Trái Đất là ví dụ duy nhất mà hiện nay chúng ta có về một môi trường tồn tại sự sống. Sự hiểu biết của chúng ta đã được tích lũy qua nhiều thập kỷ về sự sống trong những môi trường khắc nghiệt, cấu trúc kỳ lạ của các thế giới nước trong Hệ Mặt Trời và một danh mục ngày càng tăng của các ngoại hành tinh,… Tuy nhiên, nhìn chung thì sự hiểu biết của chúng ta về sự đa dạng của các dạng sống và những yếu tố quyết định khả năng tồn tại sự sống vẫn chưa đầy đủ. Giải quyết vấn đề này là mấu chốt để hiểu được sự tiến hóa của sự sống trên Trái Đất. Do đó, chúng ta cần có một góc nhìn mới hơn về định nghĩa của sự sống cũng như những môi trường có khả năng sinh sống.

Môi trường có khả năng hỗ trợ sự sống

Khả năng sinh sống có thể bao gồm các môi trường cho phép sự sống xuất hiện và tiếp tục tồn tại cũng như tiến hóa theo nhiều hướng phức tạp hơn. Do đó, theo nghĩa đơn giản nhất, môi trường sống có thể được xác định là môi trường cho phép sự sống phát triển, duy trì và tiến hóa. Mặc dù thuật ngữ “có thể sinh sống được” ngụ ý những điều kiện thuận lợi cho sự sống, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là một hành tinh có thể sinh sống được không đảm bảo sự hiện diện của sự sống mà là sự hiện diện của những điều kiện cần thiết để sự sống có khả năng sinh sôi và phát triển.

Ngày nay, khái niệm môi trường có khả năng sinh sống mở rộng khuôn khổ kết hợp các quá trình ngoại sinh và nội sinh thay đổi theo thời gian để tạo ra và duy trì—hoặc không—các yếu tố chính hỗ trợ cho sự sống, chẳng hạn như sự sẵn có của các nguyên tố (đặc biệt là C, H, N, O, P, S, nhiều loại kim loại trong bảng tuần hoàn, v.v.) cần thiết cho quá trình tổng hợp phân tử, năng lượng, các điều kiện lý hóa thích hợp (chẳng hạn như nhiệt độ), sự tiến hóa sao và tác động của nó đến sự hiện diện của nước ở dạng lỏng theo thời gian, cấu trúc tiến hoá của lớp vỏ bên trong hành tinh ảnh hưởng đến từ trường và kiến ​​tạo mảng, trạng thái của khí quyển.

Một số yếu tố xác định hành tinh có khả năng sinh sống

• Khoảng cách từ ngôi sao chủ: Vùng hỗ trợ sự sống (vùng Goldilocks), là vùng xung quanh một ngôi sao nơi có điều kiện phù hợp để nước ở dạng lỏng tồn tại trên bề mặt hành tinh. Nếu một hành tinh ở quá gần sao chủ, nhiệt độ bề mặt của nó có thể trở nên nóng như thiêu đốt, khiến nước bốc hơi thành hơi. Mặt khác, nếu ở quá xa ngôi sao của nó, nhiệt độ bề mặt giảm mạnh, khiến nước đóng băng thành băng. Khu vực này tùy thuộc vào kích thước, nhiệt độ và độ sáng của ngôi sao chủ và nó có thể khác nhau đối với các loại sao khác nhau.

  

• Bầu khí quyển: Bầu khí quyển của một hành tinh hoạt động như một lá chắn bảo vệ, điều chỉnh nhiệt độ và ảnh hưởng đến áp suất bề mặt của nó. Một bầu khí quyển có thành phần phù hợp gồm các loại khí nhà kính, chẳng hạn như carbon dioxide và metan, có thể giúp giữ nhiệt từ ngôi sao của hành tinh, duy trì nhiệt độ thuận lợi cho nước ở dạng lỏng.
• Khối lượng và kích thước: Khối lượng và kích thước của một hành tinh đóng vai trò then chốt trong việc xác định lực hấp dẫn của nó, từ đó ảnh hưởng đến bầu khí quyển và điều kiện bề mặt của nó. Kích thước của một hành tinh cũng tác động đến diện tích bề mặt của nó, ảnh hưởng đến các yếu tố như hoạt động núi lửa, quá trình địa chất và môi trường sống sẵn có.
• Hoạt động địa chất: Các quá trình địa chất, chẳng hạn như hoạt động của núi lửa và sự dịch chuyển của các mảng kiến ​​tạo, đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì các điều kiện có thể sinh sống được trên một hành tinh. Hoạt động núi lửa có thể giải phóng các loại khí góp phần tạo nên thành phần của khí quyển, trong khi hoạt động kiến ​​tạo giúp tái chế các khoáng chất và chất dinh dưỡng, góp phần vào chu trình tuần hoàn của các nguyên tố thiết yếu. Các quá trình này cũng ảnh hưởng đến điều kiện bề mặt của hành tinh và tạo ra cảnh quan đa dạng có thể hỗ trợ các loại môi trường sống khác nhau. Ví dụ, hoạt động địa chất của Trái đất đã dẫn đến việc hình thành các lục địa, đại dương và nhiều môi trường khác nhau nơi sự sống có thể phát triển.
• Từ trường: Từ trường của một hành tinh được tạo ra bởi lõi ngoài nóng chảy của nó và hoạt động như một lá chắn bảo vệ chống lại gió và bức xạ mặt trời có hại. Nếu không có từ trường mạnh, bầu khí quyển của một hành tinh có thể bị xói mòn bởi những cơn gió mặt trời này theo thời gian.
• Nước lỏng: Nước lỏng là một dung môi quan trọng. Nó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh hóa của sự sống như cách chúng ta hiểu, cung cấp phương tiện vận chuyển chất dinh dưỡng và đóng vai trò là môi trường sống cho nhiều loại sinh vật. Sự hiện diện của nước ở dạng lỏng thường được coi là dấu hiệu chính về khả năng sinh sống của một hành tinh. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là không phải tất cả các hành tinh có thể sinh sống được đều cần có nước ở dạng lỏng trên bề mặt. Một số mặt trăng băng giá nhất định trong hệ mặt trời của chúng ta, như Europa và Enceladus, có thể chứa các đại dương dưới bề mặt bên dưới lớp vỏ băng giá của chúng, tạo ra môi trường khả thi cho sự sống.
• Điều kiện bề mặt: Các điều kiện trên bề mặt hành tinh, bao gồm nhiệt độ, áp suất và địa hình ảnh hưởng đến sự sẵn có của các nguồn tài nguyên như nước, chất dinh dưỡng và nguồn năng lượng cần thiết cho sự sống. Một hành tinh có nhiệt độ vừa phải, không quá khắc nghiệt, sẽ có nhiều khả năng hỗ trợ các dạng sống đa dạng hơn. Khí hậu ổn định với sự thay đổi nhiệt độ dần dần cho phép sinh vật thích nghi và phát triển. Sự hiện diện của các địa hình ổn định, như lục địa và đại dương, cung cấp hệ sinh thái và môi trường sống đa dạng.

Trái Đất cho ta biết gì?

Quá trình giúp Trái Đất duy trì sự sống trên khoảng thời gian dài hàng tỷ năm có thể cung cấp cho chúng ta một cái nhìn sâu sắc về cách các thế giới, nơi phù hợp cho sự sống, có thể phát triển theo thời gian. Và nó có thể cung cấp những hiểu biết cần thiết để chúng ta có thể nhận biết và mô tả đặc điểm của một hành tinh có thể hỗ trợ sự sống ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình tiến hóa của nó.

Các yếu tố có thể quyết định khả năng hỗ trợ sự sống của một hành tinh bao gồm nước ở dạng lỏng trên bề mặt và các lục địa, một từ trường mạnh và sự đối lưu nhiệt trong lớp vỏ của hành tinh đó (a convective mantle) giúp điều khiển các mảng kiến tạo và chu trình carbon cũng như dòng nhiệt (planetary heat flow). Liệu đây có phải là tất cả các đặc điểm quan trọng trong việc hình thành sự sống, hay chúng chỉ đơn thuần là những đặc tính đặc biệt của hành tinh chúng ta? Chúng ta biết rằng sự sống trên Trái đất phụ thuộc vào những đặc tính này, tuy nhiên, tạo hoá vẫn có thể còn những cách khác để xây dựng một hệ sinh quyển giúp duy trì khả năng hỗ trợ sự sống trên những hành tinh khác.

Các quá trình có thể tạo ra môi trường sống trên những hành tinh khác

Trong Hệ Mặt Trời, có vô số thế giới được phủ bởi băng, và một số trong số chúng có thể chứa nhiều nước hơn cả các đại dương trên Trái Đất. Nhìn về quá khứ, đã có những thời điểm bề mặt của Trái Đất bị bao phủ gần như hoàn toàn bởi các lớp băng, được gọi là "Snowball Earth". Các thế giới nước, không có lục địa và có đại dương, đã được quan sát trong các mặt trăng băng giá và các hành tinh lùn.

Những thế giới nước này có thể tương tự với thế giới băng giá, nhưng cũng có những khác biệt quan trọng. Một trong số đó là áp suất bên trong, đặc biệt là ảnh hưởng của nó đối với sự tồn tại của băng áp suất cao. Điều này đặt ra câu hỏi về các quy trình cơ bản chi phối khả năng sinh sống trên những hành tinh này.

Năng lượng thủy triều cũng là một nguồn năng lượng bổ sung quan trọng trên một số hành tinh, như trên vệ tinh Io của Sao Mộc và các vệ tinh Europa và Ganymede. Đối với các hành tinh quay quanh những ngôi sao có khối lượng thấp, “vùng hỗ trợ sự sống” đủ gần ngôi sao để tác động của thủy triều là đáng kể. Trong những trường hợp đặc biệt, điều này còn có thể gây ra hiệu ứng nhà kính trên hành tinh đó.

Trong một số trường hợp, thuỷ triều có thể thay đổi theo thời gian nếu quỹ đạo bị nhiễu loạn hấp dẫn từ các hành tinh khác. Do đó, thuỷ triều không chỉ làm thay đổi năng lượng nội tại mà còn làm thay đổi đặc tính nhiệt của một hành tinh. Năng lượng tích tụ gần bề mặt hành tinh có thể dập tắt các hoạt động kiến ​​tạo mảng (đây là vấn đề xảy ra với Sao Kim, khi mà nhiệt độ bề mặt quá cao dẫn đến sự biến mất của hiện tượng đối lưu nhiệt trong các lớp vỏ hành tinh).

Vai trò của thuỷ triều đối với khả năng hỗ trợ sự sống của các hành tinh quay quanh các ngôi sao có khối lượng thấp (cũng như các sao lùn nâu và sao lùn trắng) hoặc mặt trăng quay quanh các ngoại hành tinh, cần được chú ý hơn nữa.

Tại sao chúng ta cần quan tâm đến chủ đề này? 

Đây là điểm khởi đầu để quyết định nơi tìm kiếm sự sống bên ngoài Trái đất và bằng cách nào. Nếu chúng ta biết điều gì làm cho một hành tinh có khả năng hỗ trợ cho sự sống, chúng ta có thể tìm kiếm nó và ngược lại.

Sự đa dạng của các thế giới trong Hệ Mặt trời của chúng ta là một tập hợp nhỏ trong sự đa dạng của vũ trụ. Khi chúng ta bắt đầu khám phá các hệ thống ngoại hành tinh, chúng ta phải dựa trên sự hiểu biết của mình về Trái đất và các hành tinh khác (và các mặt trăng của chúng) trong Hệ Mặt Trời để phát triển những cơ sở lý thuyết quan trọng. Tuy nhiên, để hiểu được cách sự sống hình thành, phát triển và tồn tại trên các hành tinh khác, chúng ta cần phải mở rộng tư duy và chiến lược khám phá của mình. Điều này có thể bao gồm sự kết hợp giữa quan sát, mô hình hóa, và lý thuyết để tạo ra một cách tiếp cận toàn diện và đa chiều.

Tham khảo:

[1] NASA Astrobiology Strategy 2015

[2] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, 2023, Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032

[3] What is habitable planet explained | Technology

[4] Gerda Horneck, et al., 2016, Published by Mary Ann Liebert, Inc, Astrobiology: AstRoMap European Astrobiology Roadmap

• Trái Đất
• Europa
• Sự sống ngoài Trái Đất
• Astrobiology