Từ lâu, người ta cho rằng đáy biển sâu hàng nghìn mét, nơi ánh nắng không chạm tới, giống như một sa mạc lạnh lẽo, tối tăm và khan hiếm thức ăn. Thế nhưng vào cuối những năm 1970, lần đầu tiên một cảnh tượng hiện ra trước mắt con người: giữa bóng tối ấy có những ống khói đứng sừng sững phun khói đen, xung quanh là trai và những con giun hình ống mang chùm mang đỏ rực sống chen chúc dày đặc. Nhân vật chính tạo nên cảnh tượng mà ngay cả các nhà khoa học cũng khó tin ấy chính là miệng phun thủy nhiệt.
Miệng phun thủy nhiệt (Hydrothermal Vent) là nơi nước bị nung nóng bởi nhiệt từ bên trong Trái Đất phun ra qua các khe nứt dưới đáy biển. Chúng tập trung chủ yếu gần các sống núi giữa đại dương, nơi các mảng kiến tạo đẩy các lục địa tách xa nhau, và là hiện tượng xuất hiện vì Trái Đất vẫn còn hoạt động về mặt địa chất và có nhiều nước trên bề mặt.
Trong bài này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các miệng phun này được phát hiện như thế nào, ống khói đen lớn lên theo nguyên lý nào, những sinh vật sống không cần ánh nắng ăn gì để tồn tại, và cả Thành phố đã mất vận hành theo một cách hoàn toàn khác.
Một thế giới khác do suối nóng dưới đáy biển tạo nên
Năm 1977, sự sống bất ngờ hiện ra ngoài cửa sổ tàu lặn
Tháng 2 năm 1977, nhóm nghiên cứu trên tàu lặn biển sâu Alvin (Alvin) của Mỹ đã trực tiếp quan sát các khe nứt phun nước ấm ở rift Galápagos dưới đáy biển cùng các sinh vật tụ tập quanh đó, và lấy mẫu. Nhiều nhà địa chất đã tham gia chuyến khảo sát này, trong đó có Jack Corliss (Jack Corliss) của Đại học Bang Oregon.
(1) Một phát hiện đã được báo trước
Năm 1976, Viện Hải dương học Scripps lần đầu ghi nhận tín hiệu bất thường bằng một máy ảnh được kéo đi dưới biển sâu, và năm sau các nhà nghiên cứu quay lại đúng vị trí đó để tận mắt xác nhận.
(2) Phát hiện khói đen
Mùa xuân năm 1979, tại vĩ độ 21 độ Bắc trên sống núi Đông Thái Bình Dương, Alvin tìm thấy những ống khói phun ra hạt màu đen, về sau được gọi là ống khói đen (black smoker).
(3) Một khung cảnh bất ngờ
Dù nơi đây hoàn toàn không có ánh sáng, sinh vật vẫn nhiều vô kể. Việc sự sống này tồn tại nhờ một nguồn năng lượng khác chứ không phải ánh nắng được các nghiên cứu sau đó dần dần làm sáng tỏ.
Nước 400 độ không sôi và những ống khói lớn dần
Nước biển quanh miệng phun lạnh, chỉ khoảng 2 độ, nhưng nước phun ra có nhiệt độ từ 60 độ đến hơn 400 độ ở mức cao. Ở phần phía nam sống núi giữa Đại Tây Dương, người ta thậm chí từng đo được 464 độ trong chốc lát. Dù vậy nước vẫn không bốc thành hơi vì ở độ sâu 2.500 mét, áp suất lên tới khoảng 250 atmosphere.
(1) Khoảnh khắc khoáng chất đông cứng
Nước nóng chứa đầy kim loại và lưu huỳnh hòa tan từ vỏ Trái Đất, và khi gặp nước biển lạnh, khoáng chất lắng xuống cùng lúc và trở thành thành ống khói.
(2) Bản chất của màu đen
Đầu tiên anhydrit, một khoáng chất thuộc nhóm canxi sunfat, tích tụ lại, sau đó sunfua của đồng, sắt và kẽm lấp đầy các khe hở. Màu của khói đen chính là do các hạt sunfua này tạo nên.
(3) Những ngọn tháp lớn nhanh
Có ghi nhận ống khói cao thêm khoảng 30 centimet mỗi ngày, và có những ống cao tới 60 mét. Năm 1996, ngoài khơi Oregon, một ống khói cao 40 mét mang biệt danh Godzilla đã tự đổ sụp. Những miệng phun có nhiệt độ thấp, giàu bari, canxi và silic phả ra khói trắng và được gọi là ống khói trắng (white smoker).
Nước thoát ra từ ống khói nhẹ hơn nước biển xung quanh nên dâng lên và lan rộng, và các thành phần kim loại phân tán theo cách này cũng góp phần vào chu trình sắt của đại dương.
Hệ sinh thái ăn hóa chất thay cho ánh nắng
Mật độ sinh vật quanh miệng phun được biết là cao gấp 10.000 đến 100.000 lần so với đáy biển xung quanh. Chống đỡ cho sự trù phú này là các vi khuẩn lấy năng lượng từ những hóa chất như hydro sunfua để tạo ra chất dinh dưỡng. Việc quang hợp làm bằng ánh sáng thì hóa tổng hợp làm bằng hóa chất.
(1) Loài giun không miệng cũng không ruột
Trong số các loài giun ống, Riftia (Riftia pachyptila) không có miệng và ống tiêu hóa, mà sống nhờ chất dinh dưỡng do vi khuẩn sống trong một cơ quan trong cơ thể gọi là trophosome tạo ra. Mối cộng sinh này mãi đến năm 1981 mới được làm rõ.
(2) Chùm mang đỏ chở chất độc
Hydro sunfua là chất độc với hầu hết sinh vật, nhưng hemoglobin trong chùm mang đỏ của giun ống chở cả oxy lẫn hydro sunfua và chuyển chúng cho vi khuẩn.
(3) Các tầng trên của chuỗi thức ăn
Bên trên những loài giáp xác nhỏ gặm vi khuẩn là tôm, cua, ốc và cả bạch tuộc, nối tiếp nhau từng tầng.
Cho đến nay, đã có hơn 300 loài sinh vật mới được phát hiện ở các miệng phun. Ốc chân vảy, được báo cáo lần đầu năm 2001 tại miệng phun Kairei ở Ấn Độ Dương, khoác bộ giáp không phải bằng canxi mà bằng sắt sunfua. Tuy vậy, nếu nói hệ sinh thái này hoàn toàn không liên quan đến Mặt Trời thì là quá lời, vì sinh vật ở đây cũng dựa vào oxy trong nước biển được tạo ra từ quang hợp.
Thành phố đã mất và những câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ
Tháng 12 năm 2000, một khu miệng phun hoàn toàn khác đã được phát hiện tại khối núi ngầm Atlantis (Atlantis Massif) bên cạnh sống núi giữa Đại Tây Dương. Tên của nó là Thành phố đã mất (Lost City). Nó vận hành không phải nhờ nhiệt núi lửa mà nhờ nhiệt của phản ứng hóa học xảy ra khi đá manti gặp nước biển; nhiệt độ nước thấp, từ 40 đến 90 độ, và nước có tính kiềm mạnh. Tại đây đã xác nhận được dấu vết của hoạt động kéo dài ít nhất 30.000 năm, nên nơi này được đánh giá là đã tồn tại lâu hơn nhiều so với các ống khói đen có tuổi thọ ngắn.
- Ống khói đen (Black Smoker): Nguồn nhiệt là hoạt động núi lửa, nước có tính axit ở nhiệt độ hàng trăm độ và giàu sunfua kim loại.
- Thành phố đã mất (Lost City): Nguồn nhiệt là phản ứng serpentin hóa của đá manti, giải phóng hydro và metan, và có những tháp cacbonat trắng mọc lên.
- Poseidon (Poseidon): Ngọn tháp lớn nhất của Thành phố đã mất, cao khoảng 60 mét.
- Nguồn gốc sự sống (Origin of Life): Có giả thuyết cho rằng những miệng phun như thế này từng là cái nôi của sự sống, nhưng giới học thuật vẫn còn tranh luận.
Tính đến năm 2009, có khoảng 500 khu miệng phun đang hoạt động được biết đến, và gần một nửa trong số đó không phải được nhìn thấy trực tiếp mà chỉ được suy đoán từ tín hiệu trong nước. Thậm chí có đánh giá rằng chưa đến 1 phần trăm đáy biển được biết rõ, nên vẫn còn rất nhiều nơi cần khám phá. Miệng phun sâu nhất được xác nhận ở rãnh Cayman thuộc biển Caribe, tại độ sâu khoảng 5.000 mét. Tấm lòng tò mò đến cùng về những gì nằm ở nơi ta không nhìn thấy, đó chính là bước đầu tiên của việc khám phá miệng phun thủy nhiệt.
