Sự sống như chúng ta biết cần nước, nhưng sự sống mà chúng ta không biết có thể hoạt động nhờ axit sunfuric đậm đặc.
Hóa học của sự sống như chúng ta biết sẽ không hoạt động ở một nơi như vệ tinh khổng lồ Sao Thổ Titan, nơi lạnh đến mức băng hoạt động giống đá hơn, hoặc trong các đám mây axit của Sao Kim. Nhưng một phản ứng hóa học khác, tạo nên tất cả các thành phần cần thiết từ các vật liệu khác nhau, có thể có cơ hội. Hãy tưởng tượng các tế bào sử dụng mêtan, axit sunfuric hoặc thậm chí là đá nóng chảy theo cách các tế bào của bạn sử dụng nước.
Theo một nghiên cứu năm 2021 của nhà sinh học phân tử William Bains thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và các đồng nghiệp của ông, thì hóa ra, nếu chúng ta đang tìm kiếm sự sống mà chúng ta chưa biết, thì dung môi tốt nhất hiện có có thể là axit sunfuric cô đặc — thứ đang trôi nổi trong các đám mây của sao Kim.
Liên quan: Nghiên cứu mới cho thấy sự sống ngoài hành tinh có thể phát triển mạnh trong các đám mây có tính axit của sao Kim
Ở đây trên Trái Đất, nước hoàn toàn phù hợp, nhưng nó có thể không phải là chất lỏng duy nhất trong vũ trụ có khả năng hỗ trợ phản ứng hóa học của sự sống. Trong một nghiên cứu mới, Bains và các đồng nghiệp đã đánh giá một số dung môi có thể dựa trên cách chúng tương tác với các khối xây dựng hóa học của sự sống và mức độ phổ biến của chúng trên các hành tinh đá.
Các ứng cử viên trải dài từ các dạng lỏng của mêtan và etan, amoniac và carbon dioxide cho đến những khả năng thậm chí còn kỳ lạ hơn như hắc ín và đá nóng chảy. Nhà vô địch đáng ngạc nhiên là một loại hóa chất mà chúng ta, những người Trái đất, coi là cực kỳ thù địch với sự sống: axit sunfuric đậm đặc.
"Ngay cả hóa học hữu cơ rất phức tạp cũng tương thích với axit sunfuric đậm đặc", nhà sinh vật học vũ trụ Janusz Petkowski của MIT, đồng tác giả của nghiên cứu mới được công bố vào tháng 12 trên tạp chí Astrobiology, chia sẻ với Space.com.
Ở đầu kia của quang phổ, đá nóng chảy bị loại vì nhiệt độ cực lớn cần thiết để giữ đá ở trạng thái lỏng cũng phá vỡ gần như tất cả các phân tử hữu cơ.
Một số hóa chất, như amoniac, có tất cả các đặc tính phù hợp để tạo ra dung môi tốt cho quá trình hóa học của sự sống diễn ra. Nhưng điều đó có thể không quan trọng, vì các quá trình tương tự cung cấp amoniac cho một hành tinh đá cũng có khả năng dự trữ nước cho nó, và khi điều đó xảy ra, hai chất này gần như không thể tránh khỏi sẽ trộn lẫn với nhau. Đó là một triển vọng thú vị cho sự sống theo đúng nghĩa của nó, vì amoniac làm giảm điểm đóng băng của nước, mở ra nhiều nơi hơn mà sự sống có thể tồn tại trong cái lạnh.
"Mặc dù amoniac có thể đóng vai trò lớn hơn trong sinh hóa của ngoại hành tinh so với trên Trái đất", Bains và các đồng nghiệp của ông đã viết trong bài báo gần đây của họ, "Nó không có khả năng là một dung môi theo đúng nghĩa của nó".
Dựa trên các mô hình vật lý về cách hệ mặt trời hình thành, axit sunfuric khá phổ biến trên các hành tinh đá như sao Kim và chắc chắn có khả năng hòa tan mọi thứ. Nhưng đáng ngạc nhiên là một số khối xây dựng quan trọng nhất cho sự sống — những thứ như axit amin và lipid — có thể trôi nổi xung quanh và thực hiện phản ứng hóa học trong axit sunfuric nguyên chất dễ dàng như trong nước.
"Theo truyền thống, [axit sunfuric] không được coi là dung môi tuyệt vời [cho sự sống]", Dirk Schulze-Makuch, một nhà sinh vật học vũ trụ tại Đại học Kỹ thuật Berlin, người không tham gia vào nghiên cứu gần đây, nói với Space.com. "Tuy nhiên, Bains và các đồng tác giả đã chỉ ra rằng một số lượng lớn đáng kinh ngạc và nhiều loại chất hữu cơ khác nhau ổn định trong axit sunfuric đậm đặc. Điều đó khá đáng ngạc nhiên."
Petkowski đã tham gia một số thí nghiệm gần đây phát hiện ra rằng một số peptit (chuỗi axit amin ngắn) thực sự ổn định trong axit sunfuric đậm đặc trong nhiều tháng liền — ổn định đến mức cuối cùng các nhà nghiên cứu chỉ thấy chán với các phép đo, theo Petkowski. Các thí nghiệm trước đó đã phát hiện ra rằng 19 trong số 20 loại axit amin tạo nên protein trong cơ thể con người không hòa tan trong axit sunfuric đậm đặc. Và một nghiên cứu vẫn đang chờ đánh giá ngang hàng phát hiện ra rằng lipid (phân tử tạo nên màng tế bào của chúng ta) không chỉ có thể chịu được axit sunfuric đậm đặc mà chúng còn bắt đầu hình thành các túi nhỏ chứa đầy chất lỏng trông rất giống các túi, tiền thân của màng.
Điều đó xảy ra như thế nào? Thật kỳ lạ, chìa khóa là nước. Axit sunfuric trên Trái đất thường được tìm thấy trong hỗn hợp nước, không phải ở dạng tinh khiết; thực chất là nước có chứa một ít axit. Và trong hỗn hợp đó, axit sunfuric xúc tác các phản ứng hóa học giữa nước và các liên kết giữ các peptit lại với nhau. Loại bỏ nước hoặc axit, và những phản ứng đó không thể xảy ra — vì vậy peptide ổn định trong bất kỳ dung môi nào, nhưng không ổn định trong hỗn hợp của cả hai.
"Axit sunfuric cô đặc là một chất rất khác so với axit loãng", Petkowski nói. "Người ta thường hiểu lầm rằng axit sunfuric phá hủy mọi thành phần hóa học hữu cơ. Điều này là sai. Nó là một dung môi rất mạnh, nhưng lại rất mạnh đối với các thành phần cụ thể trong các phân tử hữu cơ, như đường". (Mặc dù axit sunfuric có tính dịu nhẹ với axit amin và lipid, nhưng nó chắc chắn sẽ phá hủy đường, vốn tạo nên phần lớn cấu trúc nền tảng mà sự sống được xây dựng trên đó.)
Ở đâu đó trong vũ trụ, các hồ axit sunfuric có thể chứa đầy các dạng sống có thành phần hóa học cơ bản chỉ khác một chút so với chúng ta.
Liên quan: Tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh
Các câu chuyện liên quan:
— Nếu sự sống trên sao Kim chỉ là sự sống từ Trái Đất thì sao?
— Sự sống trên sao Kim? Tại sao đây không phải là một suy nghĩ vô lý
— Sự sống ngoài hành tinh có cần một hành tinh để tồn tại không? Các nhà khoa học đề xuất một khả năng hấp dẫn
"Chúng ta nên hiểu axit sunfuric là một môi trường không quá xa lạ như chúng ta nghĩ", Petkowski nói. (Điều đó không có nghĩa là bạn có thể bơi an toàn trong axit sunfuric đậm đặc; tế bào của bạn không tiến hóa để làm điều đó. Vui lòng không thử nghiệm.)
Ví dụ, sự sống trong biển axit sunfuric sẽ phải sử dụng thứ gì đó cứng hơn thay cho đường, thứ phân hủy rất nhanh trong axit sunfuric. Trên Trái đất, đường là cách tế bào lưu trữ năng lượng và chúng cũng tạo nên một phần của thành tế bào. Người ngoài hành tinh trên sao Kim sẽ sử dụng một số loại phân tử khác để làm những việc tương tự mà không bị phân hủy.
"Bạn phải điều chỉnh hóa học hữu cơ của mình theo dung môi", Petkowski nói. "Bạn phải chọn đúng các khối xây dựng LEGO hóa học, nhưng cuối cùng bạn có thể tạo ra cùng một cấu trúc chức năng".
Những điểm khác biệt khác có thể tinh tế hơn. Axit sunfuric cô đặc không phân hủy hầu hết các axit amin mà cơ thể chúng ta sử dụng, nhưng nó gây ra những thay đổi nhỏ trong "chuỗi bên" của chúng, các chuỗi nguyên tử nhô ra khỏi phân tử như một cái đuôi. Và chỉ một liên kết hóa học duy nhất tạo nên sự khác biệt giữa một peptide ổn định trong axit sunfuric và một peptide bị phân hủy. Vì vậy, người ngoài hành tinh trên một thế giới có tính axit vẫn có thể có các tế bào được tạo thành từ axit amin và protein, nhưng chúng có thể trông hơi khác một chút so với chúng ta.
Tuy nhiên, các màng bao quanh tế bào — giữ các cơ chế hóa học của sự sống bên trong và mọi thứ khác bên ngoài — có thể trông rất quen thuộc. Những khối cầu giống như túi xuất hiện khi Petkowski và các đồng nghiệp của ông cho lipid vào axit sunfuric thực sự hình thành theo cùng một cách chính xác như các túi hình thành trong nước: một quá trình được gọi là tạo ngọc trai. Đầu tiên, lipid tạo thành ống, sau đó những ống này vỡ ra thành những túi nhỏ. Sự sống trên một thế giới có tính axit có thể sử dụng một bộ lipid khác với những lipid trong màng tế bào của chúng ta, nhưng vật lý của quá trình hình thành màng sẽ giống nhau, nếu Petkowski và các đồng nghiệp của ông đúng.
Các nhà sinh vật học vũ trụ như Petkowski, Schulze-Makuch và những người khác vẫn chưa chắc chắn về cách tất cả các mảnh của sự sống mà chúng ta không biết có thể kết hợp lại với nhau. Nhưng, như Petkowski đã chỉ ra, họ cũng không chắc chắn về cách một vài nhóm phân tử ở đây trên Trái đất đã thực hiện bước nhảy vọt từ hóa học sang sự sống.
"Chúng ta còn cách xa việc tìm ra [nguồn] gốc của sự sống trong nước như chúng ta còn cách xa trong axit sunfuric đậm đặc", Petkowski nói.
Hóa học của sự sống như chúng ta biết sẽ không hoạt động ở một nơi như vệ tinh khổng lồ Sao Thổ Titan, nơi lạnh đến mức băng hoạt động giống đá hơn, hoặc trong các đám mây axit của Sao Kim. Nhưng một phản ứng hóa học khác, tạo nên tất cả các thành phần cần thiết từ các vật liệu khác nhau, có thể có cơ hội. Hãy tưởng tượng các tế bào sử dụng mêtan, axit sunfuric hoặc thậm chí là đá nóng chảy theo cách các tế bào của bạn sử dụng nước.
Theo một nghiên cứu năm 2021 của nhà sinh học phân tử William Bains thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và các đồng nghiệp của ông, thì hóa ra, nếu chúng ta đang tìm kiếm sự sống mà chúng ta chưa biết, thì dung môi tốt nhất hiện có có thể là axit sunfuric cô đặc — thứ đang trôi nổi trong các đám mây của sao Kim.
Axit sunfuric: Hazmat hay dung môi cho sự sống?
Ở mức độ cơ bản nhất, sự sống chỉ là một loạt các phản ứng hóa học. Những phản ứng đó cần một môi trường để xảy ra, mà các nhà hóa học gọi là dung môi: một thứ gì đó đủ lỏng để các phân tử có thể trôi nổi và hòa trộn, và cần phải có rất nhiều chất lỏng ở một nơi. Nhưng không phải bất kỳ chất lỏng nào cũng có thể làm được; dung môi cũng cần giúp phân hủy và vận chuyển các hóa chất mà tế bào cần để sống — mà không hòa tan các phân tử quan trọng như lipid và axit amin.Liên quan: Nghiên cứu mới cho thấy sự sống ngoài hành tinh có thể phát triển mạnh trong các đám mây có tính axit của sao Kim
Ở đây trên Trái Đất, nước hoàn toàn phù hợp, nhưng nó có thể không phải là chất lỏng duy nhất trong vũ trụ có khả năng hỗ trợ phản ứng hóa học của sự sống. Trong một nghiên cứu mới, Bains và các đồng nghiệp đã đánh giá một số dung môi có thể dựa trên cách chúng tương tác với các khối xây dựng hóa học của sự sống và mức độ phổ biến của chúng trên các hành tinh đá.
Các ứng cử viên trải dài từ các dạng lỏng của mêtan và etan, amoniac và carbon dioxide cho đến những khả năng thậm chí còn kỳ lạ hơn như hắc ín và đá nóng chảy. Nhà vô địch đáng ngạc nhiên là một loại hóa chất mà chúng ta, những người Trái đất, coi là cực kỳ thù địch với sự sống: axit sunfuric đậm đặc.
"Ngay cả hóa học hữu cơ rất phức tạp cũng tương thích với axit sunfuric đậm đặc", nhà sinh vật học vũ trụ Janusz Petkowski của MIT, đồng tác giả của nghiên cứu mới được công bố vào tháng 12 trên tạp chí Astrobiology, chia sẻ với Space.com.
Gật đầu với những người về nhì
Các hồ mêtan lạnh giá của Titan đã trở thành điểm nóng cho những suy đoán về sự sống mà chúng ta chưa từng biết đến kể từ khi tàu thăm dò Cassini Saturn của NASA gửi những bức ảnh đầu tiên về chúng về Trái đất vào năm 2005. Mêtan và etan là các khí ở nhiệt độ mà chúng ta tìm thấy ở đây trên Trái đất; để ngưng tụ thành chất lỏng lấp đầy các biển tối của Titan, chúng cần nhiệt độ khoảng âm 250 độ F (âm 157 độ C). Nhưng trong điều kiện cực lạnh như vậy, các nguyên tử và phân tử chuyển động chậm chạp, vì vậy các phản ứng hóa học diễn ra chậm — quá chậm để sự sống có thể xảy ra, theo Petkowski.Ở đầu kia của quang phổ, đá nóng chảy bị loại vì nhiệt độ cực lớn cần thiết để giữ đá ở trạng thái lỏng cũng phá vỡ gần như tất cả các phân tử hữu cơ.
Một số hóa chất, như amoniac, có tất cả các đặc tính phù hợp để tạo ra dung môi tốt cho quá trình hóa học của sự sống diễn ra. Nhưng điều đó có thể không quan trọng, vì các quá trình tương tự cung cấp amoniac cho một hành tinh đá cũng có khả năng dự trữ nước cho nó, và khi điều đó xảy ra, hai chất này gần như không thể tránh khỏi sẽ trộn lẫn với nhau. Đó là một triển vọng thú vị cho sự sống theo đúng nghĩa của nó, vì amoniac làm giảm điểm đóng băng của nước, mở ra nhiều nơi hơn mà sự sống có thể tồn tại trong cái lạnh.
"Mặc dù amoniac có thể đóng vai trò lớn hơn trong sinh hóa của ngoại hành tinh so với trên Trái đất", Bains và các đồng nghiệp của ông đã viết trong bài báo gần đây của họ, "Nó không có khả năng là một dung môi theo đúng nghĩa của nó".
Sự sống trên một thế giới axit
Vì vậy, nếu các nhà sinh vật học vũ trụ tìm thấy sự sống ngoài hành tinh có phản ứng hóa học kỳ lạ sử dụng một số chất lỏng khác ngoài nước, thì không có khả năng đó là mêtan, amoniac hoặc đá nóng chảy — nhưng ở đâu đó ngoài kia, sự sống ngoài hành tinh có thể có các tế bào chứa đầy axit sunfuric nguyên chất.Dựa trên các mô hình vật lý về cách hệ mặt trời hình thành, axit sunfuric khá phổ biến trên các hành tinh đá như sao Kim và chắc chắn có khả năng hòa tan mọi thứ. Nhưng đáng ngạc nhiên là một số khối xây dựng quan trọng nhất cho sự sống — những thứ như axit amin và lipid — có thể trôi nổi xung quanh và thực hiện phản ứng hóa học trong axit sunfuric nguyên chất dễ dàng như trong nước.
"Theo truyền thống, [axit sunfuric] không được coi là dung môi tuyệt vời [cho sự sống]", Dirk Schulze-Makuch, một nhà sinh vật học vũ trụ tại Đại học Kỹ thuật Berlin, người không tham gia vào nghiên cứu gần đây, nói với Space.com. "Tuy nhiên, Bains và các đồng tác giả đã chỉ ra rằng một số lượng lớn đáng kinh ngạc và nhiều loại chất hữu cơ khác nhau ổn định trong axit sunfuric đậm đặc. Điều đó khá đáng ngạc nhiên."
Petkowski đã tham gia một số thí nghiệm gần đây phát hiện ra rằng một số peptit (chuỗi axit amin ngắn) thực sự ổn định trong axit sunfuric đậm đặc trong nhiều tháng liền — ổn định đến mức cuối cùng các nhà nghiên cứu chỉ thấy chán với các phép đo, theo Petkowski. Các thí nghiệm trước đó đã phát hiện ra rằng 19 trong số 20 loại axit amin tạo nên protein trong cơ thể con người không hòa tan trong axit sunfuric đậm đặc. Và một nghiên cứu vẫn đang chờ đánh giá ngang hàng phát hiện ra rằng lipid (phân tử tạo nên màng tế bào của chúng ta) không chỉ có thể chịu được axit sunfuric đậm đặc mà chúng còn bắt đầu hình thành các túi nhỏ chứa đầy chất lỏng trông rất giống các túi, tiền thân của màng.
Điều đó xảy ra như thế nào? Thật kỳ lạ, chìa khóa là nước. Axit sunfuric trên Trái đất thường được tìm thấy trong hỗn hợp nước, không phải ở dạng tinh khiết; thực chất là nước có chứa một ít axit. Và trong hỗn hợp đó, axit sunfuric xúc tác các phản ứng hóa học giữa nước và các liên kết giữ các peptit lại với nhau. Loại bỏ nước hoặc axit, và những phản ứng đó không thể xảy ra — vì vậy peptide ổn định trong bất kỳ dung môi nào, nhưng không ổn định trong hỗn hợp của cả hai.
"Axit sunfuric cô đặc là một chất rất khác so với axit loãng", Petkowski nói. "Người ta thường hiểu lầm rằng axit sunfuric phá hủy mọi thành phần hóa học hữu cơ. Điều này là sai. Nó là một dung môi rất mạnh, nhưng lại rất mạnh đối với các thành phần cụ thể trong các phân tử hữu cơ, như đường". (Mặc dù axit sunfuric có tính dịu nhẹ với axit amin và lipid, nhưng nó chắc chắn sẽ phá hủy đường, vốn tạo nên phần lớn cấu trúc nền tảng mà sự sống được xây dựng trên đó.)
Ở đâu đó trong vũ trụ, các hồ axit sunfuric có thể chứa đầy các dạng sống có thành phần hóa học cơ bản chỉ khác một chút so với chúng ta.
Liên quan: Tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh
Các câu chuyện liên quan:
— Nếu sự sống trên sao Kim chỉ là sự sống từ Trái Đất thì sao?
— Sự sống trên sao Kim? Tại sao đây không phải là một suy nghĩ vô lý
— Sự sống ngoài hành tinh có cần một hành tinh để tồn tại không? Các nhà khoa học đề xuất một khả năng hấp dẫn
Tế bào của người ngoài hành tinh được tạo thành từ gì?
Các dạng sống của người ngoài hành tinh sử dụng axit sunfuric thay cho nước có lẽ trông rất giống với sự sống trên Trái đất, với một số điểm khác biệt tinh tế nhưng quan trọng trong thành phần hóa học của chúng."Chúng ta nên hiểu axit sunfuric là một môi trường không quá xa lạ như chúng ta nghĩ", Petkowski nói. (Điều đó không có nghĩa là bạn có thể bơi an toàn trong axit sunfuric đậm đặc; tế bào của bạn không tiến hóa để làm điều đó. Vui lòng không thử nghiệm.)
Ví dụ, sự sống trong biển axit sunfuric sẽ phải sử dụng thứ gì đó cứng hơn thay cho đường, thứ phân hủy rất nhanh trong axit sunfuric. Trên Trái đất, đường là cách tế bào lưu trữ năng lượng và chúng cũng tạo nên một phần của thành tế bào. Người ngoài hành tinh trên sao Kim sẽ sử dụng một số loại phân tử khác để làm những việc tương tự mà không bị phân hủy.
"Bạn phải điều chỉnh hóa học hữu cơ của mình theo dung môi", Petkowski nói. "Bạn phải chọn đúng các khối xây dựng LEGO hóa học, nhưng cuối cùng bạn có thể tạo ra cùng một cấu trúc chức năng".
Những điểm khác biệt khác có thể tinh tế hơn. Axit sunfuric cô đặc không phân hủy hầu hết các axit amin mà cơ thể chúng ta sử dụng, nhưng nó gây ra những thay đổi nhỏ trong "chuỗi bên" của chúng, các chuỗi nguyên tử nhô ra khỏi phân tử như một cái đuôi. Và chỉ một liên kết hóa học duy nhất tạo nên sự khác biệt giữa một peptide ổn định trong axit sunfuric và một peptide bị phân hủy. Vì vậy, người ngoài hành tinh trên một thế giới có tính axit vẫn có thể có các tế bào được tạo thành từ axit amin và protein, nhưng chúng có thể trông hơi khác một chút so với chúng ta.
Tuy nhiên, các màng bao quanh tế bào — giữ các cơ chế hóa học của sự sống bên trong và mọi thứ khác bên ngoài — có thể trông rất quen thuộc. Những khối cầu giống như túi xuất hiện khi Petkowski và các đồng nghiệp của ông cho lipid vào axit sunfuric thực sự hình thành theo cùng một cách chính xác như các túi hình thành trong nước: một quá trình được gọi là tạo ngọc trai. Đầu tiên, lipid tạo thành ống, sau đó những ống này vỡ ra thành những túi nhỏ. Sự sống trên một thế giới có tính axit có thể sử dụng một bộ lipid khác với những lipid trong màng tế bào của chúng ta, nhưng vật lý của quá trình hình thành màng sẽ giống nhau, nếu Petkowski và các đồng nghiệp của ông đúng.
Các nhà sinh vật học vũ trụ như Petkowski, Schulze-Makuch và những người khác vẫn chưa chắc chắn về cách tất cả các mảnh của sự sống mà chúng ta không biết có thể kết hợp lại với nhau. Nhưng, như Petkowski đã chỉ ra, họ cũng không chắc chắn về cách một vài nhóm phân tử ở đây trên Trái đất đã thực hiện bước nhảy vọt từ hóa học sang sự sống.
"Chúng ta còn cách xa việc tìm ra [nguồn] gốc của sự sống trong nước như chúng ta còn cách xa trong axit sunfuric đậm đặc", Petkowski nói.
