Xác nhận tỷ lệ vàng tạo ra sự sống trên mặt trăng của sao Thổ

Hầu hết những gì chúng ta biết về Enceladus và đại dương phủ đầy băng của nó đều đến từ Cassini, tàu vũ trụ Cassini đã kết thúc hành trình khám phá hệ thống sao Thổ vào năm 2017. Mặc dù vậy, cho đến nay, các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu dữ liệu của nó. Nghiên cứu mới dựa trên dữ liệu của Cassini củng cố ý tưởng rằng Enceladus có các hóa chất cần thiết cho sự sống.

Trong quá trình thực hiện sứ mệnh của mình, Cassini đã phát hiện ra những cột khí giống như mạch nước phun xuyên qua lớp vỏ băng giá của Enceladus. Vào năm 2008, Cassini đã thực hiện một chuyến bay gần và phân tích các cột khí bằng Máy phân tích bụi vũ trụ (CDA).

CDA cho thấy trong cột khí là hỗn hợp các chất dễ bay hơi đáng ngạc nhiên, gồm carbon dioxide CO2, hơi nước và carbon monoxide CO. CDA cũng tìm thấy một lượng nhỏ nitơ phân tử, hydrocarbon đơn giản và các chất hữu cơ phức tạp.

Nhưng dữ liệu của Cassini vẫn đang được phân tích, thậm chí sáu năm sau khi nó kết thúc sứ mệnh bi hùng bằng việc lao vào bầu khí quyển của sao Thổ. Một bài khoa học mới có tiêu đề "Quan sát thành phần nguyên tố của Enceladus phù hợp với các mô hình tổng quát của hệ sinh thái lý thuyết" trình bày một số phát hiện mới. Tác giả chính là Daniel Muratore, một tiến sĩ tại Viện Santa Fe.

Công trình tập trung vào việc phát hiện ra amoniac và phốt pho vô cơ trong đại dương Enceladus. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng lý thuyết và mô hình hóa - sinh và trao đổi chất để tìm hiểu làm thế nào những hóa chất này có thể khiến sự sống thích nghi được với môi trường Enceladus.

Các tác giả giải thích: “Ngoài việc suy đoán về nồng độ ngưỡng của các hợp chất hoạt tính sinh học để hỗ trợ sự sống, lý thuyết sinh thái và trao đổi chất có thể cung cấp một lăng kính diễn giải mạnh mẽ để đánh giá liệu môi trường ngoài Trái đất có tương thích với hệ sinh thái hay không”.

Một thành phần quan trọng của lý thuyết sinh thái là tỷ lệ Redfield. Tỷ lệ này được đặt theo tên của nhà hải dương học người Mỹ Alfred Redfield. Năm 1934, Redfield công bố kết quả cho thấy tỷ lệ carbon, nitơ và phốt pho (C:N:P) rất ổn định trong sinh khối đại dương ở mức 106:16:1. Các nhà nghiên cứu khác phát hiện ra rằng tỷ lệ này có thay đổi đôi chút tùy thuộc vào khu vực và các loài thực vật phù du hiện diện. Các khám phá gần đây hơn đã cải tiến tỷ lệ thành 166:22:1.

Những con số chính xác không nhất thiết phải là điểm quan trọng mà kết luận của Redfield mới là phần quan trọng. Tỷ lệ Redfield cho thấy sự thống nhất đáng chú ý giữa tính chất hóa học của các sinh vật sống trong đại dương và chính đại dương. Ông đề xuất rằng có sự cân bằng giữa nước biển và dưỡng chất của sinh vật phù du dựa trên phản hồi sinh học.

Từ đó, ông mô tả cơ cấu hóa học của chất dinh dưỡng và sinh vật đơn giản rồi đi đến kết luận: “Dù giải thích thế nào đi nữa thì về mặt sinh học trong biển, tỷ lệ tương ứng giữa lượng nitơ và phốt pho có sẵn cũng như tỷ lệ chúng được sinh vật phù du sử dụng là một hiện tượng đáng được quan tâm nhiều nhất”.

Nếu vậy, việc phát hiện ra amoniac và phốt pho trong đại dương Enceladus có liên quan như thế nào đến tỷ lệ Redfield và tiềm năng nuôi dưỡng sự sống của Enceladus?

Tỷ lệ Redfield được phổ biến rộng rãi trên khắp hệ sinh vật trên Trái đất. Các tác giả của bài báo khoa học viết: “Vì tỷ lệ Redfield dường như có mặt ở khắp mọi nơi, nên nó được coi là kim chỉ nam để phát hiện sinh vật trong vũ trụ, đặc biệt là trong các đại dương như Europa và Enceladus”.

Khi nói đến sự sống, tất cả những gì chúng ta phải tìm hiểu là quy chiếu về Trái đất. Vì vậy, thật hợp lý khi sử dụng các khía cạnh hóa học của hệ sinh thái trên Trái đất làm lăng kính để kiểm tra các thế giới có tiềm năng hỗ trợ sự sống khác.

Phân tích dữ liệu của Cassini từ các cột khí của Enceladus cho thấy hàm lượng photphat vô cơ cao trong đại dương. Các mô phỏng địa hóa khác dựa trên phát hiện của Cassini cũng chỉ ra điều tương tự. Các tác giả giải thích: “Những báo cáo về phốt pho này tiếp nối công việc trước đó xác định nhiều thành phần nguyên tố cơ bản của sự sống (C, N, H, O) từ chùm Enceladus”.

Nhiều phân tích hơn nữa cho thấy rằng đại dương chứa nhiều hóa chất phổ biến trong các sinh vật, như tiền chất axit amin, amoni và hydrocarbon. Vì vậy, đại dương của Enceladus có thành phần hóa học phong phú và nhiều hóa chất là nền tảng của sự sống. Đặc biệt, có một giả thuyết đang nổi lên rằng môi trường ở Enceladus có thể hỗ trợ quá trình tạo metan.

Vi sinh vật Archaea trên Trái đất thực hiện quá trình tạo metan trên nhiều điều kiện môi trường khác nhau trên hành tinh của chúng ta và đã làm như vậy trong hơn ba tỉ năm, chứng tỏ khả năng sống sót của chúng.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô phỏng mới, chi tiết hơn về giả định có methanogens (Methanogens là các vi sinh vật tạo ra khí metan như một sản phẩm phụ trao đổi chất trong điều kiện thiếu oxy. Chúng thuộc họ Archaea và là thành viên của ngành Euryarchaeota) trên Enceladus để xem liệu chúng có thể tồn tại và phát triển ở đó hay không.

Mô phỏng của họ dựa chủ yếu vào tỷ lệ Redfield. Họ phát hiện ra rằng mặc dù phốt pho có hàm lượng cao trong đại dương trên mặt trăng của sao Thổ nhưng tỉ lệ tổng thể có thể bị giới hạn ở các tế bào giả định, tức là không rút ra được kết luận chắc chắn nào.

Vậy thì triển vọng về sự sống trên Enceladus sẽ ở đâu?

Chúng ta chỉ mới ở giai đoạn đầu của khoa học nhận biết dấu hiệu sinh học. Chúng ta có thể xác định từng chất hóa học riêng lẻ, nhưng từ khoảng cách rất xa này, chúng ta không thể đo chính xác định lượng thành phần hóa học tổng thể của Enceladus.

Nghiên cứu sinh trắc học mới hơn nhằm mục đích xác định cách các quá trình sinh học sắp xếp lại các nguyên tố hóa học theo những cách có thể nhận biết được. Bằng cách xem xét toàn bộ hệ sinh thái, như Redfield đã làm, các nhà khoa học có thể khám phá ra các dấu hiệu sinh học mới ít mơ hồ hơn.

Nếu làm được điều đó, chúng ta có thể phát hiện ra các dạng sống ngoài Trái đất có tổ chức hóa học theo những cách hoàn toàn khác nhau.

Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực mới nhằm phát hiện nhiều dấu hiệu sinh học trên góc độ hóa học mà một số trong đó có thể là dấu hiệu giả. Ví dụ, khí metan có thể là dấu hiệu sinh học nhưng nó cũng có thể được sản xuất một cách phi sinh học. Có những chất khác, như chất phosphine được phát hiện gần đây trên sao Kim.

Sau khi kiểm tra dấu hiệu sinh học từ hóa chất, bước tiếp theo là tìm hiểu các yếu tố của hệ sinh thái. Có rất nhiều yếu tố đáng kinh ngạc cần xem xét: từ kích thước tế bào, lượng dưỡng chất sẵn có đến bức xạ, độ mặn, nhiệt độ… Nhưng để hiểu được môi trường hóa học tổng thể tại Enceladus, Europa hay bất kỳ nơi nào khác, chúng ta cần dữ liệu chi tiết hơn.

May mắn thay, khoa học về thiết bị không ngừng phát triển và các hành trình bay tới Europa tới đây sẽ bắt đầu vẽ nên một bức tranh đầy đủ hơn. Theo các tác giả, bước tiếp theo đòi hỏi nhiều dữ liệu đầy đủ hơn và cách tiếp cận tổng quát hơn.

Sự hiểu biết của chúng ta về sự sống ngày càng tăng lên và những quan niệm giáo điều phải dần đổi mới. Thiên nhiên đã tạo ra vô số thế giới đa dạng, mỗi thế giới đều có đặc tính hóa học riêng. Mặc dù sử dụng các công cụ như tỷ lệ Redfield làm ống kính là một cách để nhìn các thế giới ngoài Trái đất nhưng chúng ta không thể coi đó khuôn vàng, thước ngọc.

Trong khi hầu hết những gì chúng ta có thể tưởng tượng về sự sống ở các thế giới khác đều là huyền ảo và khó có thể xảy ra, thì sự sống có thể đã tìm ra một con đường phát triển khác trên Enceladus. Có những cách khác nhau để sự sống tồn tại và tổ chức lại thành phần hóa học trên lãnh địa của chúng.