Bài 32. Giải thích vì sao các sinh vật nhân sơ dù có kích thước nhỏ bé và cấu tạo đơn giản nhưng lai có vai trò "khổng lổ" đối với Trái Đất và sự sống

Dù rất nhỏ (thường chỉ vài µm) và cấu tạo đơn giản (không có nhân xác định), các sinh vật nhân sơ (vi khuẩn và cổ khuẩn) lại chi phối hầu hết các quá trình sinh–địa–hóa trên Trái Đất, tạo nền tảng cho mọi dạng sự sống cao hơn. Cụ thể: 1. Abundance và phân bố rộng khắp - Tổng sinh khối (biomass) của vi sinh vật nhân sơ lớn hơn tổng sinh khối của tất cả động, thực vật cộng lại. - Chúng có mặt ở mọi môi trường: đại dương sâu thẳm, tầng đất sâu, sông hồ, sa mạc, suối nước nóng, thậm chí trong băng và các môi trường cực đoan khác. 2. Vòng tuần hoàn các nguyên tố (C, N, S, P…) - Cacbon: Vi khuẩn quang hợp (cyanobacteria) và quang hợp hóa học góp phần cố định CO₂, là nguồn đầu tiên tạo nên sinh khối hữu cơ. - Nitơ: Chỉ có vi sinh vật là nhóm duy nhất thực hiện cố định nitơ từ không khí (N₂ → NH₄⁺), cung cấp chất đạm cho thực vật và cả chuỗi thức ăn. - Lưu huỳnh, phốt pho…: Nhiều loài vi khuẩn phân giải hợp chất lưu huỳnh, phốt pho, góp phần tái sinh khoáng chất cho đất và nước. 3. Sản xuất oxy và duy trì khí quyển - Hơn 2,5 tỉ năm trước, các cyanobacteria đã “thay đổi” bầu khí quyển bằng cách quang hợp và thải O₂, tạo điều kiện cho sinh vật hiếu khí phát triển. 4. Phân giải và làm sạch môi trường - Là lực lượng phân hủy chủ yếu: vi khuẩn và nấm men phân giải xác sinh vật, chất hữu cơ, giữ cho vật chất không bị ứ đọng. - Ứng dụng trong xử lý nước thải, đất nhiễm dầu mỏ, khử độc môi trường (bioremediation). 5. Hợp tác và cộng sinh - Trong ruột động vật (gồm cả người), vi khuẩn giúp tiêu hóa thức ăn, tổng hợp vitamin, bảo vệ chống mầm bệnh. - Quan hệ cộng sinh thực–vi sinh giúp cây xanh hấp thu tốt hơn nước và khoáng, nâng cao năng suất nông nghiệp. 6. Cơ sở của công nghệ sinh học - Nhiều enzyme, kháng sinh, insulin, phân bón vi sinh, men lên men… đều khai thác từ vi sinh vật. - Công nghệ gen tái tổ hợp, vaccine, xét nghiệm y học… đều dựa trên hệ gen đơn giản, dễ biến đổi của prokaryotes. 7. Vai trò tiến hóa và đa dạng di truyền - Prokaryotes là nhóm sinh vật xuất hiện sớm nhất và từ chúng phát sinh sự đa dạng sinh vật về sau (từ tế bào nhân thực, thực vật, động vật). - Tốc độ sinh sản nhanh, hay trao đổi gene ngang (horizontal gene transfer) cho phép chúng thích nghi và phát sinh chủng loại mới liên tục. Tóm lại, mặc dù kích thước nhỏ và cấu trúc đơn giản, các sinh vật nhân sơ chiếm ưu thế về số lượng, sinh khối và khả năng tham gia hầu hết các quá trình sinh–địa–hóa. Chúng không chỉ duy trì sự cân bằng môi trường mà còn là nền tảng cho toàn bộ mạng lưới sự sống trên Trái Đất.