Trong bộ phim của Avatar Avatar, chúng ta có thể thấy trong nháy mắt rằng mặt trăng ngoài hành tinh Pandora có rất nhiều sự sống ngoài hành tinh. Có 50 triệu sinh vật vi khuẩn trong một gram đất, và sinh khối vi khuẩn trên toàn thế giới vượt quá tất cả các loài thực vật và động vật. Vi khuẩn có thể phát triển trong môi trường khắc nghiệt của nhiệt độ, độ mặn, độ axit, bức xạ và áp suất. Hình thức rất có thể trong đó chúng ta sẽ gặp sự sống ở nơi khác trong hệ mặt trời của chúng ta là vi sinh vật.
Các nhà sinh vật học cần các chiến lược để suy ra sự hiện diện của sự sống vi khuẩn ngoài hành tinh hoặc các hóa thạch của nó. Họ cần các chiến lược để suy ra sự hiện diện của sự sống ngoài hành tinh trên các hành tinh xa xôi của những ngôi sao khác, quá xa để khám phá với tàu vũ trụ trong tương lai gần. Để làm những điều này, họ mong muốn một định nghĩa về cuộc sống, điều đó sẽ giúp có thể phân biệt đáng tin cậy cuộc sống với phi cuộc sống.
Thật không may, như chúng ta đã thấy trong phần đầu tiên của loạt bài này, mặc dù sự phát triển to lớn về kiến thức của chúng ta về các sinh vật sống, các nhà triết học và các nhà khoa học đã không thể đưa ra một định nghĩa như vậy. Các nhà sinh vật học có được bằng cách tốt nhất có thể với các định nghĩa là một phần và có ngoại lệ. Tìm kiếm của họ hướng đến các tính năng của sự sống trên Trái đất, cuộc sống duy nhất chúng ta hiện biết.
Trong phần đầu tiên, chúng ta đã thấy thành phần của sự sống trên cạn ảnh hưởng như thế nào đến việc tìm kiếm sự sống ngoài trái đất. Các nhà sinh vật học tìm kiếm các môi trường đã từng chứa hoặc hiện chứa nước lỏng và có chứa các phân tử phức tạp dựa trên carbon. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học xem các tính năng thiết yếu của cuộc sống là phải làm với khả năng của nó thay vì thành phần của nó.
Năm 1994, một ủy ban của NASA đã thông qua một định nghĩa về cuộc sống như là một hệ thống hóa học tự duy trì có khả năng tiến hóa của Darwin, dựa trên một gợi ý của Carl Sagan. Định nghĩa này chứa hai tính năng, trao đổi chất và tiến hóa, thường được đề cập trong các định nghĩa về cuộc sống.
Trao đổi chất là tập hợp các quá trình hóa học mà sinh vật sống tích cực sử dụng năng lượng để duy trì bản thân, tăng trưởng và phát triển. Theo định luật nhiệt động lực học thứ hai, một hệ thống không tương tác với môi trường bên ngoài của nó sẽ trở nên vô tổ chức và đồng nhất hơn với thời gian. Các sinh vật sống xây dựng và duy trì trạng thái không có khả năng, có tổ chức cao của chúng vì chúng khai thác các nguồn năng lượng trong môi trường bên ngoài để cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất.
Thực vật và một số vi khuẩn sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời để tạo ra các phân tử hữu cơ lớn hơn từ các tiểu đơn vị đơn giản hơn. Những phân tử này lưu trữ năng lượng hóa học mà sau đó có thể được chiết xuất bằng các phản ứng hóa học khác để cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất của chúng. Động vật và một số vi khuẩn tiêu thụ thực vật hoặc động vật khác làm thức ăn. Họ phá vỡ các phân tử hữu cơ phức tạp trong thực phẩm thành các phân tử đơn giản hơn, để trích xuất năng lượng hóa học được lưu trữ của chúng. Một số vi khuẩn có thể sử dụng năng lượng có trong các hóa chất có nguồn gốc từ các nguồn không sống trong quá trình tổng hợp hóa học.
Trong một bài viết năm 2014 tại Sinh vật học, Lucas John Mix, một nhà sinh học tiến hóa của Harvard, đã đề cập đến định nghĩa trao đổi chất của cuộc sống là Cuộc sống của Haldane sau nhà sinh lý học tiên phong J. B. S. Haldane. Định nghĩa cuộc sống của Haldane có vấn đề của nó. Lốc xoáy và xoáy như Sao Mộc Lớn Red Spot sử dụng năng lượng môi trường để duy trì cấu trúc có trật tự của chúng, nhưng vẫn còn sống. Lửa sử dụng năng lượng từ môi trường của nó để tự duy trì và phát triển, nhưng cũng không còn sống.
Mặc dù thiếu sót của nó, các nhà sinh vật học đã sử dụng định nghĩa Haldane để đưa ra các thí nghiệm. Tàu đổ bộ Viking Mars đã thực hiện nỗ lực duy nhất cho đến nay để trực tiếp kiểm tra sự sống ngoài trái đất, bằng cách phát hiện các hoạt động trao đổi chất được cho là của vi khuẩn sao Hỏa. Họ cho rằng sự trao đổi chất của sao Hỏa tương tự về mặt hóa học với đối tác trên mặt đất của nó.
Một thí nghiệm đã tìm cách phát hiện sự phân hủy chất dinh dưỡng thành các phân tử đơn giản hơn để lấy năng lượng của chúng. Thứ hai nhằm phát hiện oxy là một sản phẩm thải của quang hợp. Một phần ba đã cố gắng chỉ ra việc sản xuất các phân tử hữu cơ phức tạp từ các tiểu đơn vị đơn giản hơn, cũng xảy ra trong quá trình quang hợp. Tất cả ba thí nghiệm dường như cho kết quả tích cực, nhưng nhiều nhà nghiên cứu tin rằng những phát hiện chi tiết có thể được giải thích mà không cần sinh học, bởi các tác nhân oxy hóa hóa học trong đất.
Một số kết quả Viking vẫn còn gây tranh cãi cho đến ngày nay. Vào thời điểm đó, nhiều nhà nghiên cứu cảm thấy rằng việc không tìm thấy vật liệu hữu cơ trong đất sao Hỏa đã loại trừ một cách giải thích sinh học về kết quả trao đổi chất. Phát hiện gần đây hơn rằng đất sao Hỏa thực sự có chứa các phân tử hữu cơ có thể đã bị phá hủy bởi perchlorate trong quá trình phân tích Viking, và nước lỏng đã từng có rất nhiều trên bề mặt Sao Hỏa cho thấy sự hợp lý mới cho rằng Viking có thể đã thực sự thành công trong việc phát hiện đời sống. Mặc dù, bản thân các kết quả Viking đã không chứng minh rằng sự sống tồn tại trên Sao Hỏa cũng không loại trừ nó.
Các hoạt động trao đổi chất của sự sống cũng có thể để lại dấu ấn của chúng trên thành phần của khí quyển hành tinh. Năm 2003, tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu đã phát hiện dấu vết khí mêtan trong bầu khí quyển sao Hỏa. Vào tháng 12 năm 2014, một nhóm các nhà khoa học của NASA đã báo cáo rằng người đi lang thang trên sao Hỏa Curiosity đã xác nhận phát hiện này bằng cách phát hiện khí mê-tan trong khí quyển từ bề mặt sao Hỏa.
Hầu hết khí mêtan trong bầu khí quyển Trái đất được giải phóng bởi các sinh vật sống hoặc hài cốt của chúng. Các hệ sinh thái vi khuẩn dưới mặt đất sử dụng quá trình tổng hợp hóa học làm nguồn năng lượng là phổ biến và chúng tạo ra khí mê-tan như một sản phẩm thải trao đổi chất. Thật không may, cũng có những quá trình địa hóa phi sinh học có thể tạo ra khí mê-tan. Vì vậy, một lần nữa, khí mê-tan của sao Hỏa lại mơ hồ một cách khó chịu như một dấu hiệu của sự sống.
Các hành tinh ngoài hành tinh quay quanh các ngôi sao khác là quá xa để đến thăm bằng tàu vũ trụ trong tương lai gần. Các nhà sinh vật học vẫn hy vọng sử dụng định nghĩa Haldane để tìm kiếm sự sống trên chúng. Với các kính viễn vọng không gian trong tương lai gần, các nhà thiên văn học hy vọng tìm hiểu thành phần khí quyển của các hành tinh này bằng cách phân tích quang phổ của bước sóng ánh sáng được phản xạ hoặc truyền qua bầu khí quyển của chúng. Kính thiên văn không gian James Webb dự kiến ra mắt vào năm 2018, sẽ là thiết bị đầu tiên hữu ích trong dự án này. Các nhà sinh vật học muốn tìm kiếm các dấu ấn sinh học trong khí quyển; khí là chất thải trao đổi chất của các sinh vật sống.
Một lần nữa, nhiệm vụ này được hướng dẫn bởi ví dụ duy nhất về một hành tinh mang sự sống mà chúng ta hiện có; Trái đất. Khoảng 21% bầu khí quyển trên hành tinh nhà của chúng ta là oxy. Điều này là đáng ngạc nhiên vì oxy là một loại khí phản ứng cao có xu hướng tham gia vào sự kết hợp hóa học với các chất khác. Oxy miễn phí sẽ nhanh chóng biến mất khỏi không khí của chúng ta. Nó vẫn còn tồn tại bởi vì sự mất mát liên tục được thay thế bởi thực vật và vi khuẩn giải phóng nó như một sản phẩm thải trao đổi chất của quang hợp.
Dấu vết của mêtan có mặt trong bầu khí quyển Trái đất vì vi khuẩn tổng hợp. Vì khí mê-tan và oxy phản ứng với nhau, sẽ không tồn tại lâu, trừ khi các sinh vật sống liên tục bổ sung nguồn cung cấp. Bầu khí quyển Trái đất cũng chứa dấu vết của các loại khí khác là sản phẩm phụ trao đổi chất.
Nói chung, các sinh vật sống sử dụng năng lượng để duy trì bầu khí quyển Trái đất ở trạng thái cách xa trạng thái cân bằng nhiệt động mà nó sẽ đạt được mà không có sự sống. Các nhà sinh vật học sẽ nghi ngờ bất kỳ hành tinh nào có bầu khí quyển trong tình trạng tương tự như sự sống. Nhưng, đối với các trường hợp khác, thật khó để loại trừ hoàn toàn các khả năng phi sinh học.
Bên cạnh sự trao đổi chất, ủy ban NASA xác định sự tiến hóa là một khả năng cơ bản của các sinh vật sống. Để một quá trình tiến hóa xảy ra, phải có một nhóm các hệ thống, trong đó mỗi hệ thống có khả năng tự tái tạo một cách đáng tin cậy. Mặc dù độ tin cậy chung của sinh sản, cũng phải thỉnh thoảng xảy ra lỗi sao chép ngẫu nhiên trong quá trình sinh sản để các hệ thống có những đặc điểm khác nhau. Cuối cùng, các hệ thống phải khác nhau về khả năng tồn tại và sinh sản dựa trên lợi ích hoặc trách nhiệm của các đặc điểm khác biệt trong môi trường của chúng. Khi quá trình này được lặp đi lặp lại nhiều lần qua các thế hệ, các đặc điểm của hệ thống sẽ trở nên thích nghi tốt hơn với môi trường của chúng. Những đặc điểm rất phức tạp đôi khi có thể phát triển theo kiểu từng bước.
Trộn tên này là Cuộc sống Darwin định nghĩa, sau nhà tự nhiên học thế kỷ XIX Charles Darwin, người đã xây dựng lý thuyết tiến hóa. Giống như định nghĩa Haldane, định nghĩa cuộc sống Darwin có những thiếu sót quan trọng. Nó có rắc rối bao gồm tất cả mọi thứ mà chúng ta có thể nghĩ là còn sống. Chẳng hạn, các con la có thể sinh sản, và do đó, theo định nghĩa này, don lồng được tính là còn sống.
Mặc dù thiếu sót như vậy, định nghĩa cuộc sống Darwin là cực kỳ quan trọng, cả đối với các nhà khoa học nghiên cứu nguồn gốc của sự sống và các nhà sinh vật học. Phiên bản hiện đại của lý thuyết Darwin, có thể giải thích cách thức các dạng sống đa dạng và phức tạp có thể phát triển từ một số dạng đơn giản ban đầu. Một lý thuyết về nguồn gốc của sự sống là cần thiết để giải thích làm thế nào hình thức đơn giản ban đầu có được khả năng phát triển ở nơi đầu tiên.
Các hệ thống hóa học hoặc các dạng sống được tìm thấy trên các hành tinh hoặc mặt trăng khác trong hệ mặt trời của chúng ta có thể đơn giản đến mức chúng gần với ranh giới giữa sự sống và phi sự sống mà định nghĩa của Darwin thiết lập. Định nghĩa có thể trở nên quan trọng đối với các nhà sinh vật học cố gắng quyết định xem một hệ thống hóa học mà họ đã tìm thấy có thực sự đủ điều kiện như một dạng sống hay không. Các nhà sinh vật học vẫn không biết cuộc sống bắt nguồn như thế nào. Nếu các nhà sinh vật học có thể tìm thấy các hệ thống gần ranh giới Darwin, thì những phát hiện của họ có thể rất quan trọng để hiểu được nguồn gốc của sự sống.
Các nhà sinh vật học có thể sử dụng định nghĩa Darwin để tìm và nghiên cứu sự sống ngoài trái đất? Nó không chắc rằng một tàu vũ trụ đến thăm có thể phát hiện ra quá trình tiến hóa của chính nó. Nhưng, nó có thể có khả năng phát hiện các cấu trúc phân tử mà các sinh vật sống cần để tham gia vào một quá trình tiến hóa. Triết gia Mark Bedau đã đề xuất rằng một hệ thống tối thiểu có khả năng trải qua quá trình tiến hóa sẽ cần có ba điều: 1) quá trình trao đổi chất hóa học, 2) một vật chứa, như màng tế bào, để thiết lập ranh giới của hệ thống và 3) hóa chất Chương trình có khả năng chỉ đạo các hoạt động trao đổi chất.
Ở đây trên Trái đất, chương trình hóa học dựa trên DNA phân tử di truyền. Nhiều nhà lý thuyết về sự sống có nguồn gốc nghĩ rằng phân tử di truyền của các dạng sống trên mặt đất sớm nhất có thể là axit ribonucleic phân tử đơn giản hơn (RNA). Chương trình di truyền rất quan trọng đối với một quá trình tiến hóa bởi vì nó làm cho quá trình sao chép sinh sản ổn định, chỉ có lỗi thỉnh thoảng.
Cả DNA và RNA đều là biopolyme; các phân tử chuỗi dài với nhiều tiểu đơn vị lặp lại. Trình tự cụ thể của các tiểu đơn vị cơ sở nucleotide trong các phân tử này mã hóa thông tin di truyền mà chúng mang theo. Vì vậy, phân tử có thể mã hóa tất cả các chuỗi thông tin di truyền có thể có, các tiểu đơn vị phải có thể xảy ra theo bất kỳ thứ tự nào.
Steven Benner, một nhà nghiên cứu genomics tính toán, tin rằng chúng ta có thể phát triển các thí nghiệm tàu vũ trụ để phát hiện các genopolyme của người ngoài hành tinh. Ông lưu ý rằng DNA và RNA là những chất độc sinh học rất bất thường bởi vì việc thay đổi trình tự các tiểu đơn vị của chúng xảy ra không làm thay đổi tính chất hóa học của chúng. Chính đặc tính bất thường này cho phép các phân tử này là chất mang ổn định của bất kỳ chuỗi mã di truyền nào có thể.
DNA và RNA đều là polyelectrolytes; các phân tử với các khu vực thường xuyên lặp lại của điện tích âm. Benner tin rằng đây là những gì cho sự ổn định đáng chú ý của họ. Ông nghĩ rằng bất kỳ chất sinh học di truyền ngoài hành tinh nào cũng cần phải là một polyelectrolyte, và các xét nghiệm hóa học có thể được phát minh qua đó một tàu vũ trụ có thể phát hiện các phân tử polyelectrolyte như vậy. Tìm kiếm đối tác ngoài hành tinh của DNA là một triển vọng rất thú vị và là một mảnh ghép khác cho câu đố xác định sự sống ngoài hành tinh.
Năm 1996, Tổng thống Clinton, đã đưa ra một thông báo đầy kịch tính về phát hiện có thể có sự sống trên Sao Hỏa. Bài phát biểu của bà Clinton, được thúc đẩy bởi những phát hiện của nhóm David McKay, với thiên thạch Alan Hills. Trên thực tế, những phát hiện của McKay hóa ra chỉ là một mảnh cho câu đố lớn hơn về cuộc sống sao Hỏa có thể. Trừ khi một người ngoài hành tinh một ngày nào đó đi ngang qua các máy quay đang chờ của chúng tôi, câu hỏi liệu có tồn tại sự sống ngoài trái đất hay không là không thể giải quyết bằng một thí nghiệm duy nhất hoặc một đột phá kịch tính bất ngờ. Các nhà triết học và các nhà khoa học don lồng có một định nghĩa duy nhất, chắc chắn về cuộc sống. Do đó, các nhà sinh vật học don don có một thử nghiệm chắc chắn duy nhất sẽ giải quyết vấn đề. Nếu các dạng sống đơn giản tồn tại trên Sao Hỏa, hoặc các nơi khác trong hệ mặt trời, thì dường như thực tế đó sẽ xuất hiện dần dần, dựa trên nhiều bằng chứng hội tụ. Chúng tôi đã giành chiến thắng và thực sự biết những gì chúng tôi đang tìm kiếm cho đến khi chúng tôi tìm thấy nó.
Tài liệu tham khảo và đọc thêm:
P. Anderson (2011) Có thể xác định sự tò mò nếu Viking tìm thấy sự sống trên sao Hỏa?, Tạp chí Vũ trụ.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Mêtan và các loài dấu vết liên quan trên Sao Hỏa: Nguồn gốc, sự mất mát, ý nghĩa đối với sự sống và khả năng sinh sống, Khoa học hành tinh và không gian, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), Một tài khoản Aristoteles về tuổi thọ hóa học tối thiểu, Sinh vật học, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Xác định cuộc sống, Sinh vật học, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), Tại sao tôi lại ngừng lo lắng về định nghĩa cuộc sống và tại sao bạn cũng nên như vậy, Synthese, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Việc tìm kiếm sự sống trên Europa: Hạn chế các yếu tố môi trường, môi trường sống tiềm năng và các chất tương tự Trái đất. Sinh vật học 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Định nghĩa bảo vệ cuộc sống, Sinh vật học, 15 (1) được đăng trực tuyến trước khi xuất bản.
P. E. Patton (2014) Moons of Confusion: Tại sao tìm kiếm sự sống ngoài trái đất có thể khó hơn chúng ta nghĩ, Tạp chí Vũ trụ.
T. Reyes (2014) NASA NASA Curiosity Rover phát hiện Methane, Organics trên sao Hỏa, Tạp chí Vũ trụ.
S. Seeger, M. Schrenk và W. Bains (2012), Một cái nhìn vật lý thiên văn về các loại khí sinh học trên trái đất. Sinh vật học, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange và A. Lazcano, (2010), Định nghĩa về cuộc sống: Lịch sử tóm tắt về một nỗ lực khoa học khó nắm bắt, Sinh vật học, 10(10):1003-1009.
C. Webster và nhiều thành viên khác trong nhóm Khoa học MSL, (2014) Phát hiện và biến đổi khí mê-tan trên sao Hỏa tại miệng núi lửa Gale, Khoa học, Khoa học thể hiện nội dung sớm.
Có phải tàu đổ bộ Viking Mars tìm thấy các khối xây dựng cuộc sống? Thiếu mảnh truyền cảm hứng cho cái nhìn mới về câu đố. Khoa học hàng ngày Nghiên cứu nổi bật ngày 5 tháng 9 năm 2010
NASA rover tìm thấy hóa học hữu cơ hoạt động và cổ xưa trên Sao Hỏa, phòng thí nghiệm Động cơ phản lực, Viện Công nghệ California, Tin tức, ngày 16 tháng 12 năm 2014.
