Khi biến đổi khí hậu tiếp tục đẩy nhiệt vào các tầng nước biển sâu hơn, cộng đồng khoa học lo lắng rằng sự cân bằng mong manh của sinh vật biển bị phá vỡ. Nhưng một nghiên cứu mới cho thấy rằng một loại vi khuẩn biển sâu quan trọng – vi khuẩn nitrat hóa biển Nitrosopumilus maritimus – có thể đã lặng lẽ thích nghi với môi trường ấm hơn và nghèo dinh dưỡng này.

Dưới tác động tổng hợp của sự nóng lên toàn cầu và các đợt nắng nóng thường xuyên ở biển, nhiệt độ tăng không còn giới hạn ở bề mặt đại dương. Nước biển sâu hàng km cũng đang ấm lên, gây lo ngại về sự xáo trộn môi trường hóa học và hệ sinh thái biển. Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Illinois tại Urbana-Champaign và các tổ chức khác đã chỉ ra rằng vi khuẩn cổ như Nitrosopumilus maritimus, sống dựa vào sắt và sống bằng cách oxy hóa amoniac, dường như đang điều chỉnh các chiến lược sinh lý của chúng để thích ứng với áp lực kép của nhiệt độ cao hơn và nguồn cung cấp kim loại thấp hơn. Các nhà nghiên cứu tin rằng trong một đại dương tiếp tục ấm lên, chúng có thể đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc định hình lại mô hình phân bổ dinh dưỡng của đại dương.

Các kết quả liên quan gần đây đã được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS). Nitrosopumilus maritimus và các vi sinh vật liên quan của nó chiếm khoảng 30% tổng số sinh vật phù du ở biển và được nhiều người coi là nhân tố chính trong việc duy trì cân bằng hóa học của đại dương. Bằng cách oxy hóa amoniac trong nước biển, các vi khuẩn cổ này tham gia vào việc chuyển đổi nitơ thành các dạng hóa học khác nhau, do đó ảnh hưởng đến sự phát triển của toàn bộ cộng đồng sinh vật phù du vi sinh vật, là nền tảng của mạng lưới thức ăn biển và rất quan trọng đối với đa dạng sinh học biển.

Wei Qin, tác giả tương ứng của nghiên cứu và giáo sư vi sinh học tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign, cho biết rằng trước đây, người ta thường tin rằng nước biển ở độ sâu dưới 1.000 mét phần lớn "bị cô lập" khỏi tác động của sự nóng lên bề mặt, nhưng giờ đây ngày càng rõ ràng rằng sự nóng lên ở vùng biển sâu đang thay đổi cách các vi khuẩn cổ phong phú này sử dụng sắt. Sắt là nguyên tố kim loại mà chúng phụ thuộc nhiều vào quá trình trao đổi chất và sự thay đổi này có thể ảnh hưởng hơn nữa đến sự sẵn có của kim loại vi lượng ở vùng biển sâu, gây hậu quả cho các quá trình sinh địa hóa biển rộng hơn.

Để gần với môi trường biển thực nhất có thể, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm gradient nồng độ và nhiệt độ sắt trên môi trường nuôi cấy thuần chủng Nitrosopumilus maritimus trong điều kiện thí nghiệm kiểm soát chặt chẽ ô nhiễm kim loại. Kết quả cho thấy khi nguồn cung cấp sắt bị hạn chế, nhiệt độ tăng không những không làm suy yếu khả năng sống sót của loại vi sinh vật này mà còn khiến chúng giảm nhu cầu về sắt và cải thiện hiệu quả sử dụng sắt. Điều này cho thấy khi nước biển ấm lên và lượng sắt sẵn có giảm đi, Nitrosopumilus maritimus có khả năng "tự điều chỉnh" nhất định và có thể duy trì hoặc thậm chí tối ưu hóa các hoạt động trao đổi chất trong môi trường biển sâu hạn chế hơn về tài nguyên.

Trên cơ sở các thí nghiệm, nhóm đã hợp tác với Alessandro Tagliabue, chuyên gia về mô hình hóa sinh học biển tại Đại học Liverpool, để kết hợp những dữ liệu sinh lý này vào mô hình hóa sinh đại dương toàn cầu để mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy ở những vùng biển rộng lớn có lượng sắt hạn chế, các cộng đồng khảo cổ biển sâu không những không “rút lui” trước các kịch bản nóng lên trong tương lai mà còn có khả năng duy trì hoặc thậm chí tăng cường vai trò của chúng trong chu trình nitơ đại dương và hỗ trợ sản xuất sơ cấp. Nói cách khác, ở nhiều vùng biển sâu vốn được coi là mong manh, những sinh vật nhỏ bé này có thể trở thành một “lực lượng thích ứng” duy trì các chức năng của đại dương.

Để kiểm tra xem những phát hiện trong phòng thí nghiệm có thể áp dụng cho các hệ thống đại dương thực hay không, Qin Wei và David Hutchins, giáo sư về sinh học thay đổi toàn cầu tại Đại học Nam California, sẽ cùng dẫn đầu một cuộc thám hiểm khoa học hàng hải vào mùa hè này. Họ sẽ lên tàu nghiên cứu Sikuliaq, khởi hành từ Seattle, đi qua Vịnh Alaska, sau đó đi đến khu vực dòng hải lưu cận nhiệt đới, dừng ở Honolulu, Hawaii. Hai mươi nhà khoa học từ nhiều tổ chức sẽ thực hiện quan sát tại chỗ và lấy mẫu trên tàu, tập trung vào việc đánh giá cách các cộng đồng khảo cổ trong môi trường tự nhiên phản ứng và điều chỉnh dưới các kết hợp hạn chế nhiệt độ và kim loại khác nhau.

Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng công trình này không chỉ kiểm tra khả năng thích ứng của một loài đơn lẻ mà còn liên quan đến toàn bộ chu trình nitơ đại dương, chu trình vi lượng kim loại và "khả năng phục hồi" của hệ sinh thái biển sâu trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Nếu các vi sinh vật chủ chốt như Nitrosopumilus maritimus thực sự có thể tăng hiệu quả sử dụng sắt và duy trì hoạt động trong môi trường biển sâu ấm hơn, thì ở một mức độ nào đó, chúng có thể giảm bớt một số sự mất cân bằng hóa học do hiện tượng nóng lên gây ra, tạo ra thời gian quý báu để hệ sinh thái biển điều chỉnh. Nhưng các nhà khoa học cũng nhắc nhở rằng điều này không có nghĩa là có thể bỏ qua những rủi ro do biến đổi khí hậu mang lại. Việc con người kiểm soát lượng khí thải nhà kính vẫn là phương tiện cơ bản để bảo vệ sức khỏe của đại dương và hệ sinh thái toàn cầu.

Theo báo cáo, nghiên cứu này được đồng tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ Simons, Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, Đại học Illinois tại Urbana-Champaign, Đại học Oklahoma và các tổ chức khác. Một trong những người đứng đầu nghiên cứu, Qin Wei, cũng liên kết với Viện Sinh học gen Carl Wuth. Nhóm liên quan cho biết họ có kế hoạch tiến hành quan sát dài hạn ở nhiều vùng biển và các mùa khác nhau trong tương lai để làm rõ hơn con đường tiến hóa về vai trò của vi khuẩn cổ biển sâu trong đại dương đang nóng lên.