Bằng chứng trực tiếp sớm nhất về quá trình quang hợp đã được phát hiện trong các hóa thạch có niên đại 1,75 tỷ năm trước.
Các nhà khoa học đã thu thập hóa thạch từ Úc, Canada và Cộng hòa Dân chủ Congo và tìm thấy các mẫu từ Úc và Canada chứa bằng chứng về vi khuẩn lam, dạng sống lâu đời nhất được biết đến trên Trái đất. Các nhà khoa học tin rằng vi khuẩn lam xuất hiện lần đầu tiên cách đây 2 đến 3 tỷ năm, trước khi tiến hóa để có khả năng tạo ra oxy hoặc quang hợp oxy.
Trong một nghiên cứu được công bố ngày 3 tháng 1 trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ những hóa thạch vi khuẩn lam này có cấu trúc quang hợp đặc trưng, được gọi là màng thylakoid, chứa các sắc tố như chất diệp lục giúp chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học thông qua quá trình quang hợp.
Vi khuẩn lam được bảo quản trong đất sét bùn được nén theo thời gian để trở thành đá. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xem các màng và các chi tiết nhỏ khác được bảo tồn trong hóa thạch.
Thay vì sử dụng ánh sáng để chụp ảnh các vật thể, TEM sử dụng các electron có bước sóng nhỏ hơn nhiều so với ánh sáng, cho phép chúng ta nhìn thấy các chi tiết mịn hơn nhiều ở cấp độ nguyên tử. Các nhà khoa học bắn phá một mẫu bằng chùm tia điện tử. Một số electron sẽ đi qua trong khi một số sẽ bị hấp thụ hoặc phân tán ra khỏi các phần đậm đặc hơn của vật thể.
Tác giả chính Emmanuelle Javaux, nhà cổ sinh vật học từ Đại học Liège ở Bỉ, nói với Live Science: “Việc tìm thấy những màng này cho chúng ta biết rằng [những tế bào này] thực sự là vi khuẩn lam đang thực hiện quá trình quang hợp oxy”. “Điều này đẩy lùi kỷ lục hóa thạch của những màng như vậy tới 1,2 tỷ năm.”
Javaux cho biết việc xác định thời điểm chính xác mà vi khuẩn lam phát triển khả năng tạo ra oxy là một cột mốc quan trọng trong lịch sử tự nhiên của Trái đất.
Nồng độ oxy trong bầu khí quyển Trái đất tăng đáng kể vào khoảng 2,45 tỷ năm trước, trong cái được gọi là Sự kiện oxy hóa lớn.
Sự gia tăng oxy trong khí quyển đã biến đổi sự sống trên Trái đất. Nó mở khóa quá trình hô hấp hiếu khí cho nhiều dạng sống và tăng tốc độ phong hóa khoáng chất và cung cấp chất dinh dưỡng cho các môi trường khác nhau.
Tuy nhiên, các nhà khoa học không biết liệu Sự kiện oxy hóa lớn được kích hoạt bởi sự tiến hóa của quá trình quang hợp oxy hay liệu các sự kiện sinh thái hoặc địa chất khác xảy ra trước.
Các động lực sinh học và vật lý chính xác của Sự kiện oxy hóa lớn đang được các nhà khoa học tranh luận sâu sắc. Mặc dù quá trình quang hợp của vi khuẩn lam thường được coi là nguyên nhân chính khiến nồng độ oxy tăng lên, nhưng các nguyên nhân như núi lửa phun trào hoặc hàm lượng sắt trong đại dương giảm cũng có thể góp phần.
Greg Fournier, nhà địa sinh học tại Viện Công nghệ Massachusetts, người không đồng ý: “Nếu quá trình quang hợp oxy tiến hóa từ rất sớm, nhưng lượng oxy chỉ tích lũy trong khí quyển muộn hơn nhiều, điều đó cho thấy rằng có những quá trình khác đang diễn ra như chôn lấp carbon hữu cơ”. tham gia vào nghiên cứu, nói với Live Science.
Fournier cho biết tuổi của các cấu trúc hóa thạch trong nghiên cứu mới rất phù hợp với giới hạn của các lý thuyết hiện tại về thời điểm vi khuẩn lam có màng thylakoid xuất hiện.
Việc sử dụng kính hiển vi điện tử của các nhà nghiên cứu có khả năng mở đường cho việc phân tích lại các mẫu hóa thạch hiện có, cũ hơn bằng kỹ thuật hình ảnh tương tự để xác định chính xác thời điểm vi khuẩn lam tiến hóa màng thylakoid lần đầu tiên.
Fournier cho biết: “Chúng ta có khả năng có thể tính thời gian cho những đổi mới mang tính tiến hóa này và kết nối chúng với lịch sử của sinh quyển”.
