Ảnh: Pixabay.

Mỗi năm có khoảng 1024 tế bào vi khuẩn bay vào không khí từ những đám cháy rừng, bão bụi, sóng biển và bão nhiệt đới, với tổng khối lượng ước tính lên tới hơn 100.000 tấn. Một số lượng tương đương bào tử nấm cũng phát tán vào bầu khí quyển, với khối lượng khoảng 50 triệu tấn do chúng có kích thước lớn hơn.

Hệ sinh thái khí quyển là một vương quốc kỳ lạ, nơi mà mọi cư dân chỉ là những vị khách tạm thời. Một con bọ chét có thể nhảy lên không trung trong một giây, tảo cát trôi theo gió trong nhiều ngày trước khi rơi xuống đại dương, và một con chim én có thể bay liên tục trong mười tháng trước khi hạ cánh để xây tổ. Nhưng dù sớm hay muộn, tất cả đều quay trở lại mặt đất.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Frontiers in Microbiology vào tháng 5/2023, các nhà khoa học tại Đại học Clermont Auvergne (Pháp) ước tính mỗi mét vuông trên mặt đất có thể tiếp nhận khoảng 100 triệu vi khuẩn từ khí quyển rơi xuống trong mỗi giờ mưa rào.

Trên Trái đất, vi khuẩn có thể bay lên những độ cao đáng kinh ngạc. Các nhà khoa học đã phát hiện chúng trong tầng bình lưu, thậm chí cả tầng trung lưu - lớp khí quyển từng được cho là quá khắc nghiệt để vi sinh vật tồn tại. Dù phải đối mặt với bức xạ mạnh từ Mặt trời và tia vũ trụ, một số vi khuẩn vẫn sống sót nhờ khả năng tự sửa chữa DNA hoặc ẩn náu trên các hạt bụi.

Mặc dù hệ sinh thái khí quyển liên tục thay đổi, các nhà khoa học hiện nay đã công nhận nó là một khu vực sống riêng biệt, có những quy luật sinh thái riêng và ảnh hưởng mạnh mẽ đến hành tinh bên dưới.

Một trong những địa điểm lý tưởng để nghiên cứu sự sống trôi nổi trong không khí là đỉnh núi Puy de Dôme ở Pháp. Kể từ năm 2003, nhà khoa học Pierre Amato và các đồng nghiệp tại Đại học Clermont Auvergne đã thường xuyên leo lên đỉnh núi để thu thập mẫu vật từ những đám mây. Giữa màn sương trắng xóa bao quanh, ông mở những ống kim loại vô trùng để lấy hơi nước, sau đó mang xuống núi và phân tích trong phòng thí nghiệm.

Khi nghiên cứu các giọt nước, Amato phát hiện chúng chứa vi sinh vật. Ông đếm số lượng vi sinh vật, nhận diện các loại protein do chúng tạo ra trong không khí, cũng như giải trình tự DNA để xác định loài. Kết quả phân tích DNA cho thấy một số vi sinh vật thuộc các loài quen thuộc, nhưng nhiều loài hoàn toàn mới đối với giới khoa học.

Amato ước tính mỗi thìa sương mù trôi qua đỉnh núi Puy de Dôme chứa hàng nghìn vi sinh vật. Dù nhiều vi khuẩn đã chết, một số vẫn còn sống, tiếp tục sản sinh protein mới, phân hủy protein cũ, thậm chí phát triển và sinh sản ngay trong mây.

“Trong tự nhiên, mây là một môi trường mở, cho phép vi khuẩn, bụi và hóa chất từ nhiều nguồn khác nhau bay vào mà không bị ngăn cản”, Amato nhận định. “Tuy nhiên, không phải vi khuẩn nào cũng thích nghi được với điều kiện sống khắc nghiệt trong mây, chẳng hạn như nhiệt độ lạnh, bức xạ cao và dinh dưỡng hạn chế. Chỉ một số vi khuẩn có thể phát triển mạnh do chúng có khả năng tận dụng nguồn thức ăn sẵn có trong khí quyển”.

Mọi sinh vật trên Trái đất đều tạo ra một phân tử mang năng lượng gọi là ATP (adenosine triphosphate). Trong quá trình các vi sinh vật bay lên cao hàng nghìn mét, chúng tiêu hao hết năng lượng đã tích trữ trước chuyến bay.

Tuy nhiên, Amato phát hiện vi khuẩn trong mây vẫn có nguồn cung ATP dồi dào – nghĩa là chúng đang tự sản xuất năng lượng ngay cả khi lơ lửng trong không khí. Các giọt nước trong đám mây chứa nhiều phân tử khác nhau và một số vi khuẩn có thể sử dụng chúng để phát triển. Nói cách khác, vi khuẩn ăn mây. Trên toàn cầu, vi khuẩn trong mây phân hủy khoảng một triệu tấn carbon hữu cơ mỗi năm.

Những phát hiện này cho thấy hệ vi sinh vật trong không khí ảnh hưởng mạnh mẽ đến thành phần hóa học của bầu khí quyển. Thậm chí, nó còn tác động đến thời tiết.

Khi một đám mây hình thành, các luồng không khí chứa đầy hơi nước bay lên đến độ cao đủ lạnh để biến nước thành băng. Những tinh thể băng sau đó rơi xuống. Nếu không khí ở gần mặt đất có nhiệt độ lạnh, băng rơi xuống dưới dạng tuyết. Nếu không khí ấm hơn, chúng tan ra và trở thành mưa.

Tuy nhiên, quá trình hình thành băng trong một đám mây lạnh không hề dễ dàng. Ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với ngưỡng đóng băng, các phân tử nước vẫn có thể duy trì ở trạng thái lỏng. Để chúng đóng băng, cần có một hạt nhân ngưng tụ để khởi động quá trình. Khi các phân tử nước bám vào bề mặt hạt nhân này, chúng liên kết với nhau. Các phân tử nước khác tiếp tục hợp nhất và tạo thành cấu trúc tinh thể băng.

Những dạng sống trôi nổi trong mây bao gồm nấm, tảo, phấn hoa, địa y, côn trùng, vi khuẩn và virus chính là những hạt nhân ngưng tụ, có khả năng thúc đẩy nước đóng băng rất hiệu quả. Chúng góp phần tạo ra phần lớn lượng mưa và tuyết rơi xuống Trái đất.

Một trong những vi sinh vật tạo mưa tốt nhất là vi khuẩn Pseudomonas. Các nhà khoa học chưa thể xác định chính xác lý do khiến vi khuẩn này tạo ra băng trong mây một cách hiệu quả, nhưng quá trình phát triển của chúng trên lá cây có thể liên quan đến điều đó. Khi mưa lạnh rơi xuống, vi khuẩn Pseudomonas tác động đến nước lỏng, khiến nước chuyển thành băng. Lớp băng nứt ra làm rách lá, tạo điều kiện cho vi khuẩn ăn các chất dinh dưỡng bên trong lá.

Một số nhà khoa học thậm chí suy đoán rằng cây cối chủ động thu hút vi khuẩn như Pseudomonas, dù chúng gây hại. Khi gió thổi, vi khuẩn rời khỏi cây và bay lên không trung, dần tích tụ trong các đám mây. Những đám mây chứa Pseudomonas tạo ra nhiều mưa hơn cho cây cối bên dưới. Nhờ nước mưa, cây phát triển thêm lá, và những chiếc lá này tiếp tục nuôi dưỡng nhiều vi khuẩn Pseudomonas hơn. Vi khuẩn này tiếp tục bay lên cao, kích thích mây tạo ra mưa để nuôi dưỡng sự sống bên dưới, tạo thành một vòng tuần hoàn khép kín. Như vậy mây và sự sống có sự gắn kết chặt chẽ với nhau.

Nghiên cứu về sự sống trong các đám mây cũng mở ra khả năng về sự tồn tại của vi sinh vật trên các hành tinh khác – kể cả những hành tinh tưởng chừng không thể duy trì sự sống. Ví dụ, nhiệt độ bề mặt sao Kim nóng đến mức có thể làm tan chảy chì. Tuy nhiên, các đám mây bao phủ sao Kim lại mát hơn nhiều, và ở độ cao khoảng 48 km, nhiệt độ và áp suất của chúng tương tự như các đám mây trên Trái đất.

Sara Seager, nhà sinh vật học vũ trụ tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), đề xuất giả thuyết cho rằng sự sống có thể đã xuất hiện trên bề mặt sao Kim từ rất sớm, khi hành tinh này còn mát mẻ và ẩm ướt. Trong quá trình sao Kim nóng dần lên, một số vi khuẩn đã tìm nơi trú ẩn trong các đám mây. Thay vì rơi trở lại mặt đất, chúng đã trôi nổi trong khí quyển, di chuyển theo các dòng không khí trong suốt hàng triệu năm.