Hình minh họa đại dương có màu xanh lục - Ảnh: UWMADISON/CANVA
Nhìn từ không gian, Trái đất hiện trông như một điểm màu xanh dương nhạt do có gần 3/4 diện tích là đại dương.
Tuy nhiên, theo nghiên cứu mới của các nhà khoa học Nhật Bản, các đại dương trên Trái đất từng có màu xanh lục và sự khác biệt màu sắc này có liên quan đến hóa học và quá trình tiến hóa của quang hợp.
Đại dương màu xanh lục
Theo trang ScienceAlert ngày 10-4, nghiên cứu bắt đầu từ việc quan sát vùng nước xung quanh đảo núi lửa Iwo Jima của Nhật Bản có màu xanh lục, liên quan đến một dạng sắt (III) bị oxy hóa. Tảo lục lam phát triển mạnh trong vùng nước này.
Trong thời kỳ liên đại Thái cổ (Archaea), tổ tiên của tảo lục lam hiện đại đã tiến hóa cùng với các vi khuẩn khác bằng cách sử dụng sắt (II) thay vì nước làm nguồn electron cho quang hợp. Điều này cho thấy mức độ sắt cao trong đại dương.
Liên đại Thái cổ, cách đây 4 - 2,5 tỉ năm, là thời kỳ mà bầu khí quyển và đại dương của Trái đất không có oxy dạng khí. Đồng thời đây cũng là thời kỳ mà các sinh vật đầu tiên tạo ra năng lượng từ ánh sáng Mặt trời tiến hóa. Các sinh vật này từng quang hợp kỵ khí, nghĩa là chúng có thể quang hợp không cần oxy.
Điều này tạo ra những thay đổi quan trọng vì sản phẩm phụ của quá trình quang hợp kỵ khí là khí oxy. Khí oxy chỉ tồn tại dưới dạng khí trong khí quyển một khi sắt trong nước biển không còn có thể trung hòa oxy được nữa.
Các sinh vật quang hợp sử dụng sắc tố (chủ yếu là diệp lục) trong tế bào để chuyển đổi CO2 thành đường bằng năng lượng Mặt trời. Tảo lục lam đặc biệt vì chúng mang sắc tố diệp lục phổ biến, song cũng có sắc tố thứ hai gọi là phycoerythrobilin (PEB). Nhóm nghiên cứu phát hiện tảo lục lam hiện đại biến đổi gene với PEB phát triển tốt hơn trong vùng nước xanh lục.
Trước khi quá trình quang hợp và oxy xuất hiện, các đại dương trên Trái đất chứa sắt trong tình trạng thiếu oxy. Sau đó, oxy được giải phóng khi sự quang hợp gia tăng trong thời kỳ liên đại Thái cổ đã dẫn đến việc sắt bị oxy hóa trong nước biển.
Các mô phỏng máy tính trong nghiên cứu cũng phát hiện oxy được giải phóng trong quá trình quang hợp ban đầu dẫn đến nồng độ đủ cao của các hạt sắt bị oxy hóa để biến mặt nước biển thành màu xanh lục.
Khi tất cả sắt trong đại dương đã bị oxy hóa, oxy tự do (O2) sẽ tồn tại trong cả đại dương và khí quyển. Nhóm nghiên cứu nhận định rằng các thế giới trông như điểm màu xanh lục nhạt được quan sát từ không gian có thể là những hành tinh ứng cử viên tốt để nuôi dưỡng sự sống quang hợp ban đầu.
Những thay đổi hóa học trong đại dương diễn ra dần dần và liên đại Thái cổ kéo dài đến 1,5 tỉ năm, chiếm hơn một nửa lịch sử của Trái đất. Để so sánh thì toàn bộ lịch sử của sự phát triển và tiến hóa các sự sống phức tạp trên hành tinh của chúng ta chỉ chiếm khoảng 1/8 lịch sử của Trái đất.
Do đó, gần như chắc chắn rằng màu sắc của đại dương đã thay đổi dần dần trong giai đoạn này và có khả năng dao động. Điều này có thể giải thích vì sao tảo lục lam tiến hóa với cả hai dạng sắc tố quang hợp: diệp lục tốt trong môi trường ánh sáng trắng ngày nay và PEB tốt trong môi trường ánh sáng xanh lục.
Đại dương có thể đổi màu lần nữa?
Bài học rút ra từ nghiên cứu trên là màu sắc của đại dương có liên quan đến hóa học trong nước và tác động của sự sống. Chúng ta có thể tưởng tượng ra các màu sắc khác của đại dương mà không cần mượn quá nhiều ý tưởng của khoa học viễn tưởng.
Trái đất có thể có đại dương tím nếu nồng độ sulphur cao. Điều này có thể liên quan đến hoạt động núi lửa mạnh và nồng độ oxy thấp trong khí quyển, vốn sẽ dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của vi khuẩn sulphur tím.
Đại dương cũng có thể đỏ nếu điều kiện khí hậu nhiệt đới khắc nghiệt, sắt oxy hóa màu đỏ hình thành từ quá trình phân hủy đá trên đất liền và được gió hay các con sông đem ra đại dương. Hoặc nếu một loại tảo liên quan đến "thủy triều đỏ" phát triển mạnh và chiếm ưu thế trên bề mặt đại dương.
Khi Mặt trời của chúng ta già đi, đầu tiên nó sẽ sáng hơn, dẫn đến việc tăng bốc hơi bề mặt và tia UV mạnh. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn sulphur tím sống ở các vùng nước sâu thiếu oxy phát triển.
Khi đó sẽ dẫn đến tình trạng nhiều tím, nâu hay xanh lục hơn ở các vùng phân tầng trong đại dương hoặc ven bờ và màu xanh lam đậm ít hơn do thực vật phù du suy giảm.
Theo thang thời gian địa chất, không có gì là vĩnh viễn. Do đó, sự thay đổi màu sắc của đại dương là điều không thể tránh khỏi.
Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature.
