Liên đại Proterozoic (3,7 – 4 tỷ năm)

Liên đại Nguyên Sinh (Proterozoic) – khoảng thời gian chiếm tới gần một nửa biên niên sử của Trái Đất, tức là từ ​​2,5 tỷ năm trước đến 542 triệu năm trước, là một thời kỳ đầy rẫy những sự kiện tương phản vô cùng rõ rệt. Khoảng 500 triệu năm đầu tiên đã chứng kiến ​​sự bùng nổ mạnh mẽ của các sinh vật quang hợp và sự gia tăng liên tục của oxy trong bầu khí quyển, làm lắng đọng các dải sắt khổng lồ và tạo nên các tế bào đầu tiên – tổ tiên của tất cả các loài thực vật và động vật ngày nay.

Sau đó, 1 tỷ năm nhàm chán là một khoảng thời gian trầm lắng hơn và cũng rất nặng mùi. Và rồi, 300 triệu năm cuối cùng có lẽ là khoảng thời gian “sôi động” nhất với sự phân tách và hợp nhất của các lục địa, những biến đổi mạnh mẽ trong nền khí hậu, những chuyển biến lớn trong thành phần hóa học của các đại dương và bầu khí quyển cũng như sự trỗi dậy của các dạng sống mới.

Nhìn chung thì từ lúc “chào đời” cho đến thời điểm này, Trái Đất mang theo trong mình rất nhiều những mối liên hệ rất chằng chịt và vô cùng phức tạp, thậm chí còn xuất hiện những mối liên hệ rất đáng ngạc nhiên và không thể ngờ tới thông qua các vòng phản hồi tích cực và tiêu cực. 

Đầu tiên, Trái Đất có thể sử dụng rất nhiều các vòng phản hồi tiêu cực khác nhau để giúp cho hành tinh có thể tự ổn định các điều kiện bên trong môi trường gần bề mặt, chẳng hạn như nhiệt độ hay độ ẩm. Ví dụ, đại dương ấm lên sẽ dẫn đến nhiều mây hơn, phản chiếu ánh sáng mặt trời trở lại không gian và làm mát đại dương.

Tương tự, sự gia tăng nồng độ cacbon dioxit trong bầu khí quyển sẽ gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, làm tăng tốc quá trình phong hóa đá – một quá trình dần dần tiêu thụ lượng cacbon dioxit dư thừa và dẫn đến quá trình làm giảm nhiệt độ của hành tinh.

Thế nhưng, đôi khi, mọi thứ cũng có thể bị mất kiểm soát và bắt đầu trượt khỏi tầm tay: Trái Đất cũng có thể xuất hiện các vòng phản hồi tích cực mang theo những hậu quả vô cùng tàn khốc. Một ví dụ điển hình nhất chính là tình trạng biến đổi khí hậu ngày nay. Chẳng hạn, mực nước biển dâng cao sẽ dẫn đến lũ lụt ở vùng ven biển, điều này có thể làm thúc đẩy quá trình bốc hơi và gây ra mưa nhiều hơn, từ đó tiếp tục dẫn đến lũ lụt nhiều hơn.

Không dừng lại ở đây, đại dương ấm lên cũng có thể làm tan chảy băng trên diện rộng, từ đó giải phóng khí metan vào bầu khí quyển và làm gia tăng nhiệt độ toàn cầu, tiếp tục thúc đẩy quá trình giải phóng nhiều khí metan hơn nữa.

Và để chúng ta có thể dễ dàng “cảm nhận” được hậu quả của vòng phản hồi tích cực không thể kiểm soát này, chúng ta chỉ cần nhìn vào “người hàng xóm” bên cạnh, đó chính là Sao Kim – một hành tinh với bầu khí quyển chứa đầy cacbon dioxit và có nhiệt độ bề mặt lên đến gần 500^oC.

Và trong khoảng thời gian 1 tỷ năm nhàm chán, rất có thể đây chính là hệ quả của hàng tá các vòng phản hồi tiêu cực đã hoạt động cùng nhau để kìm hãm sự thay đổi. Bất chấp những cuộc “đại di cư” trên toàn cầu của các vùng đất rộng lớn cũng như các chu kỳ hợp nhất và tan rã của hàng tá các siêu lục địa trong khoảng thời gian đó, khí hậu trên Trái đất dường như lại tương đối ổn định: Không có kỷ băng hà nào; thành phần hóa học của đại dương thiếu oxy và giàu lưu huỳnh cũng không có gì thay đổi nhiều; sự sống cũng không có bất kỳ sự tiến hóa nào đáng chú ý nào giúp “thay đổi cuộc chơi” trên Trái Đất.

Nhưng tất cả những điều kiện này không thể kéo dài được lâu.

1. Sự tan rã của Rodinia

Trái ngược hoàn toàn với giai đoạn “huyền bí” của Trái Đất từ ​​1,85 tỷ đến 850 triệu năm trước, vài trăm triệu năm tiếp theo đã chứng kiến ​​hàng loạt những biến động rất nhanh chóng và cực đoan trong biên niên sử hành tinh chúng ta. Khoảng 850 triệu năm trước, hầu hết tất cả các lục địa trên Trái Đất vẫn đang được tập trung ở gần khu vực xích đạo để tạo thành siêu lục địa Rodinia khô cằn và hoàn toàn không có sự sống, cùng với đó là đại dương Mirovia vô cùng rộng lớn – được điểm xuyết bởi một vài vành đai núi lửa lẻ tẻ – đã bao quanh siêu lục địa trơ trụi này. Và chính sự mất cân bằng giữa đất liền và đại dương của Trái Đất lúc này đã không được định sẵn để chúng có thể tồn tại mãi mãi.

Xuyên suốt chiều dài lịch sử Trái Đất, khí hậu của toàn bộ hành tinh phần lớn được điều hòa bởi các vòng phản hồi tiêu cực. Chắc chắn là nền khí hậu đã liên tục biến đổi, nhưng những biến động này hiếm khi đạt đến mức cực đoan. Tuy nhiên, bắt đầu từ khoảng 850 triệu năm trước, một số thay đổi đã phá vỡ trạng thái cân bằng trước đó và đẩy hành tinh đi đến “điểm bùng phát” khí hậu. 

Một trong những biến đổi quan trọng nhất chính là sự tan rã của Rodinia. Vết nứt đầu tiên cách đây 850 triệu năm đã được tạo ra khi nền lục địa Congo và Kalahari (nay là một phần của miền nam châu Phi) bắt đầu tách ra. Khoảng 800 triệu năm trước, một vết nứt thứ hai đã cô lập nền lục địa Tây Phi và di chuyển về phía nam khỏi Rodinia. 

Và rồi, sự tan rã của Rodinia diễn ra một cách vô cùng mạnh mẽ vào khoảng 750 triệu năm trước: Siêu lục địa này bị tách làm đôi khi một vùng đứt gãy chạy theo hướng Bắc – Nam đã chia tách Ur ở phía tây và cụm lục địa Laurentia, Baltica, Amazonia ở phía đông.

Dọc theo đường đứt gãy, hàng nghìn km đường bờ biển mới đã được hình thành, cùng với đó là những đợt xói mòn bờ biển nhanh chóng. Các lưu vực trầm tích bắt đầu được tích tụ với số lượng lớn bên trong các vùng biển nằm giữa các nền lục địa, đánh dấu sự kết thúc của “khoảng lặng” dài trong lịch sử địa chất của Trái Đất. 

Lúc này, sự sống cũng đã phát triển rất nhanh trong một thế giới đang không ngừng biến đổi này. Vùng đất bị xói mòn đã cung cấp một lượng lớn khoáng chất giúp cho tảo quang hợp, vốn dĩ đã bị hạn chế bởi “nguồn cung” ít ỏi đến từ đại dương, chẳng hạn như phốt phát, molypden, mangan và các nguyên tố thiết yếu khác.

Trong khoảng thời gian này, lượng oxy trong bầu khí quyển “chạm nóc” phần lớn là do sự bùng phát mạnh mẽ của tảo ở vùng ven biển, tức là sự gia tăng của sinh khối tảo. Khi các loài sinh vật này chết đi, một lượng lớn cacbon hữu cơ sẽ bị chôn vùi. Và trong suốt chiều dài lịch sử của Trái Đất, sinh khối giàu cacbon thường tiêu thụ rất nhiều oxy: Sinh khối phân hủy càng nhiều, oxy càng được tiêu thụ với tốc độ ngày một nhanh. Nhưng làm thế nào để chúng ta có thể biết rằng liệu sinh khối đã bị chôn vùi hay chưa? Hóa ra, đá vôi – một loại khoáng chất giàu cacbon nằm lăn lóc trên đáy đại dương nông – đã lưu giữ rất nhiều các thông tin có giá trị.

Các đồng vị cacbon xuất hiện bên trong đá vôi thường cho chúng ta biết được khá nhiều điều thú vị. Chẳng hạn, trong quá trình quang hợp, các loài sinh vật sẽ luôn sử dụng ¹²C (do nhẹ hơn ¹³C). Do đó, số lượng cacbon “đồng vị nhẹ” (¹²C) bên trong sinh khối (ví dụ như tảo, dù còn sống hay đã chết) sẽ là nhiều hơn so với cacbon vô cơ của đá vôi. 

Trong các giai đoạn bình thường, khi vi sinh vật phát triển rất mạnh, cacbon “đồng vị nhẹ” (¹²C) sẽ bị hút ra khỏi đại dương và đá vôi sẽ mang trong mình rất nhiều cacbon “đồng vị nặng” (¹³C). Và vào những thời điểm khi sinh khối bị chôn vùi nhanh một cách bất thường, lượng cacbon đồng vị “nặng” (¹³C) này sẽ làm cho khối lượng của đá vôi nặng hơn rất nhiều so với mức bình thường. 

Khoảng từ 790 đến 740 triệu năm trước, những dải đá vôi đã được lắng đọng dọc theo bờ biển Rodinia có khối lượng lớn một cách bất thường. Trong khoảng thời gian đó, tảo hẳn đã lan rộng và đã bị chôn vùi với tốc độ chưa từng có. Sự bùng nổ mạnh mẽ này rất có thể đã gây ra những tác động đáng kể đến nền khí hậu trên Trái Đất. 

Để có thể quang hợp, các loài vi sinh vật sẽ tiêu thụ cacbon dioxit, loại khí liên tục được bơm vào bầu khí quyển bởi các miệng núi lửa. Trong thời kỳ bình thường, lượng CO₂ đầu vào và đầu ra được cân bằng, do đó nồng độ trong bầu khí quyển vẫn tương đối ổn định. Tuy nhiên, trong các đợt bùng phát nhanh chóng của sự sống trên bề mặt, nồng độ cacbon dioxit có thể đã giảm xuống, từ đó làm suy yếu hiệu ứng nhà kính và cắt giảm nền nhiệt trên toàn cầu.

Một vòng phản hồi khác có liên quan đến cacbon dioxit đó chính là sự tách giãn của lục địa Rodinia đã tạo ra hàng ngàn km núi lửa “mới toanh” dưới đáy biển, hình thành nên lớp vỏ đại dương nóng và có mật độ tương đối thấp. Và lớp vỏ này sẽ làm cho mực nước biển trung bình dâng cao, từ đó tiếp tục tạo ra rất nhiều các vùng biển nội địa, thúc đẩy sự bốc hơi, làm gia tăng lượng mưa và dẫn đến sự phong hóa nhanh chóng của đá lộ thiên. Và quá trình phong hóa này sẽ nhanh chóng tiêu thụ một lượng lớn cacbon dioxit, từ đó tiếp tục đẩy nhanh quá trình lạnh đi trên toàn cầu.

Vị trí đặc biệt của siêu lục địa Rodinia và đại dương Mirovia ngay trước và trong quá trình phân tách có thể đã đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thay đổi khí hậu toàn cầu. Đại dương và đất liền có sự khác biệt rất rõ rệt về suất phản xạ – tức là khả năng phản chiếu hoặc hấp thụ ánh sáng Mặt Trời. Đại dương tối hơn có suất phản xạ thấp – chúng sẽ hấp thụ hầu hết năng lượng đến từ Mặt Trời và trở nên ấm áp hơn. Ngược lại, một siêu lục địa khô cằn và hoang vắng như Rodinia sẽ phản xạ phần lớn ánh sáng Mặt Trời trở lại không gian.

Tại thời điểm này trong lịch sử của Trái Đất, sự kết hợp giữa đại dương ở hai cực và một lục địa “to chà bá” ở khu vực xích đạo sẽ tiếp tục làm trầm trọng hơn nữa quá trình lạnh đi trên toàn cầu. Đó là bởi khu vực xích đạo của Trái Đất nhận được nhiều năng lượng Mặt Trời hơn so với hai cực – nơi mà Rodinia, một lục địa khổng lồ đã chiếm trọn khu vực xích đạo, đã phản xạ gần như toàn bộ số năng lượng này. 

Như vậy, sau một thời gian dài tương đối ổn định, Trái Đất đã sẵn sàng cho những thay đổi lớn.

2. Trái Đất – Một quả cầu tuyết

Khoảng 750 triệu năm trước, Trái Đất đã bước vào một thời kỳ bất ổn chưa từng có. Tất cả đã bắt đầu bằng một kỷ băng hà vô cùng khắc nghiệt. Tại sao chúng ta lại có thể biết được điều này?

Các sông băng đã “ghi lại” các sự kiện này một cách rất rõ ràng. Tại đây, bằng chứng quan trọng nhất chính là các lớp trầm tích có tên là tillite – một mớ hỗn độn bao gồm các hạt thạch anh, feldspar góc cạnh trộn lẫn với bột đá mịn – là dấu hiệu chính cho chúng ta biết rằng, Trái Đất đã trải qua một thời kỳ băng hà trong quá khứ.

Các nhà địa chất học trên khắp thế giới đã phát hiện ra những dấu hiệu này trong các loại đá có niên đại từ 740 đến 580 triệu năm tuổi ở gần như là mọi nơi trên Trái Đất – từ vùng cực cho đến vùng xích đạo. Dựa vào các quan sát thực địa về một chuỗi đá đến từ Bờ biển Skeleton của Namibia, người ta đã nhận thấy các lớp trầm tích băng hà dày nằm cạnh nhau. Cùng với đó, các tín hiệu địa từ đã cho thấy rằng, các sông băng đã xuất hiện ở gần khu vực xích đạo, ở khoảng vĩ độ 12. Và đây cũng không phải là các sông băng ở trên vùng núi cao – các trầm tích này được lắng đọng ở vùng nước nông ven biển. Khí hậu ở gần khu vực xích đạo hẳn là vô cùng lạnh giá.

Bên cạnh đó, các đồng vị cacbon đã cung cấp một bằng chứng không thể chối cãi cho sự thay đổi đột ngột và thảm khốc này.

Trong hàng triệu năm trước khi xảy ra sự kiện Trái Đất đóng băng lần đầu tiên, sự phát triển nhanh chóng của sinh khối tảo đã hút cạn lượng cacbon “đồng vị nhẹ” (¹²C) và đá vôi sẽ mang theo lượng cacbon “đồng vị nặng” còn lại (¹³C). Ngược lại, nếu các hoạt động của vi sinh vật chậm lại hoặc dừng lại, “đồng vị nhẹ” của cacbon bên trong đá vôi sẽ phải xuất hiện nhiều hơn. Và các nhà địa chất đã tìm thấy sự suy giảm hơn 1% lượng cacbon nặng, ngay trước và sau khi xuất hiện các trầm tích băng hà vào hơn 700 triệu năm trước.

Lúc này, các vòng phản hồi tích cực đã liên tục hỗ trợ lẫn nhau, mỗi vòng đã đẩy Trái Đất tiến dần đến trạng thái “hoá đá”. Nhờ sự bùng phát mạnh mẽ của tảo khi sử dụng quá trình quang hợp để tạo ra năng lượng, chúng đã hấp thụ rất nhiều CO₂. Và trong quá trình Trái Đất nguội dần, các chỏm băng bắt đầu hình thành và phát triển ở hai cực. Lớp băng trắng xoá này sau đó phản chiếu gần như toàn bộ ánh sáng Mặt Trời vào không gian, từ đó tiếp tục làm cho Trái Đất nguội đi ngày một nhanh hơn. Và ngay cả khi các tảng băng bắt đầu lan rộng đến các vĩ độ ngày càng thấp, khu vực xích đạo vẫn là tương đối ấm áp và hệ sinh thái tảo màu mỡ tiếp tục hút ngày càng nhiều CO₂ từ bầu trời. Lúc này, Trái Đất đã đạt đến “điểm bùng phát” và lớp băng từ cả hai cực mở rộng về phía xích đạo và bao quanh toàn bộ địa cầu.

Kỷ băng hà toàn cầu đã làm tê liệt hầu hết mọi hệ sinh thái trong hàng triệu năm. Sự sống trên Trái Đất gần như đã bị xóa sổ hoàn toàn. Một số loài vi sinh vật cứng cáp đã tồn tại bên cạnh các lỗ thông hơi thuỷ nhiệt ẩn sâu dưới đáy đại dương. Các quần thể tảo ít ỏi còn lại chắc hẳn đã tìm thấy trong các vùng băng mỏng nứt nẻ giúp tiếp nhận lượng ánh sáng ít ỏi đi qua khe này hoặc vùng nước nông ấm áp bên cạnh các vùng núi lửa.

Vậy thì làm thế nào mà Trái Đất có thể phục hồi sau một mùa đông toàn cầu tàn khốc và lạnh giá đến như vậy?

Câu trả lời đó chính là những hoạt động không ngừng nghỉ ở sâu bên trong hành tinh của chúng ta. Lớp băng tuyết trắng xóa không thể ngăn chặn các hoạt động kiến ​​tạo mảng hay làm chậm quá trình phun trào núi lửa đang nhô lên xuyên qua lớp băng. Cacbon dioxit, một loại khí chủ yếu được hình thành từ núi lửa, một lần nữa bắt đầu tích tụ trong bầu khí quyển, dần dần có nồng độ ngày càng cao, từ đó gây ra một vòng phản hồi tích cực mới – hiệu ứng nhà kính đã làm cho Trái Đất ấm dần lên.

Lúc này, những tảng băng nhỏ ở khu vực xích đạo đã tan chảy lần đầu tiên sau hàng triệu năm. Khi đất tối màu lộ ra, ánh sáng Mặt Trời sẽ được hấp thụ nhiều hơn và dần dần thúc đẩy toàn bộ nền nhiệt trên Trái Đất, dần dần đưa Trái Đất trở về quỹ đạo bình thường.

3. Một loại khí mới?

Ngày nay, rất nhiều các nhà khoa học đã nghi ngờ rằng, một phản hồi tích cực khác rất có thể đã làm trầm trọng thêm hiện tượng nóng lên toàn cầu. Từ lâu, khí metan (CH₄) đã được xem là đem lại hiệu quả lớn hơn nhiều so với cacbon dioxit trong việc giữ lại dòng năng lượng đến Mặt Trời.

Trong hàng tỷ năm, khí metan đã tích tụ rất nhiều trong các lớp trầm tích dưới đáy đại dương thông qua hai cơ chế. Cơ chế đầu tiên đó chính là các vi sinh vật giải phóng khí metan như một phần trong chu kỳ trao đổi chất bình thường của chúng. Những sinh vật này phát triển rất mạnh trong các lớp trầm tích đại dương thiếu oxy, từ đó tạo thành các mỏ khí tự nhiên khổng lồ đang được khai thác cho đến ngày nay. Cơ chế thứ hai (dù gây tranh cãi hơn) đó chính là một số nhà khoa học cho rằng, ở sâu bên trong lớp vỏ và tại lớp phủ trên, nơi có nhiệt độ và áp suất cực cao, nước và cacbon dioxit có thể phản ứng với các khoáng chất chứa sắt để tạo ra khí metan. 

Ngày nay, phần lớn lượng khí metan trên Trái Đất đang bị khoá chặt trong một hợp chất được gọi là clathrate metan (hay còn gọi là băng cháy) – một hỗn hợp tinh thể phức tạp thường tìm thấy bên dưới các lớp trầm tích trên đáy đại dương.

Lúc này, một vòng phản hồi tích cực sẽ có thể làm cho nước biển ấm lên, dù chỉ là một chút, sẽ khiến cho các khối trầm tích này tan chảy và giải phóng một lượng lớn khí metan vào bầu khí quyển, tạo ra hiệu ứng nhà kính và tiếp tục đẩy nhiệt độ bên trong đại dương lên cao hơn nữa, làm cho Trái Đất chuyển pha từ lạnh sang nóng chỉ trong vòng “một nốt nhạc”.

4. Một chu kỳ quá đỗi khắc nghiệt

Vào giai đoạn cuối của kỷ băng hà đầu tiên, cách đây khoảng 700 triệu năm trước, khí hậu trên Trái Đất đã bắt đầu đảo chiều. Sự gia tăng của cacbon dioxit đóng một vai trò vô cùng quan trọng – cùng với đó là quá trình giải phóng metan từ các tinh thể băng cháy đã tiếp tục củng cố xu hướng này. Chỉ trong một khoảnh khắc địa chất ngắn ngủi – có lẽ là chưa đến 1000 năm – khí hậu trên Trái Đất đã đột ngột thay đổi.

Trong một thời gian tương đối dài, có lẽ là khoảng 30 triệu năm, khí hậu ôn hoà và ấm áp hơn đã chiếm thế thượng phong, nhưng hiệu ứng nhà kính lại tiếp tục “bóp nghẹt” Trái Đất. Nồng độ cacbon dioxit trong khí quyển đang ở mức đỉnh lại dần dần giảm xuống do phản ứng với đá. Những vùng đất trơ trụi liên tục tiếp xúc với các trận mưa chứa axit cacbonic ăn mòn (hậu quả của nồng độ CO₂ cao trong bầu khí quyển), nhanh chóng bị phong hóa. Sự gia tăng trở lại của các loại khoáng chất, cùng với ánh sáng Mặt Trời, đã dẫn đến sự phát triển bùng nổ của tảo, tiêu thụ ngày càng nhiều cacbon dioxit (Tất cả những sự kiện này đều được lưu giữ rất đầy đủ bên trong “hồ sơ” đồng vị cacbon – tức là các loại đá)

Và cứ thế, trong vòng 150 triệu năm tiếp theo, Trái Đất liên tục di chuyển giữa hai thái cực này, không phải một lần, không phải hai lần, mà ít nhất là ba lần khí hậu toàn cầu đã dao động dữ dội đến như vậy. Kỷ băng hà đầu tiên được đặt tên là Sturtian, đạt đỉnh điểm khoảng 720 triệu năm trước. Kỷ băng hà Marinoan tiếp theo đạt đỉnh vào khoảng 650 triệu năm trước và kỷ băng hà Gaskiers ít khắc nghiệt hơn xảy ra vào khoảng 580 triệu năm trước.

Các lớp đá dày tích tụ ở hàng chục quốc gia khác nhau đã cho chúng ta hiểu rõ hơn về chu kỳ “điên loạn” này.

Khi băng tan, các sông băng để lại những tảng đá khổng lồ cùng với lớp đá vụn, đá lởm chởm và đá gốc tròn nhẵn. Ngay sau đó, các lớp trầm tích cacbonat dày đặc đã bao phủ lên trên – một dấu hiệu cho thấy các đại dương đã ấm lên, từ đó thúc đẩy quá trình hình thành cacbonat số lượng lớn bên trong các vùng biển bão hòa CO₂. Tại thời điểm này, Trái Đất đã mãi mãi từ bỏ trạng thái tẻ nhạt trong 1 tỷ năm nhàm chán đã qua của nó.

5. Thảm họa Oxy lần thứ hai?

Tất nhiên, các sinh vật sống không thể thờ ơ với những thay đổi cực đoan trên quy mô lớn như thế này. Trong vòng 3,5 tỷ năm qua, những thay đổi bên trong địa quyển đã có những ảnh hưởng vô cùng sâu sắc đối với sinh quyển. Khi Trái Đất dao động giữa hai thái cực nóng và lạnh, các bờ biển bị phong hóa đã cung cấp các “mỏ” chất dinh dưỡng rất cần thiết cho các hệ sinh thái ven biển, chẳng hạn như mangan – một nguyên liệu rất quan trọng trong quá trình quang hợp. Molypden – được sử dụng để xử lý nitơ; và sắt – được sử dụng trong rất nhiều các quá trình trao đổi chất khác nhau, cũng bắt đầu xuất hiện ngày một nhiều.

Nhưng trong tất cả các loại nguyên tố hóa học này, phốt pho có lẽ là một loại tài nguyên quan trọng nhất: Phốt pho giúp hình thành “bộ khung” của các phân tử di truyền như DNA và RNA; giúp ổn định màng tế bào cũng như tiến hành lưu trữ và chuyển hoá năng lượng hóa học bên trong mỗi tế bào này (và cũng được sử dụng trong hỗn hợp thuốc quẹt ở vỏ bao diêm)

Trong một số hệ sinh thái, mức độ phát triển của vi sinh vật có liên quan trực tiếp đến số lượng phốt pho có sẵn. Một số mỏ phốt phát lớn nhất trên thế giới – những lớp trầm tích được lắng đọng từ các tế bào giàu phốt pho đã chết và lắng đọng – phát triển rất mạnh cùng với khoảng thời gian diễn ra chu kỳ nóng và lạnh cực đoan. Sự phát triển mạnh mẽ của tảo do phốt pho – một loại chất dinh dưỡng hoàn toàn mới – đã đưa nồng độ oxy trong bầu khí quyển lên một tầm cao mới. Nhưng trớ trêu thay, khi những cụm tảo này chết đi, chúng sẽ lắng xuống đáy đại dương và phản ứng nhanh chóng với oxy trong các cột nước, khiến cho các vùng nước sâu trở về trạng thái “thâm hụt” oxy.

Vì vậy, sự hồi sinh của sự sống sau thời kỳ băng hà rất có thể đã cho ra một đại dương phân tầng với vùng nước giàu oxy gần bề mặt và vùng nước thiếu oxy ở sâu bên dưới. Quá trình này khá giống với hiện tượng tảo nở hoa do (quá nhiều) phốt pho, từ đó kích thích tảo phát triển, tạo thành các mảng màu xanh lá cây dày đặc, giải phóng độc tố và làm cạn kiệt oxy.

6. Phát kiến mới của sự sống

Như vậy, sự bùng phát của tảo, được hỗ trợ bởi phốt pho và hàng tá các loại chất dinh dưỡng khác, chắc chắn đã góp phần vào sự gia tăng đột biến của oxy trong bầu khí quyển. Lượng oxy này, đến lượt nó, được cho là có liên quan mật thiết đến sự trỗi dậy của những dạng sống đa bào phức tạp – một dạng sống có “phong cách” khá năng động và đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Thật vậy, những sinh vật đa bào sớm nhất đã bắt đầu xuất hiện trong các mẫu hóa thạch vào khoảng 630 triệu năm trước, ngay sau kỷ băng hà Marinoan.

Để có thể hiểu rõ hơn về “cuộc cách mạng” này, trước tiên, chúng ta phải quay về thời điểm trước 1 tỷ năm nhàm chán. Các bằng chứng hóa thạch thưa thớt đã cho thấy sự xuất hiện của một dạng sống đơn bào hoàn toàn mới.

Trước thời điểm đó, tất cả các tế bào dường như đã sống một cách tách biệt (dù vẫn có sự phụ thuộc lẫn nhau). Nhưng rồi, vào khoảng 2 tỷ năm trước, theo Lynn Margulis – nhà sinh vật học tiến hoá người Mỹ, một tế bào chủ đã nuốt chửng hoàn toàn một tế bào con. Nhưng thay vì tiêu hóa, hai tế bào này đã thiết lập một mối quan hệ cộng sinh, từ đó đã mãi mãi thay đổi tiến trình phát triển của sự sống trên Trái Đất.

Thực vật, động vật và nấm ngày nay bao gồm các tế bào với rất nhiều bào quan ở bên trong – quan trọng nhất đó chính là ty thể – đóng vai trò giống như những “nhà máy” chuyển hóa chất dinh dưỡng thành năng lượng cho các loài động vật (được gọi là hô hấp tế bào); và lục lạp – các nhà máy giúp chuyển hoá năng lượng Mặt Trời thành năng lượng hoá học bên trong các loài thực vật (được gọi là quang hợp)

Đặc điểm chung của những bào quan này (và các bào quan khác) là chúng có màng tế bào riêng và trong một số trường hợp, có cả DNA riêng. Margulis đề xuất rằng mỗi bào quan này đã tiến hóa từ các tế bào đơn giản hơn trước đó, bị nuốt chửng và tiếp tục tiến hoá để thực hiện các nhiệm vụ sinh hóa ngày càng chuyên biệt. Theo dự đoán tốt nhất của chúng ta, quá trình chuyển đổi này bắt đầu xảy ra từ khoảng 2 tỷ năm trước và tạo tiền đề cho sự phát triển của các dạng sống đa bào phức tạp hơn.

Vào Đại Tân Nguyên Sinh (Neoproterozoic), các tế bào phức tạp đã được hình thành và đã sẵn sàng tiến lên một tầm cao mới. Lúc này, các sinh vật đơn bào đã học được cách hợp tác, chuyên môn hóa và phát triển giống như một tổ chức. Chúng đã học được cách để trở thành động vật.

Bằng chứng hóa thạch sớm nhất về một hệ sinh thái do động vật thống trị đến từ Kỷ Ediacaran – giai đoạn cuối của Đại Tân Nguyên Sinh, bắt đầu từ khoảng 635 triệu năm trước, ngay sau kỷ băng hà Marinoan. Những mẫu hóa thạch này đến từ các tảng đá 580 triệu năm tuổi ở Ediacara, miền nam Australia.

Những loài động vật thân mềm này, rất có thể là tổ tiên của sứa và giun, có hình dáng giống như những chiếc bánh kếp có hoạ tiết khá kỳ lạ. Những mẫu hóa thạch tương tự sau đó cũng đã được tìm thấy trên khắp thế giới trong các lớp đá có niên đại từ khoảng 610 đến 545 triệu năm, đáng chú ý nhất là địa tầng Doushantuo giàu phốt phát 633 triệu năm tuổi ở miền nam Trung Quốc chứa các cụm tế bào siêu nhỏ được diễn giải là trứng và phôi của động vật. Những cấu trúc này, phát triển trong vùng biển nông ngay sau kỷ băng hà Marinoan, có cấu trúc giống hệt phôi động vật hiện đại về mọi mặt.

Với những phát kiến sinh học mới mẻ này, chẳng mấy chốc Trái Đất đã có cho mình rất nhiều điều mới lạ – các sinh vật bơi lội, đào hang, bò và bay – một khung cảnh chưa từng có trong tiền lệ. Với sự xuất hiện của bầu khí quyển giàu oxy cách đây 650 triệu năm, lần đầu tiên trong lịch sử dài đằng đẵng của Trái Đất, chúng ta có thể đứng trên các vùng đất cổ đại và hít một hơi thật sâu mà không phải chết trong đau đớn, đồng thời tránh được liều lượng bức xạ tia cực tím chết chóc.

Dẫu vậy, mặc dù có thể nói rằng chu kỳ nóng lạnh cực đoan đã đóng một vai trò rất quan trọng trong sự tiến hóa của sinh quyển và mở ra những cơ hội mới cho quá trình tiến hóa của sự sống, thì với mỗi giai đoạn khí hậu đảo chiều, hầu hết các loài sinh vật đều bị đẩy tới bờ vực của cái chết. Trái Đất quả nhiên là một môi trường khắc nghiệt và đau đớn đối với sự sống.