Sự sống đã tồn tại trên Trái Đất khoảng 4 tỷ năm, chiếm một phần đáng kể trong 13,77 tỷ năm lịch sử của vũ trụ. Nếu sự sống có thể hình thành tại đây, thì về lý thuyết, nó cũng có thể xuất hiện ở bất cứ đâu. Và nếu mở rộng định nghĩa về sự sống, có lẽ nó đã manh nha xuất hiện chỉ vài giây sau Vụ Nổ Lớn.
Để tìm hiểu nguồn gốc của sự sống, trước tiên chúng ta phải định nghĩa được sự sống là gì. Có hơn 200 định nghĩa khác nhau được công bố, cho thấy đây là một trong những câu hỏi hóc búa nhất của khoa học. Ví dụ, virus có phải là sinh vật sống không? Chúng có khả năng sao chép, nhưng chỉ khi có vật chủ. Còn prion, những cấu trúc protein gây bệnh, có được coi là một dạng sống? Ranh giới giữa sự sống và phi sự sống vẫn là một chủ đề tranh luận chưa có hồi kết.
Một cách tiếp cận đơn giản nhưng hiệu quả để định nghĩa sự sống là: bất cứ thứ gì tuân theo sự tiến hóa Darwin.
Định nghĩa này hữu ích vì khi nghiên cứu sự khởi nguồn của sự sống, chúng ta sẽ phải đối mặt với một vùng xám, nơi ranh giới giữa hữu cơ và vô cơ, sống và không sống dần trở nên mờ nhạt. Có một thời điểm trong quá khứ, Trái Đất chưa có sự sống, rồi dần dần, nó xuất hiện. Điều đó có nghĩa là phải có một giai đoạn chuyển tiếp, nơi vật chất vô tri dần tiến hóa thành những hệ thống sơ khai có khả năng tự sao chép và thích nghi.
Và khi nhìn xa hơn, vượt ra khỏi Trái Đất, chúng ta cũng cần một định nghĩa đủ rộng để có thể khám phá những khả năng khác nhau về sự sống trong vũ trụ. Có thể đâu đó trong các thiên hà xa xôi, trong những điều kiện khắc nghiệt nhất, sự sống vẫn đang tồn tại theo một cách mà chúng ta chưa từng tưởng tượng.
Theo định nghĩa này, sự sống trên Trái Đất đã xuất hiện ít nhất 3,7 tỷ năm trước. Vào thời điểm đó, vi sinh vật đã phát triển đủ tinh vi để để lại dấu vết hoạt động, vẫn tồn tại cho đến ngày nay. Những sinh vật sơ khai ấy có nhiều điểm tương đồng với sinh vật hiện đại: chúng sử dụng DNA để lưu trữ thông tin, RNA để phiên mã và chuyển hóa thành protein, và protein để tương tác với môi trường cũng như sao chép DNA. Sự kết hợp ba yếu tố này đã giúp các nhóm hóa chất này bắt đầu quá trình tiến hóa theo thuyết Darwin.
Tuy nhiên, những vi khuẩn nguyên thủy này không đột nhiên xuất hiện, mà chúng phải tiến hóa từ một dạng sống đơn giản hơn. Nếu sự sống được định nghĩa là bất cứ thứ gì có thể tiến hóa, thì chắc chắn phải có một hình thức đơn giản hơn của sự sống xuất hiện từ rất sớm trong lịch sử Trái Đất. Một số giả thuyết cho rằng các phân tử đầu tiên có khả năng tự sao chép – hình thái đơn giản nhất của sự sống – có thể đã hình thành ngay khi đại dương Trái Đất nguội đi, tức hơn 4 tỷ năm trước.
Và có lẽ, Trái Đất không phải là nơi duy nhất mà sự sống hình thành. Sao Hỏa và Sao Kim vào thời điểm đó cũng có điều kiện tương tự, với nước lỏng và bầu khí quyển dày hơn. Nếu sự sống có thể xuất hiện trên Trái Đất, rất có thể nó cũng đã từng nảy mầm trên những hành tinh lân cận – mở ra những câu hỏi lớn về nguồn gốc và sự lan tỏa của sự sống trong vũ trụ.
Sự sống đầu tiên giữa các vì sao
Mặt trời không phải là ngôi sao đầu tiên hình thành và bước vào giai đoạn nhiệt hạch, mà nó là kết quả của một chuỗi thế hệ sao trước đó. Sự sống như chúng ta biết cần một số nguyên tố quan trọng như hydro, oxy, carbon, nitơ và phốt pho. Ngoại trừ hydro – xuất hiện chỉ vài phút sau Vụ Nổ Lớn, tất cả các nguyên tố còn lại đều được tạo ra trong lõi các ngôi sao thông qua quá trình tổng hợp hạt nhân trong suốt vòng đời của chúng. Vì vậy, chỉ cần có một hoặc hai thế hệ sao hình thành và diệt vong, giải phóng các nguyên tố thiết yếu này ra thiên hà, thì sự sống có thể xuất hiện ở bất kỳ nơi nào trong vũ trụ.
Điều này đẩy thời điểm có thể xuất hiện sự sống lùi xa về quá khứ, có thể hơn 13 tỷ năm trước – ngay thời kỳ bình minh vũ trụ (cosmic dawn), khi những ngôi sao đầu tiên được sinh ra. Các nhà thiên văn học vẫn chưa xác định chính xác thời đại này bắt đầu từ khi nào, nhưng nó có thể đã diễn ra chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Ngay từ khi những ngôi sao đầu tiên hình thành, chúng đã có thể bắt đầu tạo ra những nguyên tố cần thiết cho sự sống.
Vì vậy, sự sống như chúng ta biết – dựa trên các chuỗi carbon, sử dụng oxy để vận chuyển năng lượng, và tồn tại trong môi trường nước lỏng – có thể đã xuất hiện từ rất lâu trước khi Trái Đất ra đời. Ngay cả những dạng sống giả thuyết khác, dựa trên hóa sinh học kỳ lạ, cũng sẽ cần một hỗn hợp nguyên tố tương tự. Chẳng hạn, một số dạng sống ngoài hành tinh có thể sử dụng silicon thay cho carbon hoặc methane thay cho nước làm dung môi. Nhưng dù sự sống có dựa trên nền tảng nào đi chăng nữa, các nguyên tố tạo nên nó đều bắt nguồn từ lõi các ngôi sao. Không có sao, sự sống dựa trên hóa học sẽ không thể tồn tại.
Sự sống đầu tiên trong vũ trụ
Nhưng có lẽ sự sống không nhất thiết phải dựa trên hóa học. Thật khó để hình dung những sinh vật như vậy sẽ trông như thế nào, nhưng nếu chúng ta sử dụng định nghĩa rộng về sự sống – rằng sự sống là bất cứ thứ gì có thể tiến hóa, thì hóa học không phải con đường duy nhất dẫn đến sự sống.
Trên thực tế, 95% năng lượng của vũ trụ vẫn chưa được khoa học giải thích, nằm bên ngoài các nguyên tố đã biết. Các nhà khoa học vẫn chưa xác định được bản chất của vật chất tối và năng lượng tối, những thành phần bí ẩn chiếm phần lớn vũ trụ.
Có lẽ, trong thế giới vật chất tối, tồn tại những lực tương tác riêng biệt mà chúng ta chưa biết đến. Có thể có nhiều loại “chủng loài” của vật chất tối, thậm chí có cả một bảng tuần hoàn riêng của thế giới tối. Ai biết được những phản ứng hóa học kỳ lạ nào đang diễn ra trong khoảng không rộng lớn giữa các vì sao? Giả thuyết về "sự sống tối" (dark life) thậm chí còn đặt ra khả năng rằng nó đã xuất hiện từ rất sớm trong vũ trụ, trước cả khi các ngôi sao đầu tiên ra đời, được duy trì bởi những lực mà chúng ta chưa hiểu rõ.
Những giả thuyết còn đi xa hơn nữa. Một số nhà vật lý cho rằng, trong những khoảnh khắc đầu tiên của Vụ Nổ Lớn, các lực tự nhiên đã ở trạng thái vô cùng khắc nghiệt và kỳ lạ, đủ để hỗ trợ sự hình thành cấu trúc phức tạp. Ví dụ, những cấu trúc này có thể là các chuỗi vũ trụ (cosmic strings) – những khe nứt trong không-thời gian, được neo giữ bởi các đơn cực từ. Nếu chúng phát triển đủ phức tạp, chúng có thể lưu trữ thông tin.
Với nguồn năng lượng dồi dào trong vũ trụ sơ khai, những cấu trúc này thậm chí có thể tự sao chép, một điều kiện tiên quyết cho sự tiến hóa Darwin.
Nếu thực sự tồn tại, những sinh vật trong môi trường này có thể đã sinh ra và biến mất chỉ trong nháy mắt, với toàn bộ lịch sử của chúng diễn ra chưa đầy một giây. Nhưng đối với chúng, đó có thể đã là một vòng đời trọn vẹn – một nền văn minh chớp nhoáng, tồn tại và tàn lụi trong thời khắc mà vũ trụ còn chưa kịp định hình.
Biên dịch: Hà Linh
