Đi tìm "sự sống phi carbon" ngoài vũ trụ

Nhà nghiên cứu Dirk Schulze-Makuch đưa ra phân tích carbon có thể không phải là cơ sở duy nhất cho sự sống. Chúng ta cần có cái nhìn thoáng hơn: sự sống phi carbon.

Trên Trái đất, carbon có thể tạo thành hàng triệu hợp chất, trong khi silic phần lớn bị mắc kẹt bên trong đá. Nhưng ở những nơi khác, silic có thể tạo thành cơ sở của sự sống.

Khi tìm kiếm sự sống trên các hành tinh khác, điều chúng ta thường muốn nói là ta đang tìm kiếm sự sống như chúng ta hiểu - sự sống dựa trên carbon, cần nước ở thể lỏng và sử dụng ánh sáng hoặc hóa chất làm nguồn năng lượng. Điều này có ý nghĩa khi tìm kiếm sự sống trên một hành tinh khá giống Trái đất như sao Hỏa. Nhưng liệu nó có ý nghĩa đối với các hành tinh khác, đặc biệt là những hành tinh bên ngoài hệ Mặt trời của chúng ta?

Một gợi ý phổ biến trong khoa học viễn tưởng là carbon có thể được thay thế bằng silic như một khối xây dựng chính của sự sống. Bạn có thể nhớ Horta trong tập phim Star Trek năm 1967 “Ác quỷ trong bóng tối” hoặc các dạng sống silic trong truyện ngắn “Viên đá biết nói” của Isaac Asimov.

Tại sao carbon thống trị sự sống trên Trái đất?

Nhưng trên Trái đất, hóa học hữu cơ có nghĩa là hóa học carbon. Điều này là do tính linh hoạt đáng kinh ngạc của carbon trong việc hình thành các phân tử phức tạp, ổn định - không chỉ với chính nó mà còn với các nguyên tố khác, đặc biệt là hydro, oxy và nitơ. Có hàng triệu hợp chất carbon, và nhiều hợp chất trong số chúng rất cần thiết cho sự sống như chúng ta biết - từ protein và DNA đến khí metan và carbon dioxide. Chúng rất quan trọng cho quá trình chuyển hóa của nhiều dạng sống trên hành tinh của chúng ta.

Sự sống phi carbon ngoài vũ trụ
Trên Trái đất, hầu hết các loại đá như đá granit và đá bazan được hình thành từ các khoáng chất silicat. (Ảnh minh họa)

Trên Trái đất, việc thay thế carbon bằng silic như một thành phần của sự sống sẽ không hiệu quả. Thực tế hóa sinh trên hành tinh của chúng ta sẽ không cho phép điều đó. Silic khi ở dạng tự do sẽ bị oxy hóa nhanh chóng và mãnh liệt thành silicat (đá) khi tiếp xúc với oxy trong khí quyển. Điều tương tự cũng xảy ra với silic nguyên tố tiếp xúc với nước lỏng. Trên Trái đất, hầu hết các loại đá như đá granit và đá bazan được hình thành từ các khoáng chất silicat, dựa trên hợp chất cấu thành từ silic và oxy. Bất kỳ silic tự do nào cũng sẽ bị ràng buộc trong cái gông oxy hóa này và sẽ trơ - nghĩa là không thể kết hợp với các nguyên tố khác - ở nhiệt độ vừa phải. Silic sẽ bắt đầu kết hợp với các nguyên tố khác chỉ ở nhiệt độ rất cao trong các buồng magma chẳng hạn. Nhưng theo một bài báo do nhóm của chuyên gia Janusz Petkowski thì ngay cả khi đó, tất cả các liên kết silic-oxy mạnh sẽ bị phá vỡ cùng một lúc, điều này sẽ khiến chúng không phù hợp với các quá trình sinh học.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là sự sống trên cạn không sử dụng silic. Loại tảo thông thường được gọi là tảo cát cần silic để phát triển. Và nếu không có silic, thực vật sẽ không có khả năng duy trì trạng thái cứng cáp mà vẫn linh hoạt. Axit silicic được tìm thấy trong mô liên kết của tóc, móng và da. Và khi xương bị gãy, hàm lượng silic cao sẽ được tìm thấy xung quanh chỗ gãy khi nó lành lại.

Tìm hiểu dạng sống silic

Trớ trêu thay, Trái đất lại là một hành tinh giàu silic. Vì vậy, nếu không có cơ hội cho sự sống dựa trên silic trên Trái đất, thì điều đó có khiến các hành tinh khác chịu kịch bản như hành tinh của chúng ta không? Không hẳn. Điều kiện tiên quyết cho sự sống dựa trên silic là một ngoại hành tinh hoặc vệ tinh của ngoại hành tinh không có lượng oxy tự do hoặc nước lỏng đáng kể. Trong trường hợp đó, các hợp chất silic hữu cơ có thể tồn tại. Trong môi trường như vậy, silan (SiH₄) có thể thay thế metan (CH₄). Cái gọi là polysilane (hợp chất có nhiều nhóm SiH₄) có thể là bước khởi đầu của một hóa sinh thay thế.

Một thế giới như vậy có thể trông như thế nào? Vật tương tự gần nhất trong hệ Mặt trời của chúng ta là mặt trăng lớn Titan của sao Thổ, không chỉ không có oxy và nước lỏng mà còn rất lạnh, điều này sẽ có lợi cho sự sống dựa trên silic. Tuy nhiên, cuộc sống trên Titan sẽ cần một dung môi khác với nước. Các hồ khí metan và etan lỏng của mặt trăng này có thể hoạt động. Nhưng Titan có rất nhiều carbon, có thể vượt trội hơn silic trong việc liên kết với các nguyên tố khác. Trên một thế giới có nhiệt độ ấm hơn một chút so với Titan, metanol có thể hoạt động như một dung môi khả thi cho sự sống dựa trên silic.

Một phát hiện đáng ngạc nhiên trong bài báo của Petkowski là axit sunfuric H2SO4 - thứ mà chúng ta thường nghĩ là chất gây chết người - về mặt lý thuyết có thể hỗ trợ sự đa dạng phong phú của hóa học silic hữu cơ. Có hai nơi trong hệ Mặt trời của chúng ta có nhiều axit sunfuric: tầng khí quyển thấp của sao Kim và vùng gần bề mặt của mặt trăng Io quay quanh sao Mộc. Có thể hơi xa vời khi suy đoán những địa điểm này là thiên đường cho sự sống, nhưng chúng ta phải từ bỏ quan điểm lấy Trái đất làm trung tâm để xem xét mọi khả năng. Sự sống từng nhiều lần làm chúng ta ngạc nhiên trong quá khứ. Và nếu chúng ta mạo hiểm ra ngoài hệ Mặt trời, chúng ta có thể khám phá ra nhiều hành tinh và mặt trăng ngoài sức tưởng tượng của chúng ta.

Sự sống phi hóa sinh

Cho đến nay, chúng ta mới chỉ nói về các thế giới quay quanh các ngôi sao hoặc hành tinh. Thế còn các hành tinh “mồ côi”, lang thang trong vũ trụ mà không gắn với bất kỳ hệ sao nào thì sao? Họ có thể sử dụng năng lượng nhiệt thay vì bức xạ sao làm nguồn năng lượng chính. Trên Trái đất, ánh sáng mặt trời duy trì sự sống vì có rất nhiều ánh sáng. Nhưng trên một sao neutron hoặc sao nam châm, sự sống có thể thu năng lượng từ chính từ trường của ngôi sao. Hai nhà khoa học Gerald Feinberg và Robert Shapiro thậm chí còn đề xuất rằng các sự sắp xếp khác nhau của mômen từ có thể được sử dụng như một cơ chế truyền thông tin từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo, giống như DNA làm trên Trái đất.

Cho đến nay, các nhà thiên văn học chỉ có thể phát hiện một số hợp chất silic hữu cơ trong không gian vũ trụ, và các hợp chất carbon dường như phong phú hơn nhiều. Carbon rất có thể chiếm ưu thế với sự sống ngoài hành tinh. Nhưng vẫn có thể có một vài hành tinh mà sự sống dựa trên silic đã phát triển.

Tất nhiên, nếu chúng ta nghĩ về sự tiến hóa trong tương lai, ngay cả trên hành tinh của chúng ta, thì cánh cửa cho sự sống dựa trên silic đang rộng mở. Một số định nghĩa về sự sống bao gồm những cỗ máy tự tái tạo có thể tự lắp ráp từ nguyên liệu thô, sau đó chuyển hướng dẫn lắp ráp sang những cỗ máy mới được chế tạo, những cỗ máy này có thể lặp lại quy trình chế tạo. Một ngày nào đó, dạng “sự sống” kiểu AI đó có thể thống trị các dạng sống dựa trên carbon khá nguyên thủy hiện đang diễn ra trên Trái đất: Chúng ta.

Khi tìm kiếm sự sống trên các hành tinh như Trái đất, vài giả định đơn giản là hữu ích nhằm giảm khối lượng công việc cho các nhà sinh học vũ trụ.

Một giả định là phần lớn dạng sống trong thiên hà của chúng ta là dựa trên hóa học carbon (hữu cơ), giống mọi dạng sống trên Trái đất. Carbon có khả năng khác thường là hình thành một lượng vô cùng lớn các phân tử xung quanh nó. Carbon là nguyên tố phổ biến thứ tư trong vũ trụ và năng lượng cần để hình thành hay phá vỡ liên kết carbon là vừa đủ để xây dựng nên các phân tử không những bền vững mà còn có thể tham gia các phản ứng hóa học. Thực tế rằng các nguyên tử carbon dễ dàng tạo liên kết với các nguyên tử carbon khác cho phép xây dựng nên những phân tử phức tạp và dài tùy ý.

Giả định thứ hai là sự hiện diện của nước ở dạng lỏng vì nó là một phân tử phổ biến và cung cấp một môi trường tuyệt vời cho sự hình thành các phân tử dựa trên carbon phức tạp mà cuối cùng có thể dẫn đến sự hình thành sự sống. Một vài nhà nghiên cứu cân nhắc cả môi trường Amonia, hoặc khả thi hơn, hỗn hợp nước-amonia.

Giả định thứ ba là tập trung vào các ngôi sao giống như Mặt trời. Điều này có nguồn gốc từ ý tưởng về khả năng sống được của các hành tinh. Các ngôi sao rất lớn có thời gian sống khá ngắn, nghĩa rằng sự sống khó có đủ thời gian để hình thành trên các hành tinh xoay quanh chúng. Các ngôi sao nhỏ cung cấp rất ít nhiệt và hơi ấm nên chỉ có các hành tinh ở quỹ đạo gần mới không bị đông cứng, và ở những quỹ đạo gần như thế các hành tinh rất có thể bị "khóa thủy triều" với Mặt trời. Nếu không có bầu khí quyển dày thì một bên của hành tinh sẽ luôn luôn bị đốt nóng và mặt kia luôn bị đóng băng. Vào năm 2005, vấn đề này được cộng đồng khoa học chú ý trở lại vì thời gian sống dài của các sao lùn đỏ có thể cho phép hình thành sự sống trên các hành tinh có khí quyển dày. Điều này rất có ý nghĩa vì các sao lùn đỏ vô cùng phổ biến.

Cập nhật: 21/12/2022 1thegioi