Cuộc hành trình đi tìm sự sống ngoài Trái Đất nên bắt đầu từ đâu?

Sự sống ngoài hành tinh có thể không giống bất kỳ thứ gì chúng ta từng thấy trên Trái đất. Việc cố gắng tìm bằng chứng về những sinh vật chưa biết này sẽ đòi hỏi một chút sáng tạo.

Chúng ta chỉ có một ví dụ về sự hình thành sinh học trong vũ trụ, đó là sự sống trên Trái Đất. Nhưng nếu sự sống có thể hình thành theo những cách khác thì sao? Làm sao chúng ta có thể tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh khi bạn không biết sự sống ngoài hành tinh trông như thế nào?

Những câu hỏi này đang làm đau đầu các nhà sinh vật học vũ trụ, những nhà khoa học tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất. Các nhà sinh vật học vũ trụ đã cố gắng đưa ra các quy tắc chung chi phối sự xuất hiện của các hệ thống vật lý và sinh học phức tạp trên và ngoài Trái Đất.

Theo Giáo sư Thiên văn học Chris Impey thuộc Đại học Arizona, dạng sống ngoài Trái Đất phổ biến nhất có thể là vi sinh vật, vì các tế bào đơn lẻ có thể hình thành dễ dàng hơn các sinh vật lớn.

Phát hiện sự sống ngoài Trái Đất

Kể từ lần đầu tiên phát hiện ra một ngoại hành tinh vào năm 1995, hơn 5.000 ngoại hành tinh hay hành tinh quay quanh các ngôi sao khác đã được tìm thấy. Nhiều ngoại hành tinh trong số này có kích thước nhỏ và là hành tinh đá, giống như Trái Đất, cũng như nằm trong khu vực có thể sinh sống được. Vùng có thể sinh sống là phạm vi khoảng cách giữa bề mặt của hành tinh và ngôi sao mà nó quay quanh, cho phép hành tinh có nước ở thể lỏng và do đó hỗ trợ sự sống như chúng ta biết trên Trái Đất.

Mẫu ngoại hành tinh được phát hiện cho đến nay dự đoán 300 triệu thí nghiệm sinh học tiềm năng trong thiên hà của chúng ta - hoặc 300 triệu địa điểm bao gồm các ngoại hành tinh và các thiên thể khác như mặt trăng, với các điều kiện sinh học phù hợp.

Sự không chắc chắn đối với các nhà nghiên cứu bắt đầu từ định nghĩa về sự sống. Có vẻ như việc định nghĩa sự sống là dễ dàng vì chúng ta biết sự sống tồn tại khi quan sát được một con chim đang bay hay một vi khuẩn di chuyển trong giọt nước. Nhưng các nhà khoa học không thống nhất về định nghĩa và một số người cho rằng không thể có một định nghĩa toàn diện.

NASA định nghĩa sự sống là "phản ứng hóa học tự duy trì có khả năng tiến hóa theo thuyết Darwin". Điều đó có nghĩa là các sinh vật có hệ thống hóa học phức tạp tiến hóa bằng cách thích nghi với môi trường của chúng. Thuyết tiến hóa của Darwin nói rằng sự sống của một sinh vật phụ thuộc vào sự thích nghi trong môi trường của nó.

Sự tiến hóa của sự sống trên Trái Đất đã tiến triển hàng tỷ năm từ các sinh vật đơn bào đến các loài động vật lớn và các loài khác, bao gồm cả con người.

Các ngoại hành tinh ở xa và mờ hơn hàng trăm triệu lần so với ngôi sao chủ của nó, vì vậy, việc nghiên cứu chúng là một thách thức. Các nhà thiên văn học có thể kiểm tra bầu khí quyển và bề mặt của các ngoại hành tinh giống Trái Đất bằng một phương pháp gọi là quang phổ để tìm kiếm các dấu hiệu hóa học của sự sống.

Quang phổ có thể phát hiện ra dấu hiệu của oxy trong bầu khí quyển của hành tinh mà vi khuẩn được gọi là tảo lam lục được tạo ra thông qua quá trình quang hợp trên Trái Đất cách đây vài tỷ năm, hoặc dấu hiệu của diệp lục - biểu thị sự sống của thực vật.

Định nghĩa về sự sống của NASA dẫn đến một số câu hỏi quan trọng nhưng chưa có lời giải đáp. Liệu thuyết tiến hóa của Darwin có mang tính phổ quát không? Những phản ứng hóa học nào có thể tạo ra sinh vật ngoài Trái Đất?

Sự tiến hóa và tính phức tạp

Tất cả sự sống trên Trái Đất, từ bào tử nấm đến cá voi xanh, đều tiến hóa từ tổ tiên chung cuối cùng của vi khuẩn cách đây 4 tỷ năm. Các quá trình hóa học giống nhau được tìm thấy ở tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất và những quá trình đó có thể mang tính phổ quát. Nhưng chúng cũng có thể hoàn toàn khác biệt ở những nơi khác.

Tháng 10/2024, một nhóm các nhà khoa học đã tập trung lại để mang đến những tư duy mới mẻ về thuyết tiến hóa. Họ muốn lùi lại và khám phá xem liệu quá trình nào đã tạo ra trật tự trong vũ trụ - dù là có tính sinh học hay không - để tìm ra cách nghiên cứu sự xuất hiện của sự sống hoàn toàn khác với sự sống trên Trái Đất.

Hai nhà nghiên cứu trình bày lập luận rằng các hệ thống chất hóa học và khoáng chất phức tạp, khi ở trong những môi trường cho phép một số cấu hình tồn tại tốt hơn những cấu hình khác, sẽ tiến hóa để lưu trữ lượng thông tin lớn hơn. Theo thời gian, hệ thống sẽ trở nên đa dạng và phức tạp hơn, đạt được các chức năng cần thiết để tồn tại thông qua chọn lọc tự nhiên.

Họ suy đoán rằng có thể có một quy luật để mô tả quá trình tiến hóa của nhiều hệ thống vật lý khác nhau. Tiến hóa sinh học thông qua chọn lọc tự nhiên chỉ là một ví dụ về quy luật rộng hơn này.

Trong sinh học, thông tin có liên quan đến các hướng dẫn được lưu trữ trong trình tự các nucleotide trên phân tử DNA, cùng nhau tạo nên bộ gen của sinh vật và quyết định sinh vật trông như thế nào và hoạt động như thế nào.

Nếu ta định nghĩa sự phức tạp theo lý thuyết thông tin, chọn lọc tự nhiên sẽ khiến bộ gen trở nên phức tạp hơn khi nó lưu trữ nhiều thông tin hơn về môi trường của nó.

Sự phức tạp có thể hữu ích trong việc đo lường ranh giới giữa sự sống và những thứ không có sự sống.

Tuy nhiên, kết luận động vật phức tạp hơn vi khuẩn là không chính xác. Thông tin sinh học tăng theo kích thước bộ gen nhưng mật độ thông tin tiến hóa lại giảm. Mật độ thông tin tiến hóa là tỷ lệ các gen chức năng trong bộ gen hoặc tỷ lệ tổng vật liệu di truyền thể hiện sự phù hợp với môi trường.

Các sinh vật mà chúng ta cho là nguyên thủy, chẳng hạn như vi khuẩn, sở hữu bộ gen có mật độ thông tin cao và do đó có vẻ được thiết kế tốt hơn so với bộ gen của thực vật hoặc động vật.

Lý thuyết phổ quát về sự sống vẫn còn khó nắm bắt. Một lý thuyết như vậy sẽ bao gồm các khái niệm về sự phức tạp và lưu trữ thông tin, nhưng nó sẽ không gắn liền với DNA hoặc các loại tế bào cụ thể mà chúng ta tìm thấy trong các sinh vật trên cạn.

Ý nghĩa đối với việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất

Tất cả sinh vật sống từ vi khuẩn đến con người đều chứa nước và đó là dung môi cần thiết cho sự sống trên Trái Đất. Dung môi là môi trường lỏng tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học mà từ đó sự sống có thể xuất hiện. Tuy nhiên, sự sống cũng có khả năng xuất hiện từ các dung môi khác.

Các nhà sinh học vũ trụ Willam Bains và Sara Seager đã khám phá ra hàng nghìn phân tử có liên quan đến sự sống. Các dung môi phù hợp bao gồm axit sunfuric, amoniac, carbon dioxide lỏng và thậm chí cả lưu huỳnh lỏng.

Sự sống ngoài hành tinh có thể không dựa trên carbon, vốn tạo thành xương sống của tất cả phân tử thiết yếu của sự sống - ít nhất là trên Trái Đất. Nó thậm chí có thể không cần một hành tinh để tồn tại.

Các dạng sống tiên tiến trên các hành tinh khác có thể kỳ lạ đến mức chúng ta không nhận ra. Khi các nhà sinh học vũ trụ cố gắng phát hiện sự sống ngoài Trái Đất, họ sẽ cần sáng tạo.

Một chiến lược là đo các dấu hiệu khoáng chất trên bề mặt đá của các ngoại hành tinh vì sự đa dạng của khoáng chất theo dõi quá trình tiến hóa trên cạn. Khi sự sống tiến hóa trên Trái Đất, nó đã sử dụng và tạo ra các khoáng chất cho các bộ xương ngoài và môi trường sống. Hàng trăm khoáng chất có mặt khi sự sống đầu tiên hình thành đã tăng lên khoảng 5.000 hiện nay.

Một chiến lược khác để tìm kiếm sự sống không giống trên Trái Đất là phát hiện bằng chứng về một nền văn minh, chẳng hạn như ánh sáng nhân tạo hoặc nitơ dioxide trong khí quyển. Đây là những ví dụ về các dấu vết của sự sống thông minh được gọi là kỹ thuật tín hiệu (technosignature).

Người ta vẫn chưa rõ cách thức và thời điểm phát hiện ra sự sống đầu tiên ngoài Trái đất. Có thể là trong Hệ mặt trời, hoặc bằng cách xem xét bầu khí quyển của các ngoại hành tinh, hoặc bằng cách phát hiện các tín hiệu vô tuyến nhân tạo từ một nền văn minh xa xôi.