"Liệu sự tồn tại của sự sống có khiến hành tinh này phù hợp hơn với sự sống không?"
“Đen, sáng bóng và có ánh kim loại.” Ở trường tiểu học, trong giờ khoa học, giáo viên yêu cầu chúng tôi quan sát một hàng mẫu khoáng vật trong chai thủy tinh và mô tả chúng. Tôi đã viết câu này sau khi quan sát một chai nhỏ có nhãn “than”.
Mẫu than anthracite | Leiem / Wikimedia Commons
Không phải giáo viên khoa học nào cũng có đủ kiên nhẫn để giải thích nội dung khóa học. May mắn thay, sau khi so sánh "than non", "than bitum" và "than anthracite", giáo viên đã nói với chúng tôi rằng "than non" màu nâu sẫm có nhiều tạp chất nhất là dạng cơ bản của than. Sau khi chịu áp suất cực lớn dưới lòng đất, chúng sẽ biến thành than bitum với ít tạp chất hơn, và sau đó thành than antraxit.
“Than đá thực ra được hình thành từ những cây đại thụ thời cổ đại. Những cây đại thụ đó không hề biến mất hoàn toàn, chúng bị chôn vùi sâu dưới lòng đất vì nhiều lý do khác nhau và biến thành than đá ngày nay.” Cô giáo nói điều này một cách bình tĩnh nhưng lúc đó khiến tôi rất phấn khích. Lần đầu tiên, tôi nhận ra rằng có thể không có ranh giới rõ ràng giữa thực vật và khoáng chất, tức là vật sống và vật không sống.
Bánh xe lịch sử, nỗi lo của thời đại
"Than là vàng đen và là thức ăn của ngành công nghiệp."
Hơn 20 năm sau, khi tôi gõ những dòng chữ này mà thầy giáo đã dạy tôi trên lớp, Hội nghị lần thứ 26 của Liên hợp quốc về Biến đổi Khí hậu được tổ chức tại Glasgow, Vương quốc Anh vừa kết thúc.
Cuộc họp này có thể có tác động quan trọng đến số phận của nhân loại và cuối cùng đã đạt được một thỏa thuận. Mặc dù cuối cùng, đại diện Ấn Độ đã đề xuất thay đổi cam kết "loại bỏ dần" việc sử dụng than trong văn kiện nghị quyết thành "giảm dần", và việc sửa đổi cuối cùng đã thành công với sự ủng hộ của nhiều quốc gia, đây vẫn là thỏa thuận khí hậu đầu tiên trong lịch sử loài người có kế hoạch rõ ràng về việc giảm sử dụng than.
Từ than non đến than antraxit, hàm lượng cacbon tăng dần. Than sau khi chưng cất có thể cung cấp một lượng lớn nguyên liệu thô cho công nghiệp, nhưng công dụng chính của than có giá trị công nghiệp lớn vẫn là làm nhiên liệu năng lượng. Con người đã đốt than trong hơn 6.000 năm và có rất nhiều ghi chép về khai thác than trong các văn bản cổ của Trung Quốc và phương Tây.
Cảnh khai thác than anthracite | Công ty thiệp chúc mừng Mebane, Wilkes-Barre, PA./Wikimedia Commons=
Phải đến 300 năm trước, tiếng động cơ hơi nước mới báo hiệu sự khởi đầu cho cuộc cách mạng công nghiệp đầu tiên của nhân loại. Nhiệt lượng lớn tỏa ra từ than cháy làm nước trong nồi hơi sôi lên. Sự giãn nở và làm mát liên tục của hơi nước đã vận hành cỗ máy, giải phóng loài người khỏi lao động chân tay và cuối cùng đẩy tất cả mọi người trên thế giới vào bánh xe thời gian mà không có cách nào quay trở lại. Than đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất và vẫn như vậy cho đến ngày nay - khi một người đốt lò trong thời kỳ Cách mạng Công nghiệp đổ một xẻng than vào cửa lò, anh ta không bao giờ tưởng tượng rằng 300 năm sau, than có thể trở thành một lời nguyền.
Than anthracite | Randolph Đen / Wikimedia Commons
Khi đốt than, nó giải phóng một lượng nhiệt lớn và tạo ra carbon dioxide. So với 78% nitơ và 21% oxy trong bầu khí quyển của Trái Đất, 3 nguyên tử carbon dioxide có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt hơn và phát lại bức xạ hồng ngoại, khiến nó trở thành tác nhân chính gây ra "hiệu ứng nhà kính" của bầu khí quyển. Bản thân "Hiệu ứng nhà kính" không phải là một từ xấu. Thực tế là Trái Đất ngày nay có thể duy trì nhiệt độ phù hợp cho nhiều dạng sống là kết quả của hiệu ứng nhà kính - một lớp khí quyển mỏng chặn nhiệt từ mặt trời, ngăn nước trên Trái Đất đóng băng. Đây là cơ sở cho sự tồn tại của sự sống.
Hiệu ứng nhà kính mạnh của carbon dioxide cũng là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến nhiệt độ của trái đất. Nói một cách đơn giản, khi nồng độ carbon dioxide trên trái đất tăng lên, nhiệt độ trung bình toàn cầu cũng tăng theo; nếu nồng độ carbon dioxide giảm, nhiệt độ trung bình toàn cầu cũng sẽ giảm. Nhưng sự thay đổi về nhiệt độ trung bình toàn cầu không chỉ đơn giản là tăng và giảm. Nó gây ra một loạt các quá trình phức tạp và hỗn loạn. Một số khu vực có thể trở nên khô cằn hơn, trong khi những khu vực khác có thể thường xuyên xảy ra lũ lụt và thảm họa khí tượng. Sâu bệnh sẽ trở nên khó kiểm soát hơn và sản xuất nông nghiệp cũng sẽ bị ảnh hưởng lớn.
Hiệu ứng nhà kính | Robert A. Rohde / Wikimedia Commons
Đây cũng chính là lý do khiến các nhà khoa học vô cùng quan ngại về nồng độ carbon dioxide trong khí quyển: sự tồn tại và phát triển của con người đòi hỏi điều kiện khí hậu ổn định, và sự ổn định của hàm lượng carbon dioxide là rất quan trọng. Tuy nhiên, trong 20 năm theo dõi, nồng độ carbon dioxide đã tăng lên mức mới gần như mỗi năm và gần đây đạt tới 420ppm. Theo ước tính của mô hình, đây cũng là mức cao nhất trong 4,5 triệu năm qua và nhiệt độ mùa hè ở nhiều nơi cũng thường xuyên phá vỡ kỷ lục.
Phần lớn lượng khí carbon dioxide dư thừa này là do các hoạt động trong quá khứ của con người gây ra. Các nước phát triển phải chịu trách nhiệm chính về lượng khí thải carbon trong lịch sử, và các nước đang phát triển chắc chắn sẽ thải nhiều khí carbon dioxide hơn vào khí quyển trong tương lai vì mục đích phát triển sinh kế của người dân. Mối lo ngại đã thúc đẩy các nhà khoa học lên tiếng và các chính trị gia có tầm nhìn xa thúc đẩy hợp tác và đàm phán quốc tế nhằm giữ nồng độ carbon dioxide trong phạm vi nhất định.
Nhà máy sử dụng nhiên liệu than | cogdogblog / Wikimedia Commons
Đây sẽ là một trò chơi khó khăn, đặc biệt là đối với những quốc gia mà than vẫn chiếm ưu thế trong ngành năng lượng. Theo Báo cáo thống kê năng lượng thế giới của BP do BP công bố, năm 2020, sản lượng điện than toàn cầu vẫn chiếm hơn 35%, trong khi các loại năng lượng khác như khí đốt tự nhiên chiếm khoảng 25%, thủy điện chiếm 16%, điện hạt nhân chiếm 10% và năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió chiếm 12%. Ở châu Á, tỷ lệ năng lượng than thậm chí còn cao hơn, điều này có nghĩa là việc đạt được Thỏa thuận khí hậu Glasgow vẫn sẽ gây áp lực rất lớn lên sự phát triển năng lượng ở Ấn Độ và các quốc gia khác, và tranh chấp vẫn chưa dừng lại cho đến ngày nay.
Than – Kết thúc vòng đời
Loại than đá đã thu hút sự chú ý của thế giới và làm thay đổi thế giới loài người hiện đại nhiều lần này đến từ đâu?
Mọi thay đổi lớn đều sẽ để lại dấu vết trong tầng địa chất. Đây là một câu chuyện cổ xưa khác xảy ra cách đây 350 triệu năm.
Những khu rừng đầu tiên trên Trái Đất xuất hiện vào kỷ Devon sau khi thực vật xuất hiện. Những loài thực vật trên cạn đầu tiên không có cấu trúc hỗ trợ. Một số loài thực vật có khả năng tổng hợp xenluloza ở mức độ nhất định, nhưng hầu hết các loài thực vật vẫn thấp và gần nước để tránh chết khát.
Hàng chục triệu năm sau, một con đường sinh hóa đã tiến hóa trong tế bào thực vật tạo ra một chất chưa từng xuất hiện trên Trái Đất trước đây: lignin. Các phân tử lignin này được cấu tạo từ nhiều vòng benzen. Chúng tích tụ xung quanh các tế bào thực vật, kết nối với nhau và ép lại với nhau để tạo thành gỗ sớm nhất trên Trái Đất. Chức năng chính của lignin cứng đối với thực vật là cung cấp sự hỗ trợ, sau đó hình thành các mô dẫn để vận chuyển nước và chất dinh dưỡng, giúp cây có thể phát triển cao. Những loài thực vật tiến hóa theo con đường này có thể thu được nhiều ánh sáng hơn và sống trong môi trường khô hơn. Chúng nhanh chóng thay thế các loài sống ở vùng thấp xung quanh và con cháu của chúng cũng cao lớn hơn. Trong quá trình "tiến hóa" này cách đây 350 triệu năm, có lẽ khu rừng hùng vĩ nhất trong lịch sử địa chất đã ra đời.
Phát hiện cánh côn trùng hóa thạch trong các vỉa than ở Anh | Herbert Bolton / Thư viện Di sản Đa dạng sinh học
Chúng hoàn toàn khác với thành phần của cây rừng ngày nay và có quan hệ họ hàng gần với các loài thạch tùng và mộc tặc ngày nay trong họ dương xỉ. Các nhà cổ thực vật học đã đặt tên cho chúng là Calamites, Sigillaria và Lepidodendron dựa trên những dấu vết hóa thạch còn sót lại. Mặc dù hầu hết các loài thạch tùng và cây mộc tặc ngày nay chỉ cao vài chục cm, nhưng họ hàng cổ xưa của chúng có thể dễ dàng đạt tới chiều cao ba mươi hoặc bốn mươi mét. Đây là rừng mưa nhiệt đới của kỷ Than Đá. Trong thời gian này, quá trình quang hợp của rừng đã khiến hàm lượng oxy trong trái đất vượt quá 30% tại một thời điểm. Nồng độ oxy cao cũng khiến các loài côn trùng cùng thời kỳ trở nên lớn hơn nhiều so với ngày nay, với những con chuồn chuồn khổng lồ dài tới vài feet lang thang trong rừng mưa nhiệt đới.
Nhưng sự sụp đổ của khu rừng nhiệt đới ngoạn mục này có thể xuất phát từ chính khu rừng nhiệt đới. Lignin quá tiên tiến so với sự sống trên Trái Đất vào thời điểm đó. Vào thời kỳ đầu của những khu rừng cao, các loại nấm đóng vai trò phân hủy trên Trái Đất có lẽ vẫn chưa sản xuất ra các enzyme có thể phân hủy chúng.
Bản khắc mô tả cảnh quan rừng kỷ Than đá từ thời kỳ Than đá | Viện thư mục - Meyers Konversationslexikon
Đây là con đường một chiều đáng sợ. Ngày càng có nhiều cacbon bị giữ lại trong cơ thể thực vật chết. Sau hàng chục triệu năm tích tụ lignin, đến giai đoạn Kasimovian của kỷ Than đá cách đây khoảng 305 triệu năm, lượng carbon dioxide trên Trái đất đã giảm xuống dưới điểm tới hạn. Sự suy yếu của hiệu ứng nhà kính đã dẫn đến tình trạng lạnh đi toàn cầu kéo dài hàng triệu năm. Băng và tuyết một lần nữa bao phủ phần lớn thế giới, và hầu hết các khu rừng kỷ Than đá đã biến mất, được gọi là "sự sụp đổ của rừng mưa nhiệt đới kỷ Than đá".
Khi nấm cuối cùng có được khả năng phân hủy lignin, carbon quay trở lại khí quyển dưới dạng carbon dioxide và trái đất tiếp tục nóng lên. Hàng triệu năm sau, một số lượng lớn thực vật trên cạn, côn trùng và động vật lưỡng cư đã tuyệt chủng trong quá trình này. Vỏ cây tồn tại trước khi nấm có khả năng phân hủy gỗ đã trở thành than trong những thay đổi về địa chất và làm thay đổi diện mạo trái đất theo một hình thức khác 300 triệu năm sau đó.
Minh họa về thực vật hóa thạch trong các vỉa than của Anh | Hình ảnh sách lưu trữ Internet / Flickr
Mặc dù việc phát hiện ra các vi hóa thạch nấm từ kỷ Than đá trong những năm gần đây đã cung cấp thêm nhiều chi tiết về câu chuyện này, nhưng thực tế là sau kỷ Than đá-Permi, nấm trên khắp thế giới đã trở thành động lực chính trong việc phân hủy lignin trong rừng, và các vỉa than trong các tầng sau kỷ Permi không còn rộng lớn như trong kỷ Than đá nữa. Rừng kỷ Than đá để lại than đá bị nhốt dưới lòng đất và trôi dạt đến một thế giới có khí hậu mát mẻ hơn.
Trong suốt lịch sử sự sống trên Trái Đất, những hiện tượng này không phải là hiếm gặp. 3,7 tỷ năm trước, quá trình tổng hợp hóa học và quang hợp ban đầu của một số dạng sống trên Trái Đất có thể đã làm thay đổi mạnh mẽ thành phần khí quyển của Trái Đất, do đó kéo mọi sự sống trên Trái Đất vào tình trạng gần như không thể cứu vãn. Nhà cổ sinh vật học người Mỹ Peter Ward thậm chí còn đưa ra "giả thuyết Medea" để phản đối "giả thuyết Gaia" do học giả người Anh James Lovelock đưa ra vào những năm 1970 - sự sống rất có thể sẽ kết thúc trong gang tấc.
Một nhóm thợ mỏ tụ tập quanh một gốc cây hóa thạch vào năm 1918 | J. Horgan, Jr. / nationalgeographic
Vì vậy, khi chúng ta khai thác than và các nhiên liệu hóa thạch khác và thải carbon dioxide trở lại khí quyển, người ta không khỏi tự hỏi liệu đây có phải là sự kết thúc của một chu kỳ sống mới trên Trái Đất hay không?
Tôi chỉ tin rằng con người phải có trí tuệ cao hơn để chấm dứt vấn đề này.
