp và rễ bám cố định vào mặt đất.

Nhưng vào khoảng 70-100 triệu năm trước, có một nhóm thực vật đang sống quanh các đầm lầy ngập mặn, bỗng nhiên lại muốn từ bỏ bầu không khí và di cư ngược trở lại lòng đại dương. Chúng chiếm lĩnh các khu vực nước nông để tiếp tục hứng lấy ánh sáng mặt trời và quang hợp.

Dần dần, loài thực vật này đã lần mò được tới tận độ sâu 60 mét, sinh sôi nảy nở và phát triển thành hơn 60 loài thuộc 5 phân họ khác nhau. Chúng phủ kín những khu vực biển rộng lớn, có thể lên tới 4.500 km vuông, tạo thành các cánh đồng dưới thềm của tất cả các lục địa ngoại trừ Nam Cực.

Tới đây, không cần phải nhắc lại có lẽ bạn cũng biết chúng ta đang nói về cỏ biển và chuyến di cư đáng ngưỡng mộ của chúng. Nhưng điều chúng ta chưa nói đến là sự thành công trong việc xâm lấn lại đại dương của cỏ biển còn có công của một loài cộng sinh với chúng, vi khuẩn cố định đạm.

Cỏ biển cần đạm, nhưng chúng lấy đạm từ đâu?

Đạm hay các chất chứa nitơ là một thành phần thiết yếu cho mọi quá trình sống, của cả động vật cũng như thực vật. Trong cơ thể con người chúng ta, nitơ là các khối xây dựng lên DNA, protein và từng amino axit, nucleotide.

Trong thực vật, nitơ là thành phần không thể thiếu để tạo nên diệp lục, hợp chất đang giúp chúng quang hợp, hút lấy CO2, cô lập carbon và nhả ra oxy. Thiếu nitơ hay thiếu đạm, các loài thực vật sẽ trở nên còi cọc, không thể trổ lá. Thiếu diệp lục khiến lá cây trở nên vàng úa và quá trình quang hợp sẽ bị ảnh hưởng.

Điều này lẽ ra đã phải xảy đến với cỏ biển trong quá trình chúng đi từ mặt đất xuống đáy đại dương. Đó là bởi khác với tảo có thể lấy nitơ từ nước và tự chuyển đổi ni tơ thành ammonia hay nitrate để sử dụng, cỏ biển là hậu duệ của thực vật nên chúng bắt buộc phải lấy nitơ từ đất, thông qua quá trình cố định đạm mà vi khuẩn thực hiện.

Ngay cả bầu khí quyển chứa đầy nitơ, nhưng thực vật cũng không thể hút khí đó để sống. Chúng cần các vi khuẩn chuyển đổi nitơ thành các dạng hợp chất mà rễ hút như ammonia hay nitrate để cây sử dụng được. Quá trình chuyển đổi này được gọi là cố định đạm. Nhưng tin buồn là ở dưới đáy biển lại không chứa nhiều các vi khuẩn cố định đạm hiệu quả như trên mặt đất.

Điều này cho thấy phải có một cái gì đó khác đã chuyển đổi và cung cấp nitơ cho cỏ biển phát triển. Wiebke Mohr, một nhà sinh vật học đại dương đến từ Viện Max Planck ở Bremen, Đức đã rất tò mò với câu hỏi này.

Trong một nghiên cứu của mình, ông và các đồng nghiệp đã thu thập cỏ biển Neptune (Posidonia oceanica) ở vùng Địa Trung Hải và các lớp trầm tích xung quanh nó. Sau khi mang chúng về phòng thí nghiệm, họ sẽ nhuộm các mẫu vật với các chất nhuộm màu khác nhau, làm nổi bật từng loài vi khuẩn có mặt.

Kết quả cho thấy sự hiện diện của một chủng vi khuẩn hoàn toàn mới trong rễ của cỏ biển. Mohr và các đồng nghiệp của mình đã đặt tên cho vi khuẩn này là Celerinatantimonas neptuna và họ để ý C. neptuna thường xuất hiện rất nhiều trong rễ cỏ biển vào mùa hè, khoảng thời gian mà nitơ khan hiếm nhất. Có vẻ như đây chính là những vi khuẩn giúp cỏ biển cố định nitơ.

"Trước đây các nhà khoa học khác cho rằng cái gọi là nitơ cố định mà cỏ biển sử dụng đến từ các vi khuẩn sống xung quanh gốc rễ của chúng dưới đáy biển. Nhưng bây giờ, chúng tôi đã chứng minh được đây là một mối quan hệ gắn bó chặt chẽ hơn nhiều:

Vi khuẩn cố định đạm sống ngay bên trong rễ của cỏ biển chứ không phải phía bên ngoài và ở trong đất. Đây là lần đầu tiên một sự cộng sinh mật thiết như vậy được chứng minh ở cỏ biển", Mohr nói.

Hai người bạn song hành

Ở trên cạn, chúng ta có các loài cây họ đậu cũng nuôi vi khuẩn cố định đạm ngay bên trong rễ của mình, nơi chúng tạo thành các nốt sần. Nhưng kiểu quan hệ cộng sinh này chưa từng được quan sát thấy ở bất kỳ loài thực vật biển nào.

Bây giờ, Mohr và các đồng nghiệp của ông đã chứng minh được cỏ biển ở vùng Địa Trung Hải cũng mang một loại vi khuẩn cố định đạm là C. neptuna trong rễ của chúng. Nhưng vì họ hàng của loài vi khuẩn này xuất hiện ở mọi nơi trên thế giới, Mohr cho rằng các mối quan hệ cộng sinh tương tự cũng có thể xảy ra với các loài cỏ biển khác, ở những vùng biển khác.

Vi khuẩn C. neptuna được lợi rất lớn từ quá trình cộng sinh với cỏ biển. Chúng cần năng lượng để hoạt động, bởi quá trình biến đổi nitơ thành amonia hay nitrit rất tốn năng lượng. Cỏ biển đã cung cấp một ngôi nhà, và cả các phân tử đường để nuôi sống loài vi khuẩn này.

Đổi lại, C. neptuna sẽ cố định nitơ cho chúng. Sau khi có được nitơ từ rễ, cỏ biển sẽ nhanh chóng đưa nguyên tố này lên nuôi sống bộ lá của mình và tăng cường quang hợp. "Sự chuyển giao này diễn ra rất nhanh chóng, với khoảng 20% lượng nitơ cố định mới được đồng hóa vào sinh khối lá trong vòng 24 giờ", Mohr và các tác giả nghiên cứu mới cho biết.

Nhuộm các mẫu vật với các chất nhuộm màu khác nhau, các nhà khoa học đã tìm thấy loài vi khuẩn giúp cỏ biển cố định đạm.

Hệ thống cộng sinh này đã hoạt động trơn tru trong hàng trăm triệu năm, và rõ ràng C. neptuna đóng một vai trò quyết định đến việc cỏ biển di cư từ mặt đất vào trong lòng đại dương. Nhưng nguồn gốc của vi khuẩn này đến từ đâu thì vẫn còn chưa rõ.

Trong khi Mohr tìm thấy các bằng chứng về mặt di truyền cho thấy tổ tiên của C. neptuna từng cộng sinh với rong biển – một loài không có rễ, ông cũng tìm thấy các họ hàng gần nhất còn sống của vi khuẩn này đang cộng sinh với cỏ đầm lầy mặn.

Do đó có hai giả thuyết, một là C. neptuna đã bỏ rong biển để đi theo cỏ biển. Hoặc là tình bạn này đã hình thành sớm hơn, khi cỏ biển còn ở trên đầm lầy ngập mặn, chúng đã kết thân với C. neptuna và sau đó mang theo người bạn của mình xuống lòng đại dương.

Tại sao chúng ta cần bảo vệ tình bạn và hệ sinh thái này?

Bất chấp cỏ biển đã có được sự giúp đỡ của C. neptuna như thế nào và từ bao giờ, sự kết hợp của chúng ngày nay không chỉ viết nên một câu chuyện thành công cho bản thân tình bạn ấy, mà còn cho cả một hệ sinh thái trong lòng đại dương và trên bề mặt đất.

Thảm cỏ biển là nơi trú ẩn và là nguồn thức ăn phong phú của nhiều loài sinh vật biển. Những tán lá cỏ biển là nơi ẩn náu, ấp ủ và sinh sống của các sinh vật không xương sống nhỏ như tôm, cua, các loài cá nhỏ, cá chưa trưởng thành và cả cá lớn hơn.

Cỏ biển cũng chính là thức ăn của nhiều loài sinh vật biển, trong đó có các loài sắp tuyệt chủng như lợn biển, rùa xanh, rắn biển. Mỗi ngày, một con lợn biển trưởng thành có thể tiêu thụ khoảng từ 28 đến 40 kg cỏ biển, một con rùa biển trưởng thành tiêu thụ khoảng 2 kg. Nếu cỏ biển biến mất, những con vật này sẽ không có gì để ăn.

Không chỉ có vai trò quan trọng với đại dương, cỏ biển còn là một bể chứa CO2 khổng lồ cho khí quyển. Cũng giống như thực vật trên cạn, cỏ biển hấp thụ CO2 từ không khí và thải oxy trong quá trình sống của chúng.

Khi cỏ biển chết và phân hủy dưới đáy biển, CO2 đã hấp thụ trước đó sẽ bị chôn vùi trong lớp trầm tích của đại dương. Hiện quần thể cỏ biển đang giúp chúng ta lưu trữ khoảng 27,4 triệu tấn CO2 trong khoảng 600.000 km2 thềm lục địa.

Một điều đáng tiếc là chúng ta đang phá hủy các đồng cỏ biển với tốc độ thậm chí còn nhanh hơn các khu rừng mưa nhiệt đới. Theo thống kê, 18% diện tích cỏ biển trên toàn thế giới đã biến mất chỉ trong vài thập kỷ qua. Con số tương đương với diện tích trên 30.000 km vuông.

Tính ra mỗi giờ, thế giới sẽ mất đi một diện tích cỏ biển tương đương 2 sân bóng đá. Điều này xảy ra chủ yếu do con người với các hoạt động làm ô nhiễm đáy biển với chất thải rắn, kim loại nặng, cặn trôi nổi hoặc sự cố tràn dầu.

Ngoài ra, các hoạt động đánh bắt hải sản sử dụng mìn, hóa chất và kéo lưới đáy cũng có thể phá hủy thảm cỏ dưới đáy biển. Vì cỏ biển thường sống ở vùng nước nông, hoạt động lấn biển, xây dựng các công trình như đường xá, nhà ở, bến cảng và thậm chí nuôi trồng hải sản cũng sẽ ảnh hưởng đến hệ sinh thái của cánh đồng cỏ biển bên dưới.

Với mức độ đóng góp quan trọng của hệ sinh thái này đối với sức khỏe hành tinh, đã đến lúc chúng ta cần nâng cao nhận thức của mỗi người dân, các tổ chức cũng như chính phủ về chúng, những ngọn cỏ biển và vi khuẩn cộng sinh trong rễ.

Và các nghiên cứu như của Mohr và các đồng nghiệp đang giúp thúc đẩy quá trình đó. Càng hiểu nhiều hơn về cỏ biển và các yếu tố giúp chúng phát triển, chúng ta càng có những biện pháp tốt hơn để bảo tồn và phục hồi hệ sinh thái quan trọng này.