Nghiên cứu mới thách thức giả thuyết 60 năm về sự sống trên Trái Đất

Một giả thuyết cho rằng va chạm sao chổi đã gieo mầm sự sống trên Trái Đất sơ khai có thể bị bác bỏ bởi những nghiên cứu mới. Ảnh: NASA.

Một giả thuyết được nhiều nhà khoa học theo đuổi suốt hàng chục năm cho rằng sao chổi đã góp phần đưa những nguyên liệu cần thiết để sự sống hình thành trên Trái Đất. Tuy nhiên, các mô phỏng máy tính mới cho thấy những phân tử hữu cơ mong manh có thể đã bị phá hủy ngay khi các thiên thể băng giá này va chạm với hành tinh của chúng ta.

Phát hiện mới đặt dấu hỏi lớn đối với một trong những giả thuyết về nguồn gốc sự sống trên Trái Đất, đồng thời mở ra những hướng giải thích khác, từ tiểu hành tinh cho đến khả năng sao Hỏa từng có điều kiện thuận lợi hơn để hình thành các hợp chất tiền sinh học.

Sự sống trên Trái Đất cần đến những phân tử hữu cơ phức tạp. Tuy nhiên, giới khoa học vẫn chưa xác định được liệu hành tinh của chúng ta thuở sơ khai có đủ nguyên liệu thô để diễn ra quá trình hóa học tiền sinh học hay không. Đây là chuỗi phản ứng hóa học tạo ra những thành phần cơ bản cần thiết cho sự sống.

Sao chổi được cấu tạo chủ yếu từ bụi và băng, nhưng chúng cũng chứa các vật chất hữu cơ. Thành phần này khiến những thiên thể ấy được ví như những “quả cầu tuyết bẩn”, đồng thời dẫn đến giả thuyết rằng sao chổi có thể đã mang nước và các phân tử hữu cơ đến bề mặt Trái Đất.

Theo nghiên cứu mới công bố hôm thứ Tư trên tạp chí Scientific Reports, trong giai đoạn đầu của lịch sử hành tinh, cách đây hơn 4 tỷ năm, Trái Đất có thể đã trải qua một đợt oanh tạc dữ dội từ hơn 100.000 sao chổi có đường kính trên 100 m. Tuy nhiên, phần lớn các vụ va chạm này có cường độ quá lớn, khiến những phân tử được cho là nguyên liệu khởi đầu sự sống khó có thể tồn tại nguyên vẹn.

Nhóm nghiên cứu sử dụng các mô hình mới nhất về quá trình hình thành và tiến hóa của sao chổi để mô phỏng giai đoạn sơ khai này của Trái Đất 100.000 lần.

“Dựa trên những gì chúng ta biết về môi trường bề mặt Trái Đất thời kỳ đầu, các mô phỏng cho thấy trung bình không có vụ va chạm nào thành công”, tác giả chính Richard Anslow cho biết. Ông thực hiện nghiên cứu trong thời gian làm luận án tiến sĩ tại Viện Thiên văn học thuộc Đại học Cambridge, Anh.

Các sao chổi chứa hàm lượng lớn những phân tử quan trọng đối với sự sống. Thế nhưng, mô phỏng cho thấy chúng di chuyển quá nhanh khi lao vào Trái Đất, khiến việc đưa những hợp chất này xuống bề mặt hành tinh một cách nguyên vẹn trở nên rất khó khăn.

“Vận tốc điển hình của sao chổi khi va chạm với Trái Đất đồng nghĩa với việc rất ít, thậm chí không có thiên thể nào có thể đưa các phân tử hữu cơ xuống đây mà vẫn giữ nguyên cấu trúc. Vì vậy, sao chổi dường như không hữu ích đối với quá trình hóa học tiền sinh học như những gì chúng ta từng nghĩ”, ông Anslow nói.

Các sao chổi như 67P/Churyumov-Gerasimenko, được quan sát vào tháng 1/2015, phát ra một lượng lớn bụi và khí. Ảnh: ESA.

Cụ thể, 54% số lần mô phỏng không ghi nhận bất kỳ vụ va chạm nào. Trong 46% trường hợp còn lại, ít nhất một vụ va chạm xảy ra, nhưng chỉ một tỷ lệ rất nhỏ ghi nhận tới 3 lần va chạm, ông Anslow cho biết.

Nhà nghiên cứu thừa nhận nhóm chưa thể loại trừ hoàn toàn khả năng từng có một vụ va chạm thành công. “Chúng ta không thể tự tin khẳng định rằng chưa từng có vụ va chạm nào như vậy. Có thể đã xảy ra một trường hợp cực kỳ hiếm hoi”.

Tuy nhiên, để kịch bản này thành hiện thực, sao chổi phải va chạm đúng vào một “vị trí hoàn hảo”, nơi đã hội tụ nhiều điều kiện quan trọng, trong đó có nước ở dạng lỏng và các hóa chất khác cần thiết để hỗ trợ sự sống. Sự kết hợp hiếm hoi ấy khiến toàn bộ quá trình trở nên khó xảy ra, ông Anslow nhận định.

Những giả thuyết khác về nguồn gốc sự sống

Nghiên cứu tập trung vào hydro xyanua (HCN), một hợp chất hóa học có trong tự nhiên và đóng vai trò tiền chất quan trọng trong quá trình hóa học tiền sinh học. Hợp chất này đã được phát hiện trong hàng chục sao chổi, trong đó có những thiên thể nổi tiếng như sao chổi Halley và Hale-Bopp.

HCN gồm hydro, carbon và nitơ. Khi kết hợp với nước, hợp chất này có thể tham gia vào quá trình hình thành axit amin – những phân tử cấu thành protein. Một số nghiên cứu trước đây cũng xác định HCN là một trong những thành phần tiềm năng đóng vai trò quan trọng đối với nguồn gốc sự sống trên Trái Đất.

“Khi sao chổi va chạm với Trái Đất, chúng phải chịu những cú sốc tạo ra nhiệt độ và áp suất cực cao. Các nghiên cứu gần đây cho thấy nhiều phân tử tiền chất có thể bị phá hủy bởi nhiệt độ, áp suất lớn cũng như những tác động tiếp theo của vụ va chạm”, ông Anslow giải thích.

Theo nhóm nghiên cứu, ngay cả khi một vụ va chạm thành công xảy ra, lượng HCN được sao chổi đưa đến cũng khó đạt nồng độ đủ hữu ích cho các phản ứng hóa học tiền sinh học. Nếu va chạm xảy ra trên đại dương, hợp chất này còn có thể nhanh chóng hòa tan vào nước.

Hydro xyanua hay HCN, một tiền chất quan trọng trong hóa học tiền sinh học, đã được phát hiện trong hàng chục sao chổi, bao gồm cả sao chổi Halley, được thể hiện trong hành trình trở về hệ mặt trời bên trong. Ảnh: NASA.

Ngoài ra, để các phản ứng tiền sinh học diễn ra, cần có nhiều phân tử tiền chất khác, chẳng hạn những hợp chất chứa phốt pho và lưu huỳnh. Tuy nhiên, các thành phần này không thường xuyên được tìm thấy trong sao chổi, ông Anslow cho biết.

“Sao chổi rất hiệu quả trong việc mang hydro xyanua đến Trái Đất. Nhưng vị trí va chạm của chúng mang tính ngẫu nhiên, nên không có gì bảo đảm rằng tất cả những thành phần hóa học khác cần thiết cho quá trình này cũng sẽ có mặt ngay tại địa điểm đó”, ông nói.

Nếu sao chổi không phải nguồn cung cấp các thành phần cấu tạo nên sự sống trên Trái Đất, vẫn còn một số hướng giải thích khác đáng để nghiên cứu.

Một giả thuyết đã tồn tại từ lâu cho rằng “nồi súp nguyên thủy” trên Trái Đất có thể tự tổng hợp những phân tử cần thiết cho sự sống. Theo cách giải thích này, các hợp chất hữu cơ hình thành thông qua những phản ứng hóa học diễn ra ngay trên hành tinh, thay vì được đưa đến từ không gian.

Một nguồn vật chất hữu cơ khác có thể đến từ các tiểu hành tinh. Những thiên thể này thường va chạm với Trái Đất ở tốc độ thấp hơn sao chổi và xuất hiện với số lượng lớn hơn.

Ông Anslow dẫn các phát hiện gần đây từ những mẫu vật thu thập trên hai tiểu hành tinh Bennu và Ryugu. Các mẫu vật này chứa phần lớn những axit amin cần thiết để cấu tạo protein.

Nghiên cứu mới còn gợi ra một khả năng đáng chú ý khác: Nếu Trái Đất thời kỳ sơ khai không có điều kiện lý tưởng để giữ lại HCN từ các vụ va chạm với sao chổi, sao Hỏa cổ đại có thể đã thuận lợi hơn.

“Vì sao Hỏa nhỏ hơn Trái Đất rất nhiều và nằm xa Mặt Trời hơn, vận tốc va chạm điển hình của sao chổi với hành tinh này cũng thấp hơn. Do đó, trong khi phần lớn HCN bị phá hủy khi sao chổi va vào Trái Đất, điều tương tự có thể không xảy ra nhiều trên sao Hỏa”, ông Anslow giải thích.

Giả thuyết này có thể bổ sung một góc nhìn mới cho câu hỏi đã tồn tại từ lâu: Liệu hành tinh đỏ từng có điều kiện hỗ trợ sự sống hay không?

“Đây chỉ là một góc nhìn khác mà chúng ta nên lưu tâm khi tìm cách hiểu rõ hơn quá trình tiến hóa ban đầu của sao Hỏa”, ông Anslow nói.

Giả thuyết sao chổi vẫn chưa hoàn toàn bị bác bỏ

Dù nghiên cứu phân tích kỹ khả năng HCN tồn tại sau khi sao chổi va chạm với Trái Đất, một nhà khoa học không tham gia công trình cho rằng hợp chất này có thể đã trải qua các phản ứng hóa học từ trước khi những thiên thể băng giá đi vào khí quyển Trái Đất.

Hình ảnh động minh họa mô tả một sao chổi khi nó tiến gần đến hệ mặt trời bên trong. Nguồn: NASA.

Theo Queenie Chan, phó giáo sư khoa học Trái Đất tại Đại học Royal Holloway, London, quá trình biến đổi này có thể tạo ra những hợp chất quan trọng về mặt sinh học, chẳng hạn các thành phần cấu tạo protein. Những chất này ít dễ bay hơi hơn và có khả năng sống sót sau va chạm cao hơn HCN.

“Vì vậy, việc sao chổi không thể đưa HCN nguyên vẹn đến Trái Đất một cách hiệu quả không đồng nghĩa với việc chúng hoàn toàn không có vai trò cung cấp những hợp chất hữu cơ quan trọng khác, vốn có thể góp phần bổ sung nguồn vật chất hữu cơ tiền sinh học trên hành tinh trước khi sự sống xuất hiện”, bà Chan viết trong email.

Trong khi đó, Nicolle Zellner, giáo sư vật lý tại Đại học Albion ở bang Michigan, Mỹ, cho biết bà không bất ngờ trước những phát hiện này.

Dù cũng không muốn loại bỏ hoàn toàn khả năng sao chổi từng góp phần vào sự xuất hiện của sự sống, bà thừa nhận nghiên cứu đã đưa ra những giới hạn và cơ sở định lượng đáng chú ý để đánh giá khả năng đó.

Nói cách khác, công trình chưa khép lại cuộc tranh luận về vai trò của sao chổi trong nguồn gốc sự sống. Nhưng nó cho thấy việc các thiên thể này mang theo những hợp chất hữu cơ không đồng nghĩa với việc chúng có thể đưa các thành phần ấy đến Trái Đất một cách nguyên vẹn và đúng điều kiện để sự sống bắt đầu.