Hạt Giống Của Cuộc Sống Có Thể Đã Đến Trái Đất Bên Trong Một Sao Chổi?

Billions năm trước, hệ Mặt Trời của chúng ta hình thành trong một đám mây phân tử vũ trụ, một khu vườn được tạo ra từ khí và bụi tụ lại để tạo ra sao, sao chổi và hành tinh cuối cùng là Trái Đất của chúng ta. Ở đâu đó trong đường thời gian vũ trụ đó, axit amin tiền sự của cuộc sống đã xuất hiện. Những phân tử này kết nối với nhau để tạo ra các protein chịu trách nhiệm cho gần như mọi chức năng sinh học. Nhưng nơi mà những axit amin đó đến từ đã là một bí ẩn lâu dài. Các phần tử xây dựng sinh học này có cách nào đó xuất hiện từ điều kiện tiền sinh trên Trái Đất sớm, hay là hành tinh của chúng ta đã được gieo trồng với những thành phần này từ nơi khác trong vũ trụ?

Một số nhà thiên văn học cho rằng di sản của cuộc sống phải đã bắt đầu ngoại hành tinh, vì axit amin đã được phát hiện trong các thiên thạch, những chiếc hòm thời gian vũ trụ được tạo thành từ những nguyên liệu nguyên thủy giống như hệ Mặt Trời của chúng ta. (Một thiên thạch là một mảnh của một sao chổi hoặc bất kỳ hòn đá vũ trụ nào khác đã rơi xuống Trái Đất.) Nhưng mặc dù nỗ lực hết mình, các nhà khoa học không thể xác định chính xác cách những phân tử này đã đến đó. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm không thể sao chép được những gì có trong tự nhiên.

Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Băng Quang Vũ trụ của NASA đã bắt tay vào điều tra sự không nhất quán này bằng cách mô phỏng các hoạt động hóa học của các đám mây phân tử vũ trụ và sao chổi, hai nơi đã được biết đến là tạo ra axit amin. Mặc dù họ chưa giải quyết được bí ẩn, những kết quả mà họ công bố vào đầu tháng 1 gợi ý rằng có điều gì đó phức tạp đang xảy ra để tạo ra phân phối vật liệu được tìm thấy trong các thiên thạch.

Việc biết axit amin này đến từ đâu có thể nói lên điều gì đó về khả năng tồn tại của cuộc sống ở nơi khác trong vũ trụ, theo Danna Qasim, một nhà thiên hà học tại Viện Nghiên cứu tây nam lãnh thổ đã dẫn đầu nghiên cứu. Nếu chúng đến từ sao chổi trong hệ Mặt Trời của chúng ta, có thể có nghĩa là những thành phần này là duy nhất trong khu vực của chúng ta trong vũ trụ. Nhưng nếu chúng được sinh ra bởi đám mây phân tử cha mẹ của chúng ta, Qasim nói, "điều đó nói với chúng ta rằng đám mây này về cơ bản có một bộ dụng cụ khởi đầu đóng băng cho cuộc sống đã được phân phối đến các hệ Mặt Trời khác—và có thể là các hành tinh khác." 

Axit amin dễ tạo ra. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, trong điều kiện đúng, chúng xuất hiện khi tia cực quang vũ trụ chiếu sáng tảng đá phân tử giữa sao, và từ hóa học lăn qua bên trong bụng của sao chổi. Chuỗi ngắn axit amin thậm chí có thể tự nhiên hình thành trên bụi sao. Nhưng các thí nghiệm khác chứng minh rằng những phân tử này có thể đã từng được tạo ra trên hành tinh của chúng ta: bên trong các khe nước nóng sâu ở đại dương cổ, hoặc khi sét đánh vào soupe hữu cơ của Trái Đất sớm. 

Tuy nhiên, những phân tử này mà một mình—và thậm chí cả protein mà chúng tạo ra—không phải là cuộc sống, giống như một tấm wafer silic muốn một máy tính một mình không phải là một máy tính, theo Jason Dworkin, cộng tác viên nghiên cứu, một nhà thiên văn sinh học tại Trung tâm Chuyển động Vũ trụ Goddard của NASA. "Tấm wafer đó là cần thiết nếu được tổ chức theo một cách cụ thể, kết nối với nguồn điện, và được mã hóa với phần mềm cho phép nó thực hiện một điều gì đó," anh ấy nói. Tương tự, hạt giống thực sự của cuộc sống phải có khả năng thực hiện các chức năng đặc trưng như tạo năng lượng, nhân bản và truyền dạy các đặc tính cho con cháu. 

Xác định nguồn gốc của axit amin tiền sinh, vì vậy, là một bước đầu tiên để khám phá ra các quá trình kích thích sinh học. Tuy nhiên, đã khó để xác định xem con đường nào—bụi sao hay nước sôi nguyên thủy, khe nước sâu hay đá băng vũ trụ bị chiếu sáng—dẫn đến cuộc sống. "Việc có được axit amin là khá đơn giản," Dworkin nói. "Nhưng có được axit amin được sử dụng trong sinh học là một bí ẩn hơn." 

Gần một trăm loại axit amin khác nhau đã được quan sát trong sao chổi, nhưng chỉ có mười hai trong số 20 loại cần thiết cho sự sống đã được tìm thấy. Axit amin sinh học cũng có một đặc điểm khiến chúng bị lộ: Tất cả đều có cấu trúc "tay trái", trong khi quá trình phi sinh tạo tạo ra phân tử tay trái và phải trái một cách bằng nhau. Một số sao chổi được phát hiện trên Trái Đất có sự dư thừa của axit amin tay trái, Dworkin nói—hệ thống không sinh học duy nhất từng được quan sát với sự mất cân bằng này. 

Cho thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra lý thuyết rằng axit amin được tạo ra lần đầu tiên trong đám mây phân tử tinh khiết, sau đó đi đến Trái Đất bên trong các sao chổi. Họ quyết định tái tạo điều kiện những phân tử này đã phải đối mặt ở mỗi giai đoạn trong hành trình của chúng. Nếu quá trình này tạo ra cùng loại axit amin—với tỉ lệ tương tự—như những gì được tìm thấy trong các sao chổi phục hồi, điều này sẽ giúp xác nhận lý thuyết. 

Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách tạo ra những tinh thể đặc biệt phổ biến được tìm thấy trong các đám mây phân tử tinh khiết—nước, khí CO2, methanol và amoniac—trong một buồng chân không. Sau đó họ chiếu một tia proton năng lượng cao vào các tinh thể, mô phỏng các va chạm với tia cực quang vũ trụ ở không gian sâu. Các tinh thể bị phá vỡ và tụ hợp lại thành các phân tử lớn, cuối cùng tạo ra một chất cặn nhìn thấy bằng mắt thường: các miếng axit amin. 

Tiếp theo, họ mô phỏng nội của sao chổi, chứa nước lỏng và có thể nóng bất ngờ: giữa 50 và 300 độ C. Họ đặt chất cặn trong nước ở 50 và 125 độ C trong thời gian khác nhau. Điều này tăng cường mức độ của một số axit amin, nhưng không phải tất cả. Lượng glycine và serine, ví dụ, đều tăng gấp đôi. Nội dung alanine giữ nguyên. Nhưng tỉ lệ tương đối của chúng duy trì nhất quán trước và sau khi miếng cặn được đặt vào mô phỏng sao chổi—luôn có nhiều glycine hơn serine, và nhiều serine hơn alanine. 

Xu hướng này đáng chú ý, Qasim nói, vì nó cho thấy rằng điều kiện bên trong đám mây phân tử tinh khiết đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến thành phần của axit amin bên trong sao chổi. Nhưng cuối cùng, thí nghiệm của họ gặp vấn đề giống như các nghiên cứu phòng thí nghiệm khác: Phân phối của axit amin vẫn không khớp với những gì được tìm thấy trong sao chổi thực tế. Điểm khác biệt đáng chú ý nhất là sự dư thừa của alpha-alanine so với beta-alanine trong mẫu phòng thí nghiệm của họ. (Trong sao chổi, điều này thường xảy ra ngược lại.) Nếu có một công thức để tạo ra tiền thân của sự sống, họ chưa tìm thấy nó.

Điều này có thể là do công thức của họ quá đơn giản, Qasim nói: “Các thí nghiệm tiếp theo cần phức tạp hơn—chúng ta cần thêm khoáng sản và xem xét thêm các tham số và điều kiện của sao chổi liên quan.”

Nhưng còn một khả năng khác. Có thể các mẫu sao chổi mà họ đã sử dụng để so sánh bị ô nhiễm. Khi sao chổi đâm xuống, chúng có thể đã bị thay đổi bởi tác động của khí quyển và sinh học của Trái Đất, cũng như hàng thế kỷ hoạt động địa chất đã làm tan chảy, hấp thụ và tái chế bề mặt hành tinh.

Một cách để kiểm tra điều này là sử dụng một mẫu nguyên vẹn như điểm xuất phát: Vào tháng 9 này, nhiệm vụ OSIRIS-REx của NASA sẽ mang về một mảnh khoảng như 200 gram của sao chổi Bennu. (Đó là 40 lần lớn hơn so với mẫu cuối cùng chúng ta nhận được từ đá không gian nguyên vẹn.) Một phần tư mẫu sẽ được phân tích để xác định axit amin, điều này sẽ giúp xác định nguồn gốc của những sự khác biệt giữa các nghiên cứu phòng thí nghiệm và sao chổi. Điều này cũng có thể khám phá ra những vật liệu dễ vỡ khác tồn tại trong các sao chổi, nhưng không thể sống sót trong chuyến đi đến hành tinh của chúng ta mà không có sự bảo vệ của một tàu vũ trụ. Thông tin này sẽ giúp nhóm của Qasim hoàn thiện công thức của họ.

Phần còn lại của mẫu Bennu, giống như những mẫu từ nhiệm vụ Apollo cách đây 50 năm, sẽ được đặt trong các container kín khít để tạo cơ hội cho các nhà khoa học chưa ra đời để phân tích sao chổi bằng các phương pháp và công nghệ chưa được phát minh. “Đây là di sản của việc trả mẫu,” nói Dworkin, người làm khoa học dự án cho OSIRIS-REx. Thí nghiệm phòng thí nghiệm như thế này, ông nói, - những thí nghiệm mô phỏng điều kiện không gian - rất quan trọng để giải thích những mẫu này. Hiểu rõ hơn về hóa học sao chổi sẽ hữu ích khi phân tích hòn đá không gian được đưa về, và giúp các nhà khoa học xác định xem lý thuyết nào của họ phù hợp nhất với tự nhiên.

Cũng có một cách thứ ba để nghĩ về vấn đề này: Có lẽ chúng ta đang nhìn quá xa từ nhà. Có lẽ các điều kiện đặc biệt tạo ra sự sống đã xảy ra ở đây, không phải ở không gian.

Yana Bromberg, một nhà toán thông tin sinh học tại Đại học Rutgers, nghĩ rằng bí mật của sự sống sẽ được tìm thấy trong các hồ sơ sinh học dựa trên Trái Đất, chứ không phải trong các hồ sơ địa chất. “Núi đá có xu hướng bị nghiền nát và lặp đi lặp lại,” cô nói. “Việc theo dõi lịch sử như cách này là khó khăn.” Thay vào đó, Bromberg tìm kiếm các bản thiết kế gen để tạo năng lượng tế bào, một quá trình có thể đã được phát minh bởi - và thừa hưởng từ - các protein cổ điển được tạo ra từ chất nhầy ban đầu của Trái Đất. Năm ngoái, cô đã công bố công việc cho thấy sự tương đồng trong các lõi của các protein hiện đại được sử dụng bởi các sinh vật khác nhau, gợi ý rằng chúng có thể truy vết về cùng một tổ tiên.

Nhưng trong khi cô ủng hộ nguồn gốc trái đất, Bromberg không nghĩ rằng chỉ có Trái Đất mới có thể tạo ra sự sống: “Tôi nghi ngờ rằng bạn có thể tạo ra axit amin từ bất kỳ nước sôi nào, bất kỳ hành tinh nào bạn đang ở,” cô nói.

“Có thể có môi trường đặc biệt, duy nhất, chỉ tồn tại ở một nơi, và sau đó mọi thứ được nhả ra. Điều đó sẽ thú vị để biết,” nói nhà hành tinh học Aaron Burton, người phân tích vật liệu hành tinh tại Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA để hiểu những quá trình hóa học nào có thể đã dẫn đến sự sống. Trực giác của anh ấy nói với anh ấy rằng sinh học nảy sinh trên Trái Đất - nhưng đó không phải là động lực đưa ra nghiên cứu của anh ấy. “Dù chúng ta nghĩ rằng nó bắt đầu ở đâu, thì nó đã bắt đầu như thế nào? Đó, với tôi, là câu hỏi thú vị. Và sau đó, chúng ta sẽ trả lời 'ở đâu' dọc đường.”

Có thể câu trả lời cho việc liệu sự sống có bắt đầu trên Trái Đất hay không, ở không gian hay cả hai. Có thể trong trường hợp của Trái Đất, “không gian không quan trọng trừ việc cung cấp nguyên liệu thô,” Dworkin nói, và mọi thứ quan trọng sau đó đều xảy ra ở đây. Nhưng cũng có khả năng rằng các quá trình hóa học tương tự cũng đang diễn ra ở không gian sâu - cuối cùng, chúng sử dụng cùng một thành phần. Điều đó có nghĩa là có nhiều môi trường đầy tiềm năng cho sự sống trong vũ trụ của chúng ta, cả ở trên mặt đất và trên thiên đàng.

Cập nhật 2.21.2023 12:15 ET: Câu chuyện này đã được cập nhật để sửa lỗi về sự phổ biến của axit amin alpha-alanine so với axit amin beta-alanine trong các mẫu thí nghiệm phòng thí nghiệm.