Cuộc tìm kiếm sự sống trên những hành tinh khác tập trung vào nước, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng – đánh giá từ hành tinh của chúng ta – một phần lớn của các điều kiện nước có lẽ không thích hợp cho sự sống.


Chỉ khoảng 3,5% thể tích Trái đất có nhiệt độ và áp suất thích hợp cho nước ở thể lỏng. Và trong vùng này, chỉ 12% của nó có chứa sự sống. Ảnh: Jones & Lineweaver/Đại học quốc gia Australia.

Nước thiết yếu cho sự sống như chúng ta ai cũng biết. Nhưng không phải hễ có nước là có sự sống trong nó. Bằng cách sàng lọc dữ liệu thu từ những điều kiện cực độ, các nhà nghiên cứu đã tìm ra những giới hạn của cái cấu thành nên những điều kiện nước có thể ở được trên hành tinh của chúng ta. Kết quả này có thể giúp chúng ta xác định rõ loại nước nào trên những hành tinh khác sẽ có khả năng thích hợp cho sự sống hơn.

Nguyên tắc chỉ dẫn trong sự tìm kiếm hiện nay của chúng ta đối với sinh vật học ngoài địa cầu là “đi tìm nước”. Nhưng nghiên cứu mới cho thấy mục tiêu này cần có sự sàng lọc.

“Chúng ta nên đi tìm nước nóng hay có lẽ là nước lạnh?’, câu hỏi nêu ra của Eriita Jones thuộc trường Đại học quốc gia Australia, tác giả đứng đầu bài báo nghiên cứu có mặt trên số ra mới nhất của tạp chí Sinh vật học vũ trụ (Astrobiology).

Trên Trái đất, chúng ta biết rằng sự sống có thể tồn tại trong một ngưỡng rộng của nhiệt độ và áp suất nước, nhưng có những nơi có nước mà chẳng hề tìm thấy sự sống nào. Jones và người đồng nghiệp của bà, Charles Lineweaver, đã thực hiện một khảo sát toàn diện xem sự sống trải rộng bao xa vào “lãnh thổ nước” sẵn có trên địa cầu.

“Chúng tôi thử định lượng kiến thức của mình về sinh quyển địa cầu một cách tốt hơn”, Jones nói.

Các kết quả của họ cho thấy chỉ 12% thể tích của Trái đất nơi có nước lỏng tồn tại được biết có chứa sự sống. Với phần còn lại của thể tích này, sự sống có lẽ chưa bao giờ tìm được một phương thức nào để thích nghi với những điều kiện ở đó, mặc dù đã có vài tỉ năm tiến hóa để chuẩn bị.

Kết quả này có thể có ý nghĩa là một số phần nước lỏng là rất không thích hợp cho sự sống – cả ở nơi đây và trên những thế giới xa xôi khác.

Biểu đồ nước

Để định lượng những yếu tố nào cấu thành nên nước thích hợp cho sự sống, Jones và Lineweaver đã lập biểu đồ ngưỡng các điều kiện nước trên trục tọa độ áp suất và nhiệt độ.

“Đây là một cách rất tự nhiên để tham số hóa bất kì hành tinh nào”, Jones nói.


Vùng tô màu xanh lam chỉ ngưỡng nhiệt độ và áp suất trong đó nước ở dạng lỏng của nó. Vùng tô màu xanh lục thể hiện phạm vi sự sống trên Trái đất phân bố trong không gian tham số của nước lỏng. Ảnh: Jones & Lineweaver/Đại học quốc gia Australia.

Mặc dù chúng ta thường hay nghĩ nước ở thể lỏng giữa 0 độ và 100 độ Celsius, nhưng điều này chỉ đúng đối với nước nguyên chất ở áp suất khí quyển ngang mực nước biển của Trái đất (khoảng 1014 milibar). Nếu có mặt muối, thì điểm đông đặc của nước giảm xuống dưới 0 độ và điểm sôi của nó tăng lên quá 100 độ.

Đồng thời, ở áp suất cao, nước vẫn ở thể lỏng quá 100 độ Celsius. Thật vậy, các tác giả ước tính rằng nước lỏng có thể tồn tại đến một độ sâu cực đại là 75 km bên dưới mặt đất, nơi nhiệt độ cao hơn 400 độ Celsius và áp suất gấp 30.000 lần áp suất tại mặt đất.

Nhưng sự sống có thể tồn tại trong phần nước này hay không? Có lẽ là không. Nhiệt độ cao nhất được biết còn dung dưỡng cho sự sống là 121 độ Celsius. Một số nhà sinh vật học tin rằng các sinh vật có thể sống sót ở những nhiệt độ thậm chí cao hơn, nhưng chưa có sinh vật nào phá vỡ kỉ lục trên.

Jones và Lineweaver lấy giới hạn hiện nay là 122 độ Celsius làm biên nhiệt độ trên cho nước có thể ở được. Ở đầu kia của nhiệt kế, nước lỏng có thể tìm thấy trên Trái đất ở âm 89 độ trong các màng mỏng. Tuy nhiên, nhiệt độ nước lạnh nhất được biết dung dưỡng cho sự sống chủ động là âm 20 độ Celsius, đó là cái các nhà nghiên cứu lấy làm biên nhiệt độ dưới có thể ở được.



Các điều kiện trên Trái đất không cho phéo nước lỏng tồn tại dưới độ sâu khoảng 75 km. Điều đó mang lại một lớp vỏ mỏng bên ngoài nơi đó nước lỏng có thể tồn tại. Trong toàn thể tích Trái đất, 3,3% có những điều kiện thích hợp cho nước lỏng nhưng không có sự sống, trong khi chỉ 0,2% có khả năng cho nước thích hợp với sự sống. Ảnh: Jones & Lineweaver/Đại học quốc gia Australia.

Các nhà nghiên cứu còn khảo sát các giới hạn áp suất. Sự sống đã được tìm thấy ở sâu tận 5,3 km bên dưới mặt đất, nơi áp suất gấp 1500 lần tại bề mặt. Cho dù đây có thật sự là áp suất cao nhất mà nước thích hợp cho sự sống vẫn được trông thấy hay không, nhưng kể từ đó chẳng có ai từng đào sâu hơn để tìm kiếm sự sống.

Đối với áp suất thấp, sự sống đã được tìm thấy ở cao trong bầu khí quyển, nơi không khí thật mỏng, nhưng những vi sinh vật này thường không hoạt động và chỉ hồi phục khi được cung cấp những chất dinh dưỡng cần thiết. Do đó, các tác giả lấy giới hạn áp suất thấp cho sự sống hoạt động là một phần ba áp suất khí quyển, tương ứng với độ cao tại đỉnh Everest.

Các giới hạn sinh quyển

Theo những giới hạn ở trên, sự sống trên hành tinh chúng ta bị hạn chế với một lớp vỏ mỏng đại khái mở rộng từ 10 km trên cao cho tới 5 km dưới mặt đất (hoặc đến những độ sâu 10 km trong đại dương). Như vậy để lại 88% thể tích nước bỏ không trên Trái đất.

“Nó cho thấy sự sống và nước là không tương đương”, Jones nói. “Có rất nhiều nước lỏng đối địch với sự sống”.

Gần như toàn bộ nước lỏng của Trái đất nằm trong những vùng không thể sống được. Chỉ một phần nhỏ của các điều kiện nước trên Trái đất là thân thiện với sự sống.

“Phát biểu theo cách này nghe thật bất ngờ và dường cho thấy chiến lược ‘đi tìm nước’ để tìm sự sống cần phải suy nghĩ lại”, phát biểu của Chris McKay thuộc Trung tâm Nghiên cứu Ames NASA.

Nhưng ông nghĩ vấn đề này có chút đánh lạc hướng. Yếu tố duy nhất thật sự ràng buộc trong phân tích này là quan sát cho biết sự sống rõ ràng không thể tồn tại trên ngưỡng 122 độ Celsius.

“Không có thế giới nào khác có nhiệt độ bề mặt đủ nóng (kể cả Kim tinh) để làm cho giới hạn này có liên quan”, McKay nói.


Phi thuyền Phoenix của NASA đã thu được bằng chứng trực tiếp của nước đóng băng trên mặt đất sao Hỏa. Nước lỏng có thể tồn tại ở sâu bên dưới lòng đất, nơi nhiệt độ và áp suất cao hơn. Ảnh: NASA/JPL-Caltech/Đại học Arizona/Đại học Texas A&M

Tuy nhiên, có thể tìm thấy những nhiệt độ cao hơn ở bên dưới mặt đất. Sao Hỏa, chẳng hạn, có thể quá lạnh cho nước lỏng trên bề mặt của nó, nhưng có lí do để tin rằng có nước lỏng ở dưới lòng đất hành tinh đỏ.

Jones và Lineweaver hiện đang lập mô phỏng lớp vỏ, lớp bao và nhân của sao Hỏa, và sử dụng các ước tính dòng nhiệt để xây dựng một biểu đồ pha nước Hỏa tinh, giống như biểu đồ họ đã thực hiện cho nước trên Trái đất. Các kết quả sẽ cho biết ở những độ sâu người ta có thể tìm thấy nước có tiềm năng thích hợp cho sự sống (như định nghĩa bởi nghiên cứu hiện nay) trên sao Hỏa.

Loại phân tích ‘nước ở được’ như thế này còn có thể sử dụng cho các đại dương lỏng mà người ta tin rằng nằm bên dưới lớp vỏ băng giá của vệ tinh Europa của Mộc tinh và vệ tinh Enceladus của Thổ tinh. Và nó có thể giúp mô tả đặc trưng các hành tinh ngoại mà người ta có thể ước tính một biểu đồ pha hợp lí.

“Nó có thể cho biết chúng ta nên tập trung tìm kiếm sự sống ở những chỗ nào”, Jones nói.

Theo PhysOrg.com