Vì sao hàm lượng oxy trong khí quyển Trái đất cần duy trì ở mức 20,9%?

Trong thành phần khí quyển, khí nitơ chiếm tới 78%, phần còn lại bao gồm oxy, CO₂, CO, hơi nước và các khí vi lượng khác. Trong đó, tiêu chuẩn nồng độ oxy luôn được giữ ổn định ở mức 20,9%-21%.

Nguồn gốc của oxy trên Trái đất

Trái đất hình thành cách đây khoảng 4,6 tỷ năm và đã trải qua 5 cuộc đại tuyệt chủng hàng loạt. Loài người xuất hiện muộn hơn rất nhiều, chỉ khoảng 200.000 năm trước. Trái đất thời kỳ đầu không hề có oxy. Mãi đến khi diễn ra “Sự kiện oxy hóa vĩ đại”, khí oxy mới bắt đầu xuất hiện, mở đường cho sự sống đa dạng ngày nay.

Nguyên nhân chính của sự kiện này là do vi khuẩn lam – còn gọi là tảo lam – sản sinh oxy qua quá trình quang hợp. Môi trường giàu oxy đã kích thích sự phát triển về kích thước của nhiều loài sinh vật, khiến chúng trở nên to lớn và khỏe mạnh vượt trội.

Ảnh minh họa.

Năm 2012, hai nhà cổ sinh vật học Matthew Clappen và Jared Carr thuộc Đại học California, Santa Cruz đã công bố nghiên cứu về sự thay đổi hình thái của hơn 10.500 hóa thạch côn trùng trong suốt 320 triệu năm. Trong 150 triệu năm đầu tiên, kích thước cơ thể côn trùng cho thấy mối liên hệ chặt chẽ với nồng độ oxy khi đó. Càng nhiều oxy, chúng càng phát triển lớn. Mối quan hệ này dần mờ nhạt về sau, dẫn tới việc các loài sinh vật ngày càng nhỏ hơn, cho thấy tầm quan trọng của oxy trong tiến hóa.

Tại sao phải giữ hàm lượng oxy ở mức 20,9%?

Hiện nay, khoảng một nửa lượng oxy trong khí quyển đến từ thực vật trên cạn thông qua quá trình quang hợp, nửa còn lại do sinh vật phù du trong đại dương tạo ra. Hệ sinh thái hiện tại đã thích nghi hoàn hảo với tỷ lệ 20,9% oxy trong khí quyển. Việc duy trì nồng độ này là điều kiện sống còn để nền văn minh nhân loại tiếp tục phát triển ổn định.

Nhiều người đặt câu hỏi: nếu hàm lượng oxy tăng lên trên 21% thì có tốt hơn không? Câu trả lời là không đơn giản. Dù hệ hô hấp của con người có thể cải thiện trong thời gian ngắn khi tiếp xúc với oxy nguyên chất – bằng chứng là nhiều dịch vụ cung cấp oxy nguyên chất hiện đang được sử dụng để hỗ trợ điều trị cho người bệnh – nhưng nếu hít thở oxy 100% trong thời gian dài, cơ thể sẽ bị ngộ độc. Người hít quá nhiều oxy nguyên chất có thể gặp các triệu chứng như tức ngực, chóng mặt, đau đầu, tổn thương phổi, não và tử vong.

Chưa hết, oxy là nguyên tố dễ bắt cháy. Nếu nồng độ oxy trong khí quyển vượt quá giới hạn an toàn, chỉ cần một que diêm cũng có thể gây ra thảm họa cháy nổ quy mô lớn. Mức oxy quá cao còn khiến côn trùng phát triển bất thường. Theo nghiên cứu của Clappen và Carr, cách đây hơn 300 triệu năm, khi hàm lượng oxy đạt mức 35%, nhiều loài côn trùng có kích thước khổng lồ. Nếu hàm lượng oxy tăng lên 100%, thế giới có thể phải đối mặt với côn trùng siêu to khổng lồ và nguy cơ một cuộc đại tuyệt chủng mới là hoàn toàn có thể xảy ra.

Điều gì xảy ra nếu hàm lượng oxy giảm dưới mức 20,9%?

Tác giả người Mỹ Roddy Newman trong cuốn sách “Khủng hoảng oxy” cho biết, so với thời tiền sử, hàm lượng oxy hiện nay đã giảm 1/3 và ổn định ở mức 20,9%. Cách đây 10.000 năm, diện tích rừng trên Trái đất gấp đôi hiện tại, đồng nghĩa với việc lượng oxy khi đó gấp đôi bây giờ.

Tình trạng thiếu oxy cũng xảy ra ở đại dương. Theo báo cáo của NASA, lượng thực vật đơn bào tạo oxy hiện chỉ còn 70% so với cách đây 30 năm. Liên Hiệp Quốc thống kê gần 150 “vùng chết” trên đại dương – những khu vực mà nước biển không còn đủ oxy do ô nhiễm từ chất thải công nghiệp và nông nghiệp, khiến sinh vật biển không thể tồn tại, gây đột biến gene và suy giảm khả năng sinh sản.

Nếu nồng độ oxy tiếp tục giảm xuống dưới mức 20,9%, hậu quả sẽ vô cùng nghiêm trọng. Giáo sư Ervin Laszlo – cố vấn của Liên Hiệp Quốc về khoa học hệ thống và triết học – cảnh báo: khi oxy giảm xuống mức 16-17%, các rối loạn sinh lý sẽ xuất hiện. Nếu xuống 7-8%, hậu quả có thể là cái chết.

Tệ hơn, nếu hàm lượng oxy giảm xuống mức 0%, bê tông sẽ sụp đổ vì oxy là chất liên kết chính. Bầu trời sẽ trở nên đen kịt, còn lớp vỏ Trái đất – vốn cấu thành từ 45% oxy – sẽ vỡ vụn cho đến khi không còn gì.

Làm sao để giữ vững mức oxy 20,9%?

Sau hàng triệu năm, Trái đất duy trì hàm lượng oxy ở mức 20,9% nhờ vòng tuần hoàn tự nhiên giữa động vật và thực vật. Tuy nhiên, thảm thực vật đang bị tàn phá nghiêm trọng. Mỗi năm, thế giới mất đi khoảng 13 triệu ha rừng – tương đương diện tích Hy Lạp – do con người đốn hạ để phục vụ sản xuất nông – công nghiệp.

Nếu tình trạng này tiếp diễn, tương lai loài người sẽ phải sống với mặt nạ dưỡng khí để lọc lượng oxy còn sót lại trong không khí.

Tầng ozone – được hình thành từ sự cân bằng giữa các khí trong khí quyển – cũng phụ thuộc vào hàm lượng oxy. Lớp bảo vệ này nằm ở độ cao 8-30 km, giúp chắn bức xạ tử ngoại từ Mặt Trời, bảo vệ sự sống.

Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Đại học Princeton (New Jersey, Mỹ) đăng trên tạp chí Science, lượng oxy trong khí quyển đã giảm 0,7% trong 800.000 năm qua. Thông qua phân tích lõi băng tại Greenland và Nam Cực – những nơi lưu giữ bong bóng khí cổ đại – các nhà khoa học phát hiện sự suy giảm rõ rệt. Giáo sư Daniel Stolper, trưởng nhóm nghiên cứu, khẳng định trong 200 năm gần đây – giai đoạn công nghiệp hóa – là thời kỳ xảy ra nhiều bất thường nhất về hàm lượng oxy.

Sự ổn định của khí quyển Trái đất với mức oxy 20,9% không chỉ là kết quả của hàng triệu năm tiến hóa, mà còn là điều kiện tiên quyết để duy trì sự sống. Giữ vững tỷ lệ này chính là nhiệm vụ sống còn của nhân loại trong thế kỷ XXI.

Bảo Ngọc (t/h)