Phát hiện mới từ Trái đất giúp giải quyết nghịch lý mặt trời thời xa xưa

Quá trình phản ứng không liên quan đến các sinh vật sống, vì vậy có thể nó đã xảy ra rất sớm trong lịch sử hành tinh của chúng ta. Johannes Rebelein tại Viện Vi sinh vật trên cạn Max Planck ở Marburg, Đức cho biết: “Chúng tôi mới xác định được một nguồn khí mê-tan (CH4) có khả năng hình thành trước khi khởi nguồn sự sống. Nếu khí mê-tan được hình thành đủ, điều đó có thể giúp giải thích tại sao Trái đất vẫn ấm vào thời điểm mặt trời hoạt động không sôi động như hiện nay”.

Mê-tan là một hợp chất hóa học phổ biến: mỗi phân tử bao gồm một nguyên tử carbon được bao quanh bởi bốn nguyên tử hydro. Đó là một loại khí nhà kính giữ nhiệt của mặt trời, làm ấm hành tinh.

Ngày nay, hầu hết khí mê-tan được tạo ra bởi các sinh vật sử dụng các phân tử phức tạp gọi là enzym để làm như vậy. Tuy nhiên, vào năm 2022, Rebelein và các đồng nghiệp đã xác định được một quá trình mà khí mê-tan có thể hình thành trong các sinh vật không có enzyme. Các hóa chất chứa carbon, lưu huỳnh và nitơ được chuyển hóa thành khí mê-tan nhờ chất xúc tác như sắt tích điện và các loại oxy hoạt tính.

Điều này khiến nhóm nghiên cứu tự hỏi liệu phản ứng tương tự có thể xảy ra bên ngoài các tế bào sống hay không. Rebelein đặt vấn đề: “Sắt có trong tự nhiên; có các loại oxy hoạt tính trong nước”.

Nhóm đã đặt các lọ nhỏ với vài ml nước chứa hóa chất trong môi trường được tăng nhiệt độ từ 37°C đến 97°C. Rebelein cho biết: “Chúng tôi đã thêm bàn ủi vào đó, sau đó chúng tôi ủ chúng dưới nhiệt độ tăng hoặc dưới ánh sáng”.

Khí mê-tan hình thành ổn định, với tốc độ tăng ở nhiệt độ cao hơn hoặc khi các mẫu được chiếu sáng sẽ phân tách một số phân tử nước, tạo thành các loại oxy hoạt tính.

Giải quyết nghịch lý mặt trời trẻ mờ nhạt

Rebelein cho biết kết quả có thể giúp giải thích một bí ẩn gọi là nghịch lý mặt trời trẻ mờ nhạt. Khi mặt trời mới hình thành, nó mờ hơn đáng kể so với ngày nay – nhưng bằng chứng địa chất lại cho thấy Trái đất khi đó vẫn ấm áp và không bị đóng băng.

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã tin rằng nồng độ mê-tan cao đã giúp đạt được điều này. Rebelein nói: “Chúng tôi có thể thu hẹp khoảng cách đó một chút bằng cách đưa ra một cơ chế mới có thể giải phóng khí mê-tan”. Tuy nhiên, ông thừa nhận không rõ quá trình mới thực sự có thể tạo ra bao nhiêu khí mê-tan.

Người ta biết rằng khí mê-tan có thể hình thành khi không có sự sống, mặc dù bằng một quá trình khác. Khi nước chảy qua những tảng đá giàu sắt và magie, đá chuyển hóa thành một loại khoáng chất màu xanh gọi là serpentinite, và giải phóng khí mê-tan dưới dạng một sản phẩm phụ.

Giada Arney tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Maryland, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết quá trình này được gọi là quá trình serpentin hóa. Đây chính là nguồn khí mê-tan phi sinh học chiếm ưu thế trên Trái đất và có lẽ cũng xảy ra đối với Trái đất thời sơ khai.

Rebelein nói rằng ông tin chắc rằng quá trình serpentin hóa cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc giữ ấm cho Trái đất thời sơ khai.

Arney nói: “Ngày nay, nghịch lý mặt trời trẻ mờ nhạt không còn là một nghịch lý nữa. Thay vào đó, nó là “một câu hỏi có nhiều câu trả lời hợp lý”, nhưng chúng ta có thể không bao giờ đưa ra được đáp án chính xác”. 

Sự sống ở thế giới khác

Phát hiện mới sẽ làm phức tạp thêm việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất bởi vì khí mê-tan được tạo ra bởi các sinh vật sống, nên nó đã được đề xuất như một “dấu hiệu sinh học”. Nói cách khác, nếu một hành tinh có khí mê-tan trong không khí, thì giới thiên văn coi đó là dấu hiệu của sự sống. Khí mê-tan đã nhiều lần được phát hiện trên sao Hỏa và điều này được hiểu là bằng chứng về sự tồn tại của vi sinh vật.

Rebelein nói: “Bất kỳ hành tinh nào có nước trên đó cũng có khả năng thể hiện cơ chế mà chúng tôi mô tả ở đây. Khí mê-tan không còn là một dấu hiệu sinh học lý tưởng nữa”.

Arney cho biết, thực tế khí mê-tan có thể được tạo ra bằng quá trình serpentin hóa đã làm phức tạp việc sử dụng nó như một dấu hiệu sinh học và phát hiện mới bổ sung thêm vào điều đó.

Đối với Arney, giải pháp để giải quyết vấn đề cho các nhà thiên văn là tìm kiếm nhiều dòng bằng chứng vẽ nên một bức tranh mạch lạc. Bầu khí quyển của Trái đất chứa oxy, vì vậy các phân tử mê-tan bị phá hủy trong khoảng 10 năm. Nhà nữ khoa học này nói: “Vì vậy khí mê-tan cần phải được sản xuất cực kỳ nhanh chóng để tồn tại trong bầu khí quyển. Tốc độ sản xuất nhanh chóng đó cao hơn nhiều so với bất kỳ quy trình phi sinh học nào mà chúng ta biết. Kết quả là, sự kết hợp giữa khí mê-tan và oxy là một dấu hiệu sinh học tốt hơn so với chỉ xét mỗi khí mê-tan”.