11.662 virus mới được phát hiện hé lộ sự sống ẩn giấu tại khu vực khai thác biển sâu ở Thái Bình Dương

Cộng đồng virus khổng lồ dưới khu vực khai thác

Các nhà khoa học nghiên cứu trầm tích tại Vùng Clarion-Clipperton ở Thái Bình Dương đã xác định được 11.742 loại virus riêng biệt, trong đó có 11.662 loại chưa từng được ghi nhận, tại khu vực đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của các công ty muốn khai thác kim loại dưới đáy biển. Các virus mới được phát hiện chiếm hơn 99% tổng số, cho thấy một phần hệ sinh thái phần lớn chưa được lập danh mục và có thể bị hoạt động khai thác làm xáo trộn.

Nghiên cứu được công bố trên Nature Communications, với sự tham gia của Bowen Hou và Lilan Zhang thuộc Đại học Trùng Khánh cùng Dong Sung thuộc Viện Hải dương học số 2 của Trung Quốc. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát hơn 60 mẫu trầm tích thu thập trong năm 2023 và 2024 tại khu vực nằm giữa Hawaii và Mexico, nơi đại dương sâu khoảng 6.000 mét.

Phần lớn virus dường như thích nghi để lây nhiễm vi khuẩn và vi khuẩn cổ, hai nhóm vi sinh vật giúp tuần hoàn chất dinh dưỡng dưới đáy biển. Phát hiện này liên quan đến hoạt động của một hệ sinh thái xa xôi, với rất ít nguy cơ trực tiếp rõ rệt đối với sức khỏe con người.

Phát hiện được đưa ra khi các nhà nghiên cứu tìm hiểu hai vấn đề liên quan: hoạt động khai thác có thể làm thay đổi các quần xã vi sinh vật dưới đáy biển như thế nào, và liệu các khu vực được bảo vệ có thể giúp môi trường sống bị tổn hại phục hồi hay không. Một nghiên cứu mô hình máy tính riêng cho thấy 13 khu vực được bảo vệ trong vùng trao đổi rất ít ấu trùng động vật, trong khi một chuyến thám hiểm của châu Âu đang khảo sát những tổn hại còn lại từ cuộc thử nghiệm thiết bị khai thác năm 2021.

Kết hợp lại, các nghiên cứu này đưa ra những con số cụ thể cho một bài toán bảo tồn phức tạp. Các nhà khoa học vẫn đang xác định những sinh vật sống trong khu vực khai thác, trong khi chính phủ và doanh nghiệp cân nhắc những hoạt động sẽ loại bỏ môi trường sống của chúng và khuấy động lớp trầm tích xung quanh.

Cách các nhà nghiên cứu tìm thấy những virus ẩn giấu

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tách DNA và RNA, những phân tử mang thông tin di truyền, từ các lõi trầm tích thu thập trong hai năm lấy mẫu. Họ sử dụng phương pháp giải trình tự metagenome, đọc vật liệu di truyền từ một mẫu môi trường hỗn hợp thay vì phải nuôi riêng từng sinh vật trong phòng thí nghiệm.

Phương pháp này cho phép các nhà khoa học tìm kiếm dấu vết di truyền của nhiều loại virus cùng lúc trong một lượng bùn nhỏ. Sau đó, việc so sánh với các trình tự hiện có giúp họ xác định những nhóm virus riêng biệt và tìm hiểu các virus đó có thể lây nhiễm sinh vật nào.

Chỉ khoảng 4% cụm protein được xác định trong nghiên cứu khớp với các cơ sở dữ liệu toàn cầu hiện có. Protein đảm nhiệm nhiều chức năng bên trong tế bào và virus; các nhà nghiên cứu nhóm những protein tương tự để tìm hiểu chức năng chung hoặc mối quan hệ tiến hóa. Tỷ lệ khớp thấp cho thấy mức độ đa dạng di truyền ở vùng biển sâu này ít được lập danh mục đến đâu.

Hai tỷ lệ nổi bật trong nghiên cứu mô tả những phép đo khác nhau. Hơn 99% là tỷ lệ virus chưa từng được ghi nhận; khoảng 4% là tỷ lệ cụm protein khớp với các mục trong cơ sở dữ liệu. Cả hai đều cho thấy quần xã này hiện diện rất hạn chế trong các hồ sơ khoa học hiện có.

Vai trò của những virus này dưới đáy biển

Vi khuẩn và vi khuẩn cổ thực hiện các phản ứng hóa học giúp luân chuyển carbon, nitơ, phốt pho, lưu huỳnh và kim loại trong trầm tích biển sâu. Ở nơi không có ánh sáng mặt trời, những phản ứng này giúp duy trì lưới thức ăn tại chỗ và quyết định cách các vật chất được lưu trữ hoặc giải phóng.

Virus tác động đến các quá trình này bằng cách lây nhiễm vật chủ vi sinh vật. Một số virus mang các gene chuyển hóa phụ trợ, tức chỉ dẫn di truyền có thể làm thay đổi cách tế bào bị nhiễm xử lý chất dinh dưỡng hoặc ứng phó với môi trường xung quanh. Nhóm nghiên cứu tìm thấy manh mối di truyền cho thấy virus tại các khu vực có nốt sần đa kim loại có thể ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, bao gồm khả năng ứng phó với áp lực kim loại.

Các chức năng này vẫn cần được nghiên cứu thêm. Trình tự di truyền giúp các nhà nghiên cứu xác định những hoạt động có thể xảy ra; cần đo đạc các quần xã sống để xác định những hoạt động đó diễn ra như thế nào trên toàn bộ đáy biển.

Trong bài báo trên Nature Communications, các nhà nghiên cứu mô tả mục đích khảo sát của mình:

đường cơ sở thiết yếu trước khai thác về hệ sinh thái vi sinh vật, phục vụ các đánh giá tác động môi trường trong tương lai.

Đường cơ sở là hồ sơ ghi nhận các điều kiện trước khi một hoạt động bắt đầu. Trong trường hợp này, nó tạo điểm xuất phát để các đợt khảo sát sau theo dõi những thay đổi trong quần xã virus, vật chủ của chúng và các quá trình hóa học mà chúng hỗ trợ.

Vì sao khu vực đáy biển này thu hút các công ty khai thác

Vùng Clarion-Clipperton có trữ lượng nốt sần đa kim loại lớn nhất thế giới từng được biết đến. Những khối này chứa mangan, nickel, cobalt và các kim loại khác được tìm kiếm để phục vụ những mục đích công nghiệp, trong đó có sản xuất thiết bị điện tử và pin.

Theo số liệu đi kèm nghiên cứu về virus, Cơ quan Đáy biển Quốc tế đã cấp 31 hợp đồng thăm dò khoáng sản biển sâu. Trong đó, 17 hợp đồng nằm tại Vùng Clarion-Clipperton, gồm năm hợp đồng do Trung Quốc nắm giữ. Hợp đồng thăm dò cho phép khảo sát các mỏ và điều kiện môi trường; hoạt động khai thác thương mại cần trải qua thêm quy trình quản lý.

Nốt sần cũng tạo ra các bề mặt cứng trên đáy biển vốn chủ yếu là bùn mịn. Động vật bám vào chúng, và một số loài trong đó cung cấp nơi trú ẩn cho các loài khác. Vì vậy, lấy đi một nốt sần đồng nghĩa với việc loại bỏ cả vật liệu khoáng sản lẫn nơi sinh sống.

Tiến sĩ Matthias Haeckel, nhà địa hóa sinh học tại Trung tâm Nghiên cứu Đại dương GEOMAR Helmholtz ở Kiel và là nhà khoa học trưởng của chuyến thám hiểm SONNE khảo sát tác động khai thác, mô tả các sinh vật sống trên nốt sần:

Thông thường, chúng tôi tìm thấy hai đến ba sinh vật nhỏ trên mỗi nốt sần,

Nốt sần phát triển cực kỳ chậm. Theo tường thuật về chuyến thám hiểm của Haeckel, tốc độ tăng trưởng vào khoảng một đến hai milimét mỗi triệu năm. Tốc độ thay đổi tùy loại nốt sần và địa điểm, nhưng để phục hồi những môi trường sống này cần thời gian địa chất, dài hơn rất nhiều so với thời gian của một dự án khai thác.

Tác động có thể lan xa hơn những vệt xe thu gom

Phương tiện khai thác sẽ lấy đi nốt sần và khuấy tung lớp trầm tích bề mặt. Các hạt mịn có thể bay lên trong nước, trôi đi rồi lắng xuống, phủ lên sinh vật bên ngoài đường đi trực tiếp của thiết bị thu gom. Động vật bám cố định vào nốt sần hầu như không có cơ hội thoát đi.

Haeckel giải thích vật liệu lắng xuống có thể ảnh hưởng đến các loài động vật khác nhau như thế nào:

Một số sinh vật có thể tự làm sạch, số khác thì không. Những loài lọc thức ăn từ nước cũng rất có khả năng bị ảnh hưởng,

Nghiên cứu về virus chỉ ra một tầng tác động khác bên dưới những loài động vật có thể nhìn thấy. Trầm tích dịch chuyển có thể làm thay đổi nơi virus và vật chủ sinh sống, cách chúng gặp nhau và cách các quần xã vi sinh vật xử lý chất dinh dưỡng cùng kim loại. Các thí nghiệm xáo trộn trước đây được nhóm tác giả dẫn lại ghi nhận tác động kéo dài hàng chục năm trong trầm tích tại các khu vực có nốt sần.

Nhóm nghiên cứu cũng xác định một nguồn có thể góp phần phục hồi một phần: các quần thể virus và chức năng di truyền hiện diện ở cả trầm tích sâu lẫn trầm tích bề mặt. Các quần xã ở tầng sâu có thể góp phần tái thiết một số quần xã bề mặt sau khi bị xáo trộn. Mức độ đóng góp này, cũng như tác động của hoạt động khai thác lên các virus và vật chủ của chúng, hiện vẫn chưa rõ.

Trở lại cuộc thử nghiệm khai thác năm 2021

Chuyến thám hiểm SO322 của tàu nghiên cứu SONNE đang khảo sát một địa điểm tại Vùng Clarion-Clipperton, nơi công ty Global Sea Mineral Resources của Bỉ thử nghiệm một thiết bị thu gom điều khiển từ xa vào mùa xuân năm 2021. Cuộc thử nghiệm diễn ra ở độ sâu hơn 4.000 mét.

Trong 74 giờ, thiết bị di chuyển khoảng 32 km và thu gom nốt sần trên diện tích 54.000 m2. Tương đương 5,4 ha, khu vực này đủ rộng để các nhà nghiên cứu khảo sát cả những vệt thiết bị đi qua lẫn trầm tích xung quanh bị ảnh hưởng bởi cuộc thử nghiệm.

Chuyến thám hiểm quy tụ 39 nhà nghiên cứu thuộc 17 cơ sở ở bảy quốc gia châu Âu. Thiết bị được sử dụng gồm phương tiện điều khiển từ xa KIEL 6000, phương tiện tự hành dưới nước ABYSS, các thiết bị đặt dưới đáy biển và dụng cụ lấy mẫu trầm tích. Hoạt động này thuộc chương trình nghiên cứu MiningImpact, bắt đầu nghiên cứu các tác động tiềm tàng của hoạt động khai thác từ năm 2015.

Các nhà khoa học dự định khảo sát môi trường sống dưới đáy biển và trong nước, đánh giá ảnh hưởng của đám mây trầm tích kéo dài bao lâu và tìm hiểu liệu các bề mặt cứng nhân tạo có thể hỗ trợ sinh vật tái định cư tại những nơi nốt sần đã bị lấy đi hay không.

Haeckel mô tả quy mô công việc định danh còn lại:

Nhiều loài ở CCZ cực kỳ hiếm; khoảng 90% số loài mà chúng tôi lấy mẫu cho đến nay vẫn chưa được định danh và chưa có tên. Không ai biết còn bao nhiêu loài đang chờ được phát hiện,

Ước tính này đề cập đến các loài được những nhà nghiên cứu trong chuyến thám hiểm lấy mẫu, còn con số 99% trong nghiên cứu về virus nói đến các virus mới được ghi nhận trong cuộc khảo sát trầm tích. Mỗi con số đo lường một khía cạnh khác nhau của sự đa dạng sinh học trong khu vực, vốn chưa được lập danh mục đầy đủ.

Các khu bảo tồn có ít tuyến kết nối với nhau

Một nghiên cứu do Molly Kendall James và các cộng sự chủ trì, được công bố trên Nature Ecology & Evolution, xem xét liệu 13 Khu vực Quan tâm Đặc biệt về Môi trường của Vùng Clarion-Clipperton có hoạt động như một mạng lưới bảo tồn kết nối hay không.

Nhiều loài động vật đáy biển khởi đầu vòng đời dưới dạng ấu trùng được dòng hải lưu cuốn đi. Nếu ấu trùng có thể di chuyển giữa các khu bảo tồn, các quần thể có thể trao đổi gene và bổ sung cá thể mới cho những địa điểm khác. Các nhà nghiên cứu mô hình hóa sự di chuyển này bằng dữ liệu dòng hải lưu và hơn 68 triệu hạt mô phỏng trong mỗi lần chạy mô hình.

Các hạt mô phỏng đại diện cho ấu trùng trôi gần đáy biển trong 19, 35 hoặc 69 ngày. Mô phỏng bao quát tháng 1 và tháng 7 của cả năm 2019 lẫn 2023. Ngay cả với thời gian dài nhất, khoảng cách di chuyển trung vị vẫn dưới 100 km, trong khi các khu bảo tồn cách nhau khoảng 200 đến 800 km.

Chỉ năm trong số 156 kết nối trực tiếp có thể có giữa các khu bảo tồn ghi nhận sự trao đổi. Dưới 0,02% số ấu trùng mô phỏng được thả từ một khu vực được bảo vệ đến được khu vực khác, và ba tuyến chiếm hơn 99% lượng di chuyển giữa các khu bảo tồn.

Mô hình giữ ấu trùng ở độ cao khoảng 10 mét tính từ đáy biển. Thời gian sống thực tế của ấu trùng trong khu vực chưa được biết rõ; việc chúng bơi lên cao hơn, nơi có các dòng hải lưu khác, có thể làm thay đổi hành trình. Kết quả mô tả các kết nối dự kiến trong những điều kiện cụ thể đó, tạo cơ sở có thể kiểm nghiệm cho công tác quy hoạch.

Nguồn phục hồi có thể đến từ đâu

Trong mô hình, 76% ấu trùng lắng xuống các khu khai thác đến từ chính những khu vực khai thác, 19% đến từ các vùng không được bảo vệ bên ngoài khu khai thác và chỉ 5% đến từ mạng lưới bảo tồn. Vì vậy, trước khi xảy ra xáo trộn, các quần thể tại chỗ cung cấp phần lớn lượng bổ sung được mô phỏng.

Sau đó, các nhà nghiên cứu thử nghiệm một kịch bản trong đó các khu khai thác ngừng cung cấp ấu trùng. Các vùng không được bảo vệ bên ngoài khu khai thác cung cấp 81% số ấu trùng còn lại đến định cư, trong khi các khu được bảo vệ cung cấp 19%. Sự thay đổi này cho thấy môi trường sống bên ngoài các khu bảo tồn được chỉ định có thể đóng vai trò quan trọng đối với quá trình phục hồi.

Nhóm nghiên cứu xác định 53 ô hành lang được đề xuất, mỗi ô có kích thước 100 x 100 km, có thể kết nối các khu bảo tồn hiện có thông qua môi trường sống trung gian. Tổng diện tích các ô này là 530.000 km2.

Trong mô hình, việc bảo vệ các ô này tạo ra 151 tuyến di chuyển gián tiếp và tăng kết nối giữa các khu bảo tồn lên 406 lần. Tỷ lệ hạt được thả từ các khu vực được bảo vệ đến được một khu vực được bảo vệ khác tăng từ khoảng một trên 5.556 lên một trên 14.

Chỉ 11% diện tích hành lang được đề xuất chồng lấn với các khu vực đã có hợp đồng. Trong kịch bản xáo trộn, mạng lưới bảo tồn mở rộng cung cấp 36% lượng ấu trùng còn lại đến định cư tại các khu khai thác, so với 19% theo phương án hiện tại.

Mô hình xem xét tình huống mất đi các nguồn cung cấp ấu trùng. Các đám mây trầm tích, tiếng ồn và những tác động khác lan ra ngoài ranh giới khai thác cần được đánh giá thêm. Đóng góp thiết thực của nghiên cứu là xác định những địa điểm mà việc bảo vệ thêm môi trường sống có thể cải thiện tuyến di chuyển giữa các quần thể.

Các quyết định đang đến gần trong khi khảo sát vẫn tiếp diễn

Bằng chứng hiện nay bao gồm khảo sát di truyền, mô hình dòng hải lưu và việc kiểm tra trực tiếp địa điểm thử nghiệm khai thác. Mỗi nghiên cứu giải đáp một khía cạnh của cùng một quyết định: những gì có thể mất đi, tác động xáo trộn lan rộng ra sao và quá trình phục hồi có thể bắt đầu ở đâu.

Các sự kiện chính và bước tiếp theo đã được công bố gồm:

• 2015: MiningImpact bắt đầu nghiên cứu tác động môi trường của hoạt động khai thác tiềm tàng ở biển sâu.
• Mùa xuân năm 2021: Global Sea Mineral Resources thử nghiệm thiết bị thu gom tại Vùng Clarion-Clipperton.
• 2023 và 2024: Các nhà nghiên cứu thu thập mẫu trầm tích được sử dụng trong khảo sát virus.
• Chuyến thám hiểm SO322: Các nhà khoa học đang khảo sát tác động còn lại của cuộc thử nghiệm năm 2021 và những hướng tái định cư khả thi.
• Ngày 19 tháng 11 năm 2026: Theo kế hoạch được công bố, hai đợt bán quyền thuê khu vực đáy biển ngoài khơi Samoa thuộc Mỹ dự kiến diễn ra.

Đề xuất tại Samoa thuộc Mỹ liên quan đến một địa điểm khác ở Thái Bình Dương, không phải Vùng Clarion-Clipperton. Hai khu vực được đề xuất cho thuê có tổng diện tích hơn 31 triệu mẫu Anh và nằm cạnh Đài tưởng niệm Quốc gia Biển Đảo san hô Rose. Thống đốc Pulaali'i Nikolao Pula phản đối hoạt động khai thác khoáng sản thương mại trong vùng biển của lãnh thổ này.

Đề xuất của Mỹ cho thấy áp lực rộng hơn nhằm mở cửa các mỏ dưới đáy biển Thái Bình Dương trong khi các cuộc điều tra sinh thái vẫn đang tiếp diễn. Tại Vùng Clarion-Clipperton, danh mục virus mới là công cụ cụ thể phục vụ đánh giá môi trường: giờ đây, các nhà nghiên cứu có thể tìm kiếm những thay đổi ở hàng nghìn nhóm virus chưa từng được ghi nhận, song song với biến đổi ở động vật, hóa học trầm tích và kết nối giữa các môi trường sống.

Đối với công tác quy hoạch bảo tồn, các nghiên cứu chỉ ra hai nhiệm vụ cần tiến hành song song. Các nhà khoa học cần tìm hiểu những sinh vật và quá trình diễn ra trong một khu vực đáy biển, còn cơ quan quản lý cần xem xét khu vực đó kết nối với các vùng xung quanh ra sao. Việc lấy đi nốt sần ảnh hưởng đến khía cạnh thứ nhất; làm gián đoạn các tuyến tái định cư ảnh hưởng đến khía cạnh thứ hai.

Điểm chính

• Các nhà nghiên cứu xác định 11.742 virus trong trầm tích tại Vùng Clarion-Clipperton, trong đó có 11.662 loại chưa từng được ghi nhận.
• Phần lớn dường như liên quan đến vi khuẩn và vi khuẩn cổ, đồng thời có thể ảnh hưởng đến chu trình chất dinh dưỡng và khả năng ứng phó với kim loại.
• Trầm tích bị xáo trộn có thể ảnh hưởng đến các quần xã virus cũng như động vật sống trên nốt sần.
• Mô hình dòng hải lưu ghi nhận chỉ năm kết nối trực tiếp trong số 156 tuyến có thể có giữa 13 khu vực được bảo vệ.
• Bổ sung 53 hành lang môi trường sống được đề xuất giúp tăng đáng kể mức độ kết nối trong mô hình.
• Chuyến thám hiểm SONNE đang khảo sát tác động của cuộc thử nghiệm khai thác năm 2021 để phục vụ đánh giá môi trường và công tác quản lý.