Các giai đoạn lịch sử phát triển trái đất: Arkei (Liên nguyên đại – Liên giới)

Giai đoạn lịch sử địa chất rất lâu dài từ khi có những đá trầm tích đầu tiên cho đến sát trước Cambri gồm hai Liên nguyên đại là Arkei và Proterozoi, dài đến khoảng 3,2 tỷ năm. Do sự hiểu biết về giai đoạn lịch sử này còn ít nên hai liên nguyên đại này thường được ghép thành một vĩ kỳ lớn trong lịch sử địa chất với tên gọi chung là Tiền Cambri. Nhờ những kết quả nghiên cứu ngày càng phong phú, nên hiện nay các nhà địa chất cũng đã biết được nhiều sự kiện địa chất đã xẩy ra trong Arkei và Proterozoi, do đó địa tầng của Arkei và Proterozoi cũng được phân chia chi tiết hơn trước đây. Trên thế giới đá Tiền Cambri biến chất cao và uốn nếp phức tạp lộ ra ở nhiều nơi, nhưng lộ rõ nhất ở những khiên và nhân các địa khối ở Bắc Mỹ và ở phía đông của bán đảo Scandinavia (Bắc Âu) và ở Châu Phi H. 1. Thuở ban đầu của Arkei, thành phần của khí quyển gồm chủ yếu là dioxyt carbon và hơi nước, không có hoặc có rất ít oxy; điều kiện môi trường như vậy không thể thích hợp cho sự sống của bất kỳ loại sinh vật nào. Không có tầng ozon bao quanh Trái Đất nên không có gì ngăn cản tia cực tím nguy hiểm xâm nhập Trái Đất, cũng không có gì ngăn cản bớt sự lao bắn (impact) liên tục do các Sao Chổi gây nên. Khi đó, ngày đêm chắc chắn ngắn, theo tính toán thì thời gian Trái Đất quay quanh trục chỉ khoảng 10 giờ. Sinh vật sơ đẳng nhất có lẽ đã xuất hiện từ nửa đầu Arkei khoảng 3,5 tỷ năm trước đây, dấu vết của Tảo lục đã được phát hiện trong đá có tuổi khoảng 3 tỷ năm. Từ nửa sau của Arkei do hoạt động quang hợp của Tảo lục nên lượng oxy trong khí quyển đã tăng nhanh chóng và oxy do Tảo lục tạo ra đã thúc đẩy thêm sự phát triển của sinh giới.

9

Arkei (Liên nguyên đại – Liên giới)

Tống Duy Thanh Khoa Địa chất

Trường ĐHKHTN (Đại học Quốc gia Hà Nội)

334 Nguyễn Trãi Thanh Xuân Hà Nội

1 Giới thiệu

Giai đoạn lịch sử địa chất rất lâu dài từ khi có những đá trầm tìch đầu tiên cho đến sát trước Cambri gồm hai Liên nguyên đại là Arkei và Proterozoi, dài đến khoảng 3,2 tỷ năm Do sự hiểu biết về giai đoạn lịch sử này còn ìt nên hai liên nguyên đại này thường được ghép thành một vĩ

kỳ lớn trong lịch sử địa chất với tên gọi chung là Tiền Cambri Nhờ những kết quả nghiên cứu ngày càng phong phú, nên hiện nay các nhà địa chất cũng đã biết được nhiều sự kiện địa chất đã xẩy ra trong Arkei và Proterozoi, do đó địa tầng của Arkei và Proterozoi cũng được phân chia chi tiết hơn trước đây

Trên thế giới đá Tiền Cambri biến chất cao và uốn nếp phức tạp lộ ra ở nhiều nơi, nhưng lộ rõ nhất ở những khiên và nhân các địa khối ở Bắc Mỹ và ở phìa đông của bán đảo Scandinavia (Bắc Âu) và ở Châu Phi [H 1]

Thuở ban đầu của Arkei, thành phần của khì

quyển gồm chủ yếu là dioxyt carbon và hơi nước,

không có hoặc có rất ìt oxy; điều kiện môi trường

như vậy không thể thìch hợp cho sự sống của bất

kỳ loại sinh vật nào Không có tầng ozon bao

quanh Trái Đất nên không có gí ngăn cản tia cực

tìm nguy hiểm xâm nhập Trái Đất, cũng không có

gí ngăn cản bớt sự lao bắn (impact) liên tục do

các Sao Chổi gây nên Khi đó, ngày đêm chắc

chắn ngắn, theo tình toán thí thời gian Trái Đất

quay quanh trục chỉ khoảng 10 giờ

Sinh vật sơ đẳng nhất có lẽ đã xuất hiện từ nửa đầu Arkei khoảng 3,5 tỷ năm trước đây, dấu vết của Tảo lục đã được phát hiện trong đá có tuổi khoảng 3 tỷ năm Từ nửa sau của Arkei do hoạt động quang hợp của Tảo lục nên lượng oxy trong khì quyển đã tăng nhanh chóng và oxy do Tảo lục tạo ra đã thúc đẩy thêm sự phát triển của sinh giới

2 Các tổ hợp đá Arkei

Hai loại đá Arkei chủ yếu của các khiên là các phức hệ đá lục và các phức hệ đá granit - gneis, nhưng phổ biến nhất là các phức hệ granit - gneis Chúng phân bố trên những diện tìch khá lớn và là nhân của cấu trúc khiên

2.1 Các đai đá lục

Một đai đá lục điển hính gồm ba phần: phần dưới và giữa gồm chủ yếu là đá biến chất có nguồn

từ đá núi lửa, còn phần bên trên là đá nguồn trầm tìch Có nhiều đá nguồn gốc dung nham siêu

maf-ic là loại rất ìt gặp trong phun trào trẻ hơn Arkei Thành phần trầm tìch có tỷ lệ nhỏ trong phần dưới và tăng dần lên phần trên, trong đó phổ biến nhất là grauvac và argillit Sự có mặt của lớp

Hình 1 Phân bố đá Tiền Cambri trên thế giới 1 Chưa có tài

liệu về đá Tiền Cambri 2 Đá Tiền Cambri bị phủ 3 Nơi lộ đá Tiền Cambri

10

Hình 3 Sơ đồ phân bố granit - đá lục Arkei ở

Nam Canada: Các đai đá phiến lục dạng kéo dài xen với xâm nhập granit (Condie K.C & Sloan R.E 1998)

Hình 2 Hình thành lớp phân cấp hạt do dòng chảy rối

Hình trên: Dòng chảy rối xuất hiện ở sườn lục địa và chuyển dịch xuống chân sườn lục địa và đáy biển Hình dưới:

lớp phân cấp hạt (Wicander R & Monroe J S 1993)

phân cấp hạt và phân lớp chéo chứng tỏ loạt grauvac-argillit được thành tạo trong điều kiện dòng chảy rối (turbidit) [H 2]

Chúng thường bị uốn nếp phức tạp, phổ biến

là các phức nếp lõm, bị đá xâm nhập granit

xuyên cắt và bị đứt gãy phức tạp Đá của đai đá

lục thường có dạng kéo dài là do xâm nhập

gra-nitoid bao quanh chúng [H 3]

2.2 Tổ hợp granitoid - đá lục

Các dãy đá lục được phân làm hai nhóm; 1)

Trong đá lục Arkei sớm rất phong phú đá silic và

trầm tìch - núi lửa phun trào Những đá nguồn

trầm tìch khoảng 3,5 tỷ năm tuổi, có thể có cuội

kết, có lẽ được thành tạo trong điều kiện trầm tìch

nước nông Chúng cũng phản ảnh điều kiện Trái

Đất nóng hơn, thể hiện qua dung nham siêu mafic

giàu magnesi, gọi là komatiit Trầm tìch vụn chủ

yếu có nguồn từ núi lửa và có lẽ chúng được thành

tạo trong điều kiện gần bờ Về sau đá lục Arkei

hính như được hính thành trên đỉnh hoặc gần vỏ granit

cổ hơn; sự có mặt của quan hệ bất chỉnh hợp, hoặc cuội

kết với cuội granitoid trong dãy đá lục nói lên điều này

2) Trong dãy đá Arkei muộn bên cạnh đá trầm tìch

trong đó chủ yếu là grauvac turbidit cũng xuất hiện

an-desit, thể hiện điều kiện nước sâu của môi trường kiến

tạo tìch cực Trong dãy đá Arkei muộn cũng chứa di

tìch của sự sống nguyên thủy là Tảo lục và các loại vi

khuẩn khác Khì quyển trong thời gian này còn rất

mỏng, gồm chủ yếu là dioxyt carbon và hơi nước, tạo

nên hiệu ứng nhà kình giữ độ ấm cho bề mặt Trái Đất

Núi lửa của Arkei muộn cũng tiếp tục phát triển và

nhiều trường hợp nổi trên mực nước biển, do đó trầm

tìch vụn núi lửa trở nên phong phú hơn

2.3 Tổ hợp đá của nền

Sự nâng trồi, bào mòn và ổn định hóa của vỏ lục địa để tạo thành các nguyên nền (protoplat-form) tuổi Arkei gồm loạt đá biến chất cao, có khi dày tới 18 km, như ở Nam Phi Đá chủ yếu của nguyên nền có nguồn gốc trầm tìch, chỉ ở phần trên của loạt đá này có thành phần basalt tholeiit

và tuf, cuội kết quarzit xen với dacit, ryolit, tuf và dung nham andesit Tuổi của loạt đá này được xác định là 2,7-3,06 tỷ năm

3 Bối cảnh kiến tạo Arkei

Từ đầu Arkei một số nhân của các nền hay nguyên nền đã được hính thành [H 6], chúng hoạt động theo cơ chế mở và đóng của các đại dương Cơ chế này thể hiện rõ nét hơn trong Pro-terozoi sớm cách nay 2 tỷ năm

11

Hình 5 Bối cảnh kiến tạo Arkei (Condie & Sloan 1998)

Hình 4 Sản phẩm nhiệt do hoạt động phóng xạ từ Arkei đến

ngày nay (Wicander R J & Monroe S 1993)

Nhiệt lượng nguồn gốc phóng xạ của Trái

Đất giảm dần theo thời gian [H 4] Tình toán

cho thấy nhiệt lượng của 4 tỷ năm trước đây

gấp từ 3 đến 6 lần nhiệt lượng hiện nay, trong

khi nhiệt lượng của đầu Phanerozoi chỉ hơi

lớn hơn hiện nay đôi chút Như vậy, trong

Ar-kei khi nhiệt lượng còn nhiều thí sự bành

trướng đáy đại dương và sự chuyển động các

mảng diễn ra nhanh hơn, magma sinh ra cũng

nhanh hơn Tuy nhiên, hoạt động của các

mảng trong Arkei khác với trong Proterozoi;

vì dụ các dãy trầm tìch của biển ría lục địa thụ

động không phổ biến trong Arkei, nhưng lại

hay gặp trong Proterozoi Điều này chứng tỏ trong Arkei các lục địa không có hoặc rất hiếm

có thềm lục địa và sườn lục địa

Các tổ hợp đá Arkei hoàn toàn có thể lý giải trong khung kiến tạo mảng Các đai đá lục có thể

lý giải bằng mô hính rift và cung đảo, còn mô hính nền và hút chím giải thìch cho các tổ hợp nền và biến chất cao

3.1 Mô hình rift

Cả rift đại dương và lục địa đều được coi là có vai trò trong thành tạo đá lục, nhưng vấn đề cần lưu ý là sự vắng mặt ophiolit trong loạt đá lục Đặc biệt trong loạt đá lục không hề có các phức hệ thể tường (dyke) dạng dải tổ hợp với đá siêu mafic phân tầng Mô hính rift lục địa [H 5A] có những dẫn liệu khá tốt sau đây để lý giải cho

sự thành tạo đai đá lục: 1) Trong đá lục có khối

lượng lớn đá phun trào felsit 2) Một số loạt đá lục

nằm bất chỉnh hợp trên vỏ lục địa 3) Không có

an-desit trong một số đá lục 4) Các bồn đá lục dạng

tuyến cùng tuổi phát triển trên những diện tìch rộng

lớn cho phép nghĩ tới những hệ thống nhiều rift lục

địa 5) Một số komatiit chứa zircon ngoại lai có tuổi

già hơn đá lục núi lửa đến 700 triệu năm chứng tỏ

đã từng có móng lục địa cổ hơn

3.2 Mô hình cung và đồng bằng đại dương

Sự giống nhau của đá lục Arkei và đá núi lửa

của cung và đồng bằng đại dương dẫn đến những

mô hính liên quan với hút chím để giải thìch các tổ

hợp granitoid - đá lục Những dẫn liệu sau đây của

các đai đá lục dẫn đến mô hính cung và đồng bằng

đại dương: 1) Tổ hợp thạch học trong đá lục cũng

tương tự như ở các cung đảo và đồng bằng đại

dương hiện nay 2) Thành phần hóa học của đá núi

lửa trong đá lục tương tự như đá núi lửa hiện đại ở

hai môi trường vừa nêu 3) Các đới hút chím tạo

12

3800 Đá vỏ cổ nhất đợc phát hiện

Đai đá lục cổ nhất đuợc bảo toàn tốt ở Nam Phi

TIến hoá vỏ tiền Arkei

Các hạt zircon trong trầm tích vụn cơ học cho thấy vỏ đã tồn tại trong giai đoạn sớm

Hình thành Trái Đất 4600

3400 3000 2500

Các giai đoạn chính thành tạo

đai đá lục ở khiên Canada

Biến dạng tuổi Arkei muộn

Hỡnh 6 Sự kiện quan trọng trong tiến hoỏ nền Arkei

mụi trường sản sinh ra khối lượng lớn đỏ granit trong cỏc thành hệ granitoid - đỏ lục

Đỏ nỳi lửa và turbidit grauvac rất phổ biến trong nhiều đỏ lục cũng tương ứng với cỏc hệ cung Tất cả những đỏ cú nguồn gốc trầm tỡch biển trong đỏ lục Arkei đều được thành tạo trong cỏc bồn trước cung hoặc bồn sau cung [H 5B] Thành phần húa học của đỏ nỳi lửa và granitoid Arkei cũng tương tự granitoid trẻ trong cỏc hệ cung Tài liệu về cấu trỳc địa chất cho thấy đỏ lục ứng với giai đoạn đúng của cỏc bồn sau cung hoặc cỏc cung hỳt chớm Độ dày lớn và thành phần húa học của basalt dạng gối trong cỏc đỏ lục Arkei cũng rất giống với

basalt của đồng bằng đại dương

3.3 Mụ hỡnh nền

Cỏc dóy trầm tỡch Arkei và Phanerozoi rất

giống nhau Trong Arkei những dóy trầm tỡch

này tỡch đọng ở cỏc bồn biển rớa hoặc bồn nội

lục trong số ỡt nền đó được hớnh thành

[H 5C]

3.4 Mụ hỡnh xụ hỳc

Trong quỏ trớnh xụ hỳc, rớa trước bồn

nền của mảng chớm đó bị kộo xuống một độ

sõu lớn và chịu tỏc động biến chất cao Sau

đú, sự nõng trồi đẳng tĩnh và bào mũn đó

búc mất hệ cung nằm trờn (đỏ lục) và để lộ

ra cỏc đỏ nền biến chất cao và bị phỏ hủy

trờn mảng chớm 5D]

Mặc dự bối cảnh kiến tạo trong Arkei cũn

nhiều vấn đề chưa sỏng tỏ, nhưng hoạt động kiến tạo mảng đó thể hiện ngay từ Arkei Trong cỏc hoạt động kiến tạo này cung đảo và đồng bằng đại dương

đúng vai trũ quan trọng Mặc dự cỏc mảng lỳc đú cũn nhỏ

hơn, ỡt hơn và cỏc sống nỳi đại dương dài hơn nhiều so

với hiện nay, nhưng hoạt động kiến tạo mảng cũng đó bắt

đầu từ cỏch đõy gần 4 tỷ năm Trờn hớnh 6 thể hiện túm

lược cỏc sự kiện quan trọng trong lịch sử Arkei [H 6]

4 Điều kiện tự nhiờn và sự sống trong Arkei

4.1 Khớ quyển và đại dương

4.1.1 Nguồn gốc và sự biến đổi khỡ quyển

Khỡ quyển hiện nay giàu oxy, nitơ, nhiều hơi

nước, dioxyt carbon (carbonic) và nhiều loại khỡ khỏc [Bảng 1], trờn thượng tầng là tầng ozon (O3) ngăn cản tỏc động của bức xạ tia cực tỡm Trong thời đầu Arkei Trỏi Đất là nơi khụng cú nước, luụn bị thiờn thạch lao bắn vào, tia cực tỡm hoành hành nờn khụng thể cú sự sống Hydro và heli cũng nhiều vớ đú là những khỡ phong phỳ nhất trong vũ trụ Trước khi Trỏi Đất cú nhõn thớ khụng cú từ trường và từ quyển, vớ thế những khỡ cú thể tạo khỡ quyển

đều đó bị giú Mặt Trời rất mạnh và dũng ion từ Mặt Trời quột mất hết Khi từ quyển hớnh

thành, những khỡ phun từ nỳi lửa khụng bị quột đi nữa và sẽ được tỡch tụ lại Trong Arkei,

Bảng 1 Thành phần khớ quyển hiện nay

Nguyờn tố Ký hiệu Phần trăm *

Cỏc khớ khụng thay đổi

Cỏc khớ khỏc 0,001

Cỏc khớ thay đổi

Hơi nước H 2 O 0,1 – 4,0

Carbonic C 2 O 0,0006

13

Hình 7 Các khí do núi lửa phun đã hình thành

khí quyển ban đầu Methan và ammoniac cũng được sinh ra do những phản ứng xẩy ra trong khí quyển (Wicander R J & Monroe S 1993)

Hình 8 Các quá trình phân ly quang hoá và quang hợp tạo

oxy tự do cho khí quyển (Wicander R J & Monroe S 1993)

núi lửa chắc cũng phun vào khì quyển những thành

phần giống như khì núi lửa hiện nay, gồm nước,

car-bonic, dioxyt sulfur (SO2), clor, nitơ, và hydro [H 7]

Khì quyển nguyên thủy chắc chắn là rất hiếm oxy,

không có nitơ tự do và cũng không có tầng ozon, nhưng

lại chứa nhiều ammoniac (NH3) và methan (CH4), cả

hai đều là sản phẩm của núi lửa Pyrit (FeS2) và uraninit

(UO2) là khoáng vật rất dễ bị oxy hóa, nhưng chúng lại

vẫn có rất nhiều trong đá Arkei Đó là do khì quyển

Arkei thiếu oxy, nên chúng không bị phá hủy

Có hai quá trính xẩy ra trong Arkei có thể tạo nên

oxy tự do của khì quyển Trước hết, sự phân ly quang

hóa của hơi nước – các phân tử nước bị phá vỡ do tác

dụng của tia cực tìm ở thượng tầng khì quyển [H 8] tạo

oxy tự do cho tầng ozon (O3) được hính thành Tiếp đến là hoạt động quang hợp của thực vật, carbonic và nước kết hợp thành chất hữu cơ và giải phóng oxy [H 8] Cứ như vậy, đến cuối Arkei khì quyển đã có thể chứa đến hơn 1% độ oxy

so với hiện nay Hơi nước là thành phần chủ yếu

của khì do núi lửa phun ra, do đó khì quyển trong

Arkei cũng chủ yếu bao gồm hơi nước Trái Đất

nguyên thủy có hoạt động núi lửa mạnh mẽ nên sự

tìch đọng nước trên mặt cũng diễn ra rất nhanh

Lượng nước đại dương vẫn tăng, song tốc độ cũng

giảm ví lượng nhiệt để sinh ra magma ngày càng

giảm [H 4] Khi Trái Đất nguội đến độ nhất định

thí hơi nước có thể đọng lại trên bề mặt Trái Đất

Đã có dẫn liệu chứng tỏ đại dương đã có trong

Arkei, tuy chưa biết chúng lớn nhỏ ra sao

4.1.2 Nguồn gốc và sự biến đổi nước đại dương

Trong lịch sử Trái Đất nước của đại dương chắc hẳn đã được hính thành từ sự ngưng tụ hơi nước do núi lửa phun lên, một phần khác được bổ sung từ sự lao bắn của các vật thể vũ trụ lên

bề mặt Trái Đất Nước biển lúc đầu có lẽ có tình chất acid ví sự hòa tan của dioxit carbon từ khì quyển nguyên thủy vốn có nồng độ carbonic cao, ngoài ra còn có các thành phần acid khác Tuy nhiên, tình acid này không tồn tại lâu ví sản phẩm núi lửa phun lên rất nhiều natri, calci và sắt nên nước nhanh chóng bị trung hòa Có lẽ tốc độ tăng trưởng của đại dương diễn ra song song với độ tăng trưởng của khì quyển nên phần lớn đại dương được hính thành vào khoảng 50-100 triệu năm đầu khi hành tinh được bồi tụ Hơi nước từ lòng Trái Đất theo núi lửa trào lên đã nhanh chóng ngưng tụ thành mưa, nhưng do mặt đất khi đó còn nóng bỏng nên nước mưa bị sôi nóng và lại bốc hơi tiếp Chỉ ở nơi tương đối nguội lạnh, một phần hơi nước mới ngưng tụ thành nước và bắt đầu hính thành đại dương

Nghiên cứu tỷ lệ của những trầm tìch đặc biệt trong những tổ hợp đá tương tự nhau ở các tuổi khác nhau cũng cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá sự biến đổi thành phần nước biển trong các đại dương cổ Vì dụ, khối lượng lớn muối mỏ và thạch cao trầm tìch trong một số giai đoạn lịch sử địa chất cho thấy chúng có vai trò lớn đối với sự hạ thấp thành phần natri và calci trong đại dương; từ giữa Proterozoi độ muối trung bính của nước biển đã giảm dần

14

Đồng vị oxy trong trầm tìch hóa học biển như đá vôi và đá silic cũng cung cấp thông tin về nhiệt độ nước biển khi những chất này được trầm đọng Tỷ lệ của O18 trên O16 trong trầm tìch biển

và trong sản phẩm của sinh chất (như vỏ Trùng lỗ chẳng hạn) thay đổi tùy theo nhiệt độ nước biển khi hính thành trầm tìch Thành phần đồng vị oxy của đại dương cũng thay đổi do thành phần của nước sông tải ra biển và nước từ nguồn thủy nhiệt ở các sống núi đại dương tuôn vào đại dương Kết quả nghiên cứu các đồng vị oxy, neodym, stronti trong trầm tìch hiện đại cho thấy chúng rất nhạy cảm với các nguồn nguyên tố hòa tan trong nước biển Nguồn thủy nhiệt có chất hòa tan từ manti chứa thành phần đồng vị khác hẳn với nguồn chất hòa tan từ sông tải ra Hiện nay, nguồn chất hòa tan quan trọng nhất là từ sông tải ra biển, mà chúng lại bắt nguồn từ hoạt động phong hóa bào mòn ở lục địa Tuy nhiên, đồng vị oxy và neodym được phân tìch từ trầm tìch tuổi Arkei chứng tỏ khi ấy nguồn chất hòa tan từ manti quan trọng hơn Sự cân bằng hai nguồn chất hòa tan diễn ra cách nay khoảng 2 tỷ năm, phản ảnh sự tăng trưởng nhanh chóng của vỏ lục địa làm tăng diện tìch lục địa, tạo điều kiện hoạt động phong hóa mạnh mẽ

4.2 Xuất hiện sự sống trong Arkei

Những di tìch hiện biết cho thấy sự sống đã bắt đầu trên Trái Đất từ 3,5 tỷ năm trước đây, nhưng khi đó sinh giới rất nghèo nàn Bản chất của sự sống là sinh vật phải có khả năng trao đổi chất và sinh sản Hệ sinh sản - trao đổi chất là tiêu chuẩn đơn giản để nhận biết một sinh thể Nhưng không phải mọi trường hợp đều như vậy, virus là một trong những trường hợp ngoại lệ đó Chúng thể hiện là một sinh thể khi sống trong tế bào chủ, nhưng nếu tách khỏi tế bào chủ thí chúng không

có khả năng sinh sản, không thể tạo ra phân tử sinh hóa Chúng chỉ chứa rất ìt vật chất di truyền, hoặc ADN (acid deoxyribonucleic) hoặc ARN (acid ribonucleic) trong protein Vậy virus là sinh thể hay thể vô cơ, trong trường hợp này không có một tiêu chuẩn thật rạch ròi giữa sinh thể và thể vô cơ

Vi cầu (microsphere) là một phân tử hữu cơ đơn giản, nhưng có sự phức tạp sinh học lớn hơn hẳn bất kỳ chất vô cơ nào Thực tế vi cầu có khả năng tăng trưởng và phân chia, nhưng theo những quá trính hóa học ngẫu nhiên mà chưa là quá trính sinh học, như vậy không thể coi chúng là sinh thể, nhưng lại có những đặc tình của sự sống tuy còn rất đơn giản Có thể cho rằng sự sống xuất hiện đầu tiên trên Trái Đất phải trải qua một giai đoạn tiền sinh tựa như giai đoạn vi cầu

4.2.1 Nguồn gốc sự sống

Có hai yếu tố cần thiết cho xuất hiện sự sống là: 1) các nguyên tố thìch hợp để các phân tử có thể tổng hợp và 2) nguồn năng lượng để xúc tiến phản ứng hóa học tổng hợp các phân tử hữu cơ

Sinh chất được cấu tạo từ carbon, hydro, nitơ và oxy, tất cả chúng đều có trong khì quyển dưới dạng phân tử của dioxyt carbon (carbonic – CO2), hơi nước (H2O), và nitơ (N2), có thể cả methan (CH4)

và ammoniac (NH3) Các nguyên tố cần cho sự sống (C, H, N, O) kết hợp thành phân tử hữu cơ đơn giản là monomer; năng lượng xúc tiến phản ứng có lẽ là từ bức xạ tia cực tìm và các tia chớp

Monomer là cơ sở xây dựng nên các phân tử hữu cơ phức tạp hơn Năm 1953, Stanley Mil-ler đã tổng hợp được một số acid amin bằng cách cho dòng khì có thành phần tương tự như khì quyển nguyên thủy chạy qua một bính kìn [H 9] Hỗn hợp khì này chịu tác dụng của một tia chớp điện; tia chớp này tạo ra mọi bước sóng ánh sáng, kể cả của tia cực tìm Sau thì nghiệm của Stanley Miller, khoảng 20 acid amin (monomer) của sinh chất đã được tổng hợp trong phòng thì nghiệm Nhưng các phân tử sinh chất là polymer, vì dụ như protein, acid nucleic, lại là liên kết của các monomer Vậy quá trính polymer hóa diễn ra như thế nào? Giải đáp câu hỏi này là nan giải,

15

a

b

Hình 10 Các dạng proteinoid

a) Proteinoid dạng vi khuẩn; b) Vi cầu proteinoid

(Wicander R., Monroe J.S 1993 )

ví quá trính polymer hóa diễn ra trong môi trường nước thường lại dẫn đến sự phá hủy polymer hóa Sidney Fox đã tổng hợp được những phân tử mà ông gọi là proteinoid, bao gồm đến hơn 200 đơn vị acid amin Ông đã khử nước của acid amin đậm đặc và phát hiện ra rằng khi đun nóng lập tức chúng bị polymer hóa và tạo proteinoid Điều này làm liên tưởng đến protobiont là một dạng trung gian giữa hợp chất vô cơ và sinh chất, nhưng protobiont có thể dễ dàng bị tiêu biến, không phát triển được nếu không có một màng mỏng bao

quanh như ở tế bào hiện nay Thì nghiệm của S Fox

chứng minh rằng các proteinoid có thể tụ tập để hính

thành dạng vi cầu [H 10] có màng bao bọc giống như

màng tế bào và tăng trưởng, phân chia giống như những

vi khuẩn

Có thể monomer được hính thành liên tục và trở

nên rất phong phú, tìch tụ trong đại dương và tạo thành

một thứ tựa như cháo loãng Các acid amin trong dạng

cháo loãng này có thể bị dồn vào bãi biển, rồi do sự bốc

hơi nên bị cô đặc lại và polymer hóa nhờ nhiệt, sau đó

polymer lại bị trôi ra biển và chịu các phản ứng khác

Hiện nay chưa có nhiều thông tin về cơ chế sinh sản

ở giai đoạn tiếp theo của nguồn gốc sự sống Các vi cầu

có khả năng phân chia và được các nhà chuyên môn coi

là sinh hệ nguyên khai Trong các acid amin của sinh vật

thí cả ARN và ADN đều rất cần thiết cho quá trính sinh

sản, nhưng acid amin không thể tạo ra bản sao của mính

(tức là sinh sản) nếu không có enzim, mà enzim lại

không thể được tạo nên nếu không có acid amin

Những thì nghiệm cũng cho thấy những phân tử

nhỏ ARN có thể tự tạo bản sao không cần sự giúp sức

của enzim Từ đó có thể nghĩ rằng, trong sự tạo bản sao

sinh học (hệ nhân bản) đầu tiên đã có phân tử ARN và trong ARN nguyên sơ có những phân tử trung gian giữa hợp chất hóa học vô cơ và phân tử ADN cơ bản của sinh giới Nhưng sự tổng hợp tự nhiên của ARN vẫn là vấn đề bì hiểm, ví chúng không thể được tổng hợp dễ dàng trong những điều kiện thông thường và phổ biến trên Trái Đất

Một vấn đề khác liên quan với nguồn gốc sự sống là hiện tượng lao bắn của những thiên thạch lớn lên bề mặt Trái Đất Bằng mô hính có thể thấy sự lao bắn của một thiên thạch có kìch thước cỡ 1000 km có thể làm bốc hơi toàn bộ đại dương và môi trường sống cũng bị hủy diệt Các chứng cứ hóa thạch cho thấy đã có khuẩn lam (Cyanobacteria) cách nay 3,6 tỷ năm và sinh thể quang hợp cách nay 3,8 tỷ năm, nên có thể giả định rằng sự lao bắn của những thiên thạch

cỡ tiểu hành tinh đã có từ khoảng 4 tỷ năm trước

4.2.2 Giả thuyết nguồn gốc sự sống từ nhiệt dịch đáy biển

Hiện nay tại các sống núi đại dương, nước thấm lọc qua basalt đã đông cứng và bị đun nóng tới 350o trong khi nước biển tại đây thường chỉ khoảng 2o Nguồn nước dạng geyser ở đáy biển này rất giàu H2S và nhiều sulfur kim loại Xung quanh nguồn thoát nhiệt dịch ở độ sâu 2500 m này đã hính thành một hệ sinh thái kỳ lạ gồm nhiều dạng Giun ống, Chân ríu, Giáp xác, Hải quỳ, Chân bụng và những loại cá nhỏ Môi trường này chứa một sinh khối từ 10 nghín đến 100 nghín

16

Hình 11 Chuỗi sự kiện ở nguồn thủy nhiệt

ngầm dưới biển có thể làm xuất hiện sự sống

(Condie K.C., Sloan R.E 1998)

lần so với môi trường bính thường ở cùng độ sâu Chuỗi thức ăn của quần hợp động vật nhiệt dịch dựa trên cơ sở cộng sinh phụ thuộc trước hết vào vi khuẩn hóa dưỡng khử sulfur Chúng hoạt động oxy hóa H2S theo phản ứng: 6 O2 + 24 H2S + 6 CO2  [C6H12O6] + 24 S + 18 H2O thay ví phản ứng quang hợp: 6 CO2 + 6 H2O  [C6H12O6] + 6 O2

Sự thoát nhiệt dịch rất phổ biến trong Arkei và có đủ các nhân tố cần thiết như H2, N2, CO, H2S, CH4 và H2O Magma đưa lại nguồn năng lượng liên tục, những phân tử hữu cơ và sau đó các polymer được tổng hợp không ngừng; chúng là bước khởi đầu cho sự tiến hóa hóa học trong điều kiện hóa lý không oxy, thuận lợi cho sự hính thành những sinh thể cổ xưa có kiểu trao đổi chất hóa dưỡng yếm khì Trong giả thuyết này, vỏ đại dương là nền tảng và nơi thoát nhiệt dịch, tạo động lực cho việc xuất hiện sự sống

Có thể trong Arkei những phản ứng dẫn tới sự hính thành các phân tử phức tạp cũng đã xẩy

ra ở vùng miệng phun nước nóng, nơi có nhiệt độ tới 200-350o C Khì được tỏa ra từ sống núi đại dương hiện nay chứa carbonic, methan và ammoniac, có tiềm năng tạo được phân tử hữu cơ Nhiệt độ cao của vùng miệng phun nước nóng ở dưới sâu dẫn đến thành tạo phân tử hữu cơ và tạo ra acid amin, ARN và AND [H 11]

Tại vùng miệng phun nước nóng, đường và các hợp

chất khác có thể được thành tạo và nơi gần miệng phun

có thể xuất hiện những tế bào dị dưỡng Những tế bào

này có thể lấy năng lượng từ sự oxy hóa các khì như

hydro sulfur tỏa ra từ miệng phun Hoạt động núi lửa

trong Arkei rất mạnh, nên các miệng phun nước nóng

cũng rất phổ biến, do đó khả năng xuất hiện sự sống

trong điều kiện này càng lớn Ngoài những giả thuyết

trên đây được nhiều người chú ý, cũng còn giả thuyết

về nguồn gốc sự sống từ vũ trụ Các nhà vật lý thiên

văn đã quan sát được những phân tử hữu cơ chứa đến

11 nguyên tử carbon

4.2.3 Những sinh vật đầu tiên

Những di tìch hóa thạch cổ nhất thuộc dạng sinh

vật quang hợp giống như vi khuẩn lam, nhưng quang

hợp là quá trính trao đổi chất phức tạp và như vậy chắc chắn là sinh vật không quang hợp đã xuất hiện trước khi có sinh vật quang hợp Nhưng hiện nay không có dẫn liệu về di tìch của những loại sinh vật nguyên thủy không quang hợp này Khi khì quyển chứa rất ìt hoặc không chứa oxy tự do, thí những sinh vật này phải là loại kỵ khì và dĩ nhiên chúng phụ thuộc vào chất dinh dưỡng bên ngoài tức là sinh vật dị dưỡng Những sinh vật này đều là đơn bào, tế

bào không có nhân gọi là sinh thể không nhân hay Prokaryota Nguồn dinh dưỡng của

những sinh vật dị dưỡng, sinh vật không nhân nguyên thủy trong Arkei có lẽ là từ triphos-phat adenosin (TPA) là hợp chất cần cho nhu cầu năng lượng trong tế bào TPA có thể dễ dàng tổng hợp được từ khì và phosphat, ví vậy có thể trong đại dương Arkei đã có TPA và những dạng sống nguyên thủy trong Arkei có thể dễ dàng kiếm được TPA ở môi trường

xung quanh Tính huống này có lẽ tồn tại không lâu, ví ngày càng nhiều tế bào Prokaryota

thí lượng TPA trở nên không đáp ứng nổi nhu cầu của chúng Một phương thức khác ra đời

để thoả mãn nhu cầu năng lượng – xuất hiện sinh vật đầu tiên sử dụng sự lên men Lên men

là một quá trính trao đổi chất kỵ khì phức tạp, trong đó những phân tử như đường bị phân

17

a b c d

Hình 12 Các dạng Prokaryota trong đá Arkei (cách nay 3,3-3,5

tỷ năm) a và c: ảnh hóa thạch trên kính hiển vi; b và d: phục dựng dạng hoá thạch a và c (Wicander R J & Monroe S 1993)

tách để giải phóng dioxyt carbon, rượu và năng lượng Chình các loại Prokaryota là tác nhân

trong các quá trính lên men hiện nay

Sự kiện quan trọng trong đời sống Trái Đất trong Arkei là cách đây 3,5 tỷ năm xuất hiện các

dạng sống tự dưỡng, có khả năng quang hợp Đó là các tế bào Prokaryota kỵ khì, chúng không

còn phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng bên ngoài nữa mà tự tạo ra cho mính [H 12]

Trong đá Arkei ở Canada và Nam Greenland đã phát hiện được những hợp chất gọi là kero-gen Kết quả phân tìch đồng vị cho thấy tỷ lệ 13C / 12C trong kerogen này khác tỷ lệ 13C / 12C trong vật chất vô cơ, nhưng lại tương tự tỷ lệ 13C / 12C của sinh vật hiện nay Như vậy là đã có chứng

cớ về di tìch sự sống trong những đá cổ nhất, cách nay 3,8 - 3,9 tỷ năm

Có ba dạng vi cấu trúc được coi là di tìch hóa thạch được phát hiện trong đá phiến silic Arkei

(tuổi 3,6 tỷ năm) 1) Cấu trúc dạng que là dạng cấu trúc đơn giản dài chưa đến 1 m, rất giống

cấu trúc của vi khuẩn hiện nay, nên được coi là

vi khuẩn hóa thạch; 2) Cấu trúc dạng sợi dài

vài m cũng có thể là một dạng hóa thạch,

nhưng chưa chắc chắn; 3) Cấu trúc dạng cầu

đường kình 5-10 m, cho phép liên tưởng tới

tảo hay vi khuẩn lam khá phong phú trong nhiều

đá phiến silic Arkei Tất cả ba dạng nêu trên có

lẽ đều là thuộc vi khuẩn đơn bào

Việc tím thấy và lý giải về stromatolit trong

các đá cổ có ý nghĩa quan trọng trong nghiên

cứu cổ sinh Tiền Cambri Đó là những cấu trúc

phân lớp mảnh mai dạng trụ cao 2-6 cm, khá

phổ biến trong các lớp đá phiến silic Arkei cách nay 3,6 tỷ năm ở Tây Australia Đó là sản phẩm

từ hoạt động của tảo giống như kiểu ám tiêu Chúng trầm đọng do tảo hay vi khuẩn trong môi trường nước nông thuộc các bồn gian triều, ở đó trầm tìch bay hơi cũng được trầm đọng Nghiên cứu hoạt động hiện tại của khuẩn xanh lam (Cyanobacteria) ở vịnh Cá Mập (Shark Bay, Australia) cho thấy dạng cấu trúc hoàn toàn giống stromatolit đã hính thành do những bẫy dạng tấm nhầy của khuẩn xanh lam giữ những hạt trầm tìch mịn lại Những cầu thể carbon trong đá Arkei (có tuổi 3,8

tỷ năm ở Greenland) cũng có thể có nguồn gốc sinh vật

5 Arkei ở Đông Á và Việt Nam

Trên lãnh thổ rộng lớn của Trung Quốc một số nhân lục địa đã hính thành ở nền

Trung-Triều (Đông Bắc Trung Quốc và Trung-Triều Tiên), bằng chứng là các đá biến chất Arkei sớm đã được phát hiện ở Shanxi (Sơn Tây), Hebei (Hồ Bắc) và Liaoning (Liêu Ninh) Đá biến chất cổ Arkei sớm-giữa cũng khá phổ biến ở phìa tây nền Yangtze (Dương Tử) – vùng hẻm vực thượng sông Yangtze cũng như ở khối nền Tarim (Tây Trung Quốc) Phần lớn các đá biến chất này đều có tuổi 2,8-2,7 tỷ năm, chứng tỏ sự tăng trưởng nhanh chóng của vỏ lục địa ở Đông Á giống như ở nhiều nơi khác trên thế giới

Ở Việt Nam các loạt đá biến chất cao thuộc tướng granulit, amphibolit trong các vi lục địa

Tiền Cambri lộ ra trên các khối Hoàng Liên Sơn, Indosinia còn chưa được nghiên cứu nhiều Các

đá gneis amphibol, plagiogneis bị granit hóa, migmatit hóa mạnh mẽ thuộc hệ tầng Suối Chiềng lộ

ra ở một số nơi thuộc hữu ngạn sông Hồng bị các thể gabro-amphibolit của phức hệ Bảo Hà và trondjemit-tonalit-granodiorit gneis của phức hệ Ca Vịnh xuyên cắt khá chỉnh hợp theo mặt lớp

18

Các đá gneis của phức hệ Ca Vịnh có tuổi khoảng từ 2,8-2,5 đến 3,4-3,1 tỷ năm, ứng với giai đoạn tạo hạt nhân vỏ Arkei muộn Loạt Sông Hồng nằm kẹp giữa hai đới đứt gãy Sông Hồng và Sông Chảy, gồm plagiogneis biotit-silimanit-granat xen kẽ amphibolit, đá hoa biến chất đến tướng gra-nulit cũng được một số nhà nghiên cứu giả định có tuổi Arkei

Trong địa khối Kon Tum, loạt Kan Nack gồm các đá granulit mafic, granulit pyroxen thoi, khondalit, granulit vôi hính thành khi gradien nhiệt độ cao, cộng với magma từ manti lên biến chất đến tướng granulit cũng được coi thuộc Arkei Tuy nhiên, tuổi đồng vị hiện có chưa xác minh cho tuổi này, mà có thể những đá vừa nêu thuộc một thời kỳ biến dạng và biến chất trẻ hơn Dù sao đi nữa, hiện nay loạt Kan Nack được xem như một mảnh ngoại lai Tiền Cambri được tách ra từ Gondwana

Tài liệu đọc thêm

1 Condie K C & Sloan R E., 1998 Origin and Evolution of Earth Principles of Historical Geology

Printice-Hall, Inc 498 pgs

2 Geological Map of the People's Republic of China 1:2 500 000 Explanatory Notes Geological Survey SinoMap

Press 2004

3 Selley R.C, Cocks L.R.M., Plimer I.R (Editors), 2005 Encyclopedia of Geology, Volume 1-5 Elsevier

Academ-ic Press

4 Stanley S M., 2009 Earth System History 3nd Edition W.H Freeman & Company New York 551 pgs

5 Tống Duy Thanh, 2008 Lịch sử Tiến hóa Trái Đất (Địa sử) NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Hà Nội Tái bản

2009 (Chỉnh sửa, bổ sung và cập nhật tài liệu mới) 340 tr

6 Trần Văn Trị, Vũ Khúc (Đồng chủ biên), 2009 Địa chất và Tài nguyên Việt Nam NXB Khoa học Tự nhiên và Công

nghệ Hà Nội 589 tr

7 Vũ Khúc, Bùi Phú Mỹ (Đồng chủ biên), 1990 Địa chất Việt Nam Tập I Địa tầng Tổng cục Mỏ Địa chất Hà

Nội 378 tr

8 Wicander R J & Monroe S., 1993 Historical Geology West Publishing Company Minneapolis, St New York,

Los Angeles San Francisco 640 pgs

9 Wikipedia, the free encyclopedia en.wikipedia.org/wiki/Hadean

10 Хаин Β Ε., Коровковский Н.В., Ясамнов Н А., 1997 Историческая геология Издат Московского

Университета 448 стр