Vi sinh vật Nam Cực sinh tồn ở -20°C nhờ khả năng 'ăn không khí', tác động mạnh mẽ đến chu trình hydro toàn cầu

Các vi sinh vật trong đất tại khu vực Đông Nam Cực đang khiến giới khoa học kinh ngạc với khả năng duy trì hoạt động trao đổi chất ở mức nhiệt độ cực thấp, chạm ngưỡng -20°C. Bí quyết sinh tồn của chúng nằm ở một quá trình sinh học đặc biệt mang tên 'aero-trophy' (không khí dưỡng). Thay vì dựa vào nguồn hữu cơ hiếm hoi, cơ chế này cho phép chúng thu nhận năng lượng bằng cách oxy hóa một lượng nhỏ hydro và carbon monoxide có trong khí quyển. Các nghiên cứu chuyên sâu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2022 đến 2024 đã xác nhận rằng những vi khuẩn này đóng vai trò là nhà sản xuất sơ cấp, hoạt động hoàn toàn độc lập với quá trình quang hợp. Đây là yếu tố sống còn giúp chúng tồn tại bền bỉ qua những đêm cực dài và khắc nghiệt tại vùng địa cực.

Một điểm đáng chú ý khác là khả năng chịu nhiệt phi thường của các hệ thống enzyme trong những loài vi sinh vật này, khi hoạt động trao đổi chất vẫn được ghi nhận ngay cả ở mức nhiệt lên tới 75°C. Sự dẻo dai này trở nên đặc biệt quan trọng khi nhìn về cột mốc năm 2026, trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang thúc đẩy sự mở rộng của các quá trình aero-trophy, có khả năng làm thay đổi đáng kể chu trình hydro trên toàn cầu. Theo các ước tính hiện tại, những quần thể vi sinh vật nhỏ bé này đang tiêu thụ khoảng 82% tổng lượng hydro lưu thông trong bầu khí quyển Trái Đất, đóng vai trò như một bộ lọc khí khổng lồ của hành tinh.

Đội ngũ chuyên gia từ Đại học New South Wales, cùng với các cộng sự từ Đại học Queensland và Đại học Monash, trước đó đã phát hiện ra rằng mã gene của những vi khuẩn này chứa các enzyme đặc hiệu có khả năng 'bẫy' hydro, carbon monoxide (CO) và carbon dioxide (CO2) trực tiếp từ không khí. Cụ thể, chúng tổng hợp các phân tử sinh học từ CO2 và lấy năng lượng bằng cách chuyển hóa CO thành CO2 – một quá trình mà các nhà khoa học ví von là chúng đang thực sự 'ăn không khí' để sống. Việc giải mã được cơ chế sinh tồn trong môi trường cực kỳ khan hiếm chất hữu cơ này không chỉ mở rộng hiểu biết về Trái Đất mà còn mở ra những chân trời mới cho ngành sinh học vũ trụ, gợi mở khả năng tồn tại của sự sống trong những điều kiện khắc nghiệt tương tự trên các hành tinh khác.

Mỗi năm, lòng đất giải phóng vào khí quyển từ 40 đến 130 triệu tấn hydro, và các vi sinh vật đóng vai trò then chốt trong việc di chuyển cũng như tái sử dụng nguồn khí đó. Khác biệt hoàn toàn với các quy trình sản xuất hydro công nghiệp vốn đòi hỏi chi phí năng lượng khổng lồ, các vi khuẩn Nam Cực thực hiện việc tiêu thụ hydro một cách tự nhiên, ở nhiệt độ thấp và cực kỳ tiết kiệm năng lượng. Sự tận dụng nguồn lực tự nhiên này nhấn mạnh vai trò nền tảng của các vi sinh vật trong các chu trình địa hóa sinh toàn cầu, giúp cân bằng hệ sinh thái một cách âm thầm nhưng vô cùng hiệu quả.

Để có thể duy trì chức năng của màng tế bào trong điều kiện băng giá, những vi khuẩn này đã tiến hóa để thay đổi thành phần lipid, ưu tiên các axit béo chuỗi ngắn và không bão hòa. Đặc tính thích nghi này giúp màng tế bào giữ được trạng thái tinh thể lỏng, một điều kiện tiên quyết để tiếp tục tăng trưởng và trao đổi chất trong môi trường khắc nghiệt. Trong khi đó, hầu hết các hệ vi sinh vật đất thông thường được cho là sẽ rơi vào trạng thái ngủ đông khi nhiệt độ xuống dưới +5°C. Do đó, các sinh vật aero-trophy tại Nam Cực không chỉ là một mô hình độc đáo để nghiên cứu giới hạn của sự sống mà còn là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến sự cân bằng khí gas trên toàn cầu mà chúng ta mới chỉ bắt đầu khám phá.