Trái Đất "xanh lục": Khi ánh sáng cổ đại định hình tiến hóa quang hợp

Sâm Cầm 

15-04-2025

Following Owl’s advice, Kingfisher started catching and eating numerous animals, but none really worked. When running out of options, Kingfisher became so desperate. Suddenly, he saw a grasshopper and thought this should be the final try. So he caught and ate the grasshopper. To his surprise, he felt the change. And later, he learned that his taste buds returned to normal when eating fish again. He suddenly realized that fish’s tastes were so great, so delicious.

Trích “Philosophy of Eating”; Wild Wise Weird [1]

Khoảng 2,4 tỷ năm trước, vi khuẩn lam (cyanobacteria) đã khơi mào một cuộc cách mạng hành tinh mang tên Sự kiện Oxy hóa lớn (Great Oxidation Event – GOE), giải phóng khí oxy vào khí quyển Trái Đất thông qua quá trình quang hợp [2]. Cuộc biến đổi này đã mở đường cho sự sống hô hấp hiếu khí [3,4]. Tuy nhiên, một câu hỏi tồn tại từ lâu vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng: tại sao cyanobacteria lại tiến hóa một cấu trúc thu nhận ánh sáng rất lớn và phức tạp gọi là phycobilisome, trong khi chlorophyll vốn đã rất hiệu quả trong việc hấp thụ ánh sáng Mặt Trời?

Một nghiên cứu mới của Matsuo và cộng sự [5] đưa ra lời giải thích độc đáo dựa trên quang học đại dương cổ đại. Bằng cách sử dụng mô hình số và thí nghiệm phòng lab, nhóm nghiên cứu đã tái tạo lại môi trường ánh sáng dưới nước vào thời kỳ Archaean. Họ phát hiện rằng các hạt sắt hydroxit (Fe(OH)₃)—hình thành từ quá trình oxy hóa sắt hòa tan Fe(II) do cyanobacteria sơ khai và vi khuẩn quang tự dưỡng sắt (photoferrotrophic bacteria) tạo ra—đã khiến đại dương thời đó chủ yếu được chiếu sáng bởi ánh sáng xanh lục. Chính điều kiện ánh sáng này đã định hình quá trình tiến hóa của các sắc tố quang hợp.

Một sắc tố đặc biệt, phycoerythrobilin (PEB)—có khả năng hấp thụ hiệu quả ánh sáng xanh lục—dường như mang lại lợi thế sinh tồn quan trọng. Các thí nghiệm cho thấy các chủng cyanobacteria được biến đổi gen để sản xuất PEB phát triển tốt hơn dưới ánh sáng xanh lục so với các chủng không có sắc tố này, chứng minh vai trò của PEB trong việc tăng cường hiệu quả thu nhận ánh sáng trong điều kiện quang phổ đặc thù. Đáng chú ý, PEB vẫn hoạt động ngay cả khi không gắn với khung protein đặc hiệu, cho thấy giá trị thích nghi của nó ngay từ thời kỳ đầu tiến hóa.

Phân tích phát sinh chủng loài (phylogenetic analysis) cho thấy tổ tiên của cyanobacteria có thể đã sở hữu đầy đủ bộ phycobiliprotein—bao gồm allophycocyanin (APC), phycocyanin (PC) và phycoerythrin (PE)—được dùng để truyền năng lượng ánh sáng xanh lục đến chlorophyll a. Những phát hiện này chỉ ra rằng môi trường đại dương xanh lục cổ đại không chỉ định hình tiến hóa sắc tố, mà còn thúc đẩy sự ra đời của hệ thống quang hợp hiện đại.

Đáng chú ý, những môi trường ánh sáng xanh lục tương tự vẫn tồn tại ngày nay, chẳng hạn vùng nước quanh đảo Iwo, nơi các plume sắt từ miệng phun thủy nhiệt làm biến đổi quang phổ ánh sáng địa phương [6]. Tại đó, các cyanobacteria hiện đại vẫn thể hiện mức độ PEB tăng cao khi tiếp xúc với ánh sáng xanh lục, cho thấy sự tiếp nối sinh thái lâu dài từ quá khứ đến hiện tại.

Nghiên cứu này nhấn mạnh mối quan hệ hai chiều giữa sự sống và môi trường [7,8]. Vi khuẩn lam cổ đại đã thay đổi thế giới của chúng bằng cách tạo ra oxy, và quá trình đó lại thay đổi môi trường ánh sáng, từ đó thúc đẩy sự đổi mới tiến hóa tiếp theo. Trước khi Trái Đất trở thành một “chấm xanh lam,” có thể nó từng là một “đốm xanh lục nhạt” (pale green dot)—nơi màu sắc của ánh sáng dẫn đường cho sự sống.

Tài liệu tham khảo

[1] Vuong QH. (2024). Wild Wise Weird. https://www.amazon.com/dp/B0BG2NNHY6/ 

[2] Holland HD. (2006). The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 361, 903-915. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2006.1838 

[3] Payne JL, et al. (2011). The evolutionary consequences of oxygenic photosynthesis: a body size perspective. Photosynthesis Research, 107, 37-57. https://doi.org/10.1007/s11120-010-9593-1 

[4] Jabłońska J, Tawfik DS. (2021). The evolution of oxygen-utilizing enzymes suggests early biosphere oxygenation. Nature Ecology & Evolution, 5, 442-448. https://www.nature.com/articles/s41559-020-01386-9 

[5] Matsuo T, et al. (2025). Archaean green-light environments drove the evolution of cyanobacteria’s light-harvesting system. Nature Ecology & Evolution, 9, 599-612. https://www.nature.com/articles/s41559-025-02637-3  

[6] Kiyokawa S, et al. (2021). Hydrothermal formation of iron-oxyhydroxide chimney mounds in a shallow semi-enclosed bay at Satsuma Iwo-Jima Island, Kagoshima, Japan. GSA Bulletin, 133(9-10), 1890-1908. https://doi.org/10.1130/B35782.1 

[7] Ho MT, Nguyen DH. (2025). Of Kingfisher and Man. https://philarchive.org/rec/HOOKAW 

[8] Nguyen MH. (2024). How can satirical fables offer us a vision for sustainability? Visions for Sustainability. https://ojs.unito.it/index.php/visions/article/view/11267