Tám thành phần hóa học hình thành sự sống trong không gian (cho học sinh từ lớp 6 đến 12 và sinh viên)
- OFREZH EDITOR
- 27 thg 7, 2024
- 26 phút đọc
Đã cập nhật: 27 thg 7, 2024
Tám thành phần hóa học hình thành sự sống trong không gian
Thông qua nghiên cứu cách con người, thực vật, động vật và vi khuẩn tồn tại và phát triển trên Trái đất, các nhà khoa học đã xác định được những thành phần chính dường như rất cần thiết cho sự tiến hóa của sự sống.
Qua nhiều thế hệ, các nhà khoa học đã lùng sục khắp thiên hà của chúng ta để tìm bằng chứng về sự sống trên các hành tinh khác . Họ đang tìm kiếm một tập hợp các hoàn cảnh và hóa chất cụ thể để kết hợp với nhau ở đúng nơi, đúng thời điểm.
Tiến sĩ Anne Jungblut , một chuyên gia về sự sống trong điều kiện khắc nghiệt, và Tiến sĩ Paul Kenrick , một chuyên gia về quá trình tiến hóa ban đầu của sự sống, sẽ giải thích những gì họ đang tìm kiếm.
1. Nước
Nước đóng vai trò như một dung môi, cho phép các phản ứng hóa học quan trọng diễn ra © Triff/Shutterstock.com
Hầu như tất cả các quá trình tạo nên sự sống trên Trái Đất đều có thể được phân chia thành các phản ứng hóa học - và hầu hết các phản ứng đó đều cần chất lỏng để phân hủy các chất để chúng có thể di chuyển và tương tác tự do.
Nước lỏng là một yêu cầu thiết yếu cho sự sống trên Trái đất vì nó hoạt động như một dung môi. Nó có khả năng hòa tan các chất và cho phép các phản ứng hóa học quan trọng trong tế bào động vật, thực vật và vi khuẩn.
Tính chất hóa học và vật lý của nó cho phép nó hòa tan nhiều chất hơn hầu hết các chất lỏng khác. Các đặc điểm khác khiến nó trở thành môi trường sống tốt cho sự sống là khả năng dẫn nhiệt, sức căng bề mặt, điểm sôi và điểm nóng chảy cao, và khả năng cho ánh sáng xuyên qua.
Anne cho biết, 'Vì nước đóng vai trò thiết yếu trong sự sống trên Trái Đất nên sự hiện diện của nước rất quan trọng trong quá trình tìm kiếm các hành tinh và mặt trăng có thể sinh sống được'.
2. Cacbon
Kim cương là một dạng thù hình của cacbon
Nhiều phân tử phức tạp cần thiết để thực hiện hàng ngàn chức năng duy trì sự sống phức tạp. Carbon là khối xây dựng đơn giản mà sinh vật cần để tạo thành các hợp chất hữu cơ như protein, carbohydrate và chất béo.
Cấu trúc phân tử của cacbon cho phép các nguyên tử của nó tạo thành chuỗi dài, với mỗi liên kết để lại hai liên kết tiềm năng tự do kết hợp với các nguyên tử khác. Nó liên kết đặc biệt dễ dàng với oxy, hydro và nitơ.
Các liên kết tự do thậm chí có thể kết hợp với các nguyên tử carbon khác để tạo thành các cấu trúc phân tử 3D phức tạp, chẳng hạn như vòng và cây phân nhánh.
Các phân tử carbon cũng rất bền và ổn định, do đó chúng rất lý tưởng để xây dựng cơ thể.
Anne nói, 'Carbon là một trong những nguyên tố hóa học phổ biến nhất trên Trái Đất và là thành phần chính của mọi sinh vật sống. Do đó, một giả thuyết khả thi là sự sống trên các hành tinh khác cũng có thể dựa trên carbon.
3. Nitơ
Nitơ là cần thiết để tạo ra DNA. Nitơ lỏng cũng được sử dụng vì nó có thể duy trì nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm đóng băng của nước © Vit Kovalcik/ Shutterstock.com
Carbon là thành phần cơ bản của hợp chất hữu cơ, nhưng nó không thể tự mình làm được. Các protein phức tạp cần thiết cho sự sống được tạo thành từ các hợp chất nhỏ hơn gọi là axit amin - hợp chất hữu cơ đơn giản có chứa nitơ.
Nitơ cũng cần thiết để tạo nên DNA và RNA, những thành phần mang mã di truyền cho sự sống trên Trái Đất.
Nhiều loại vi khuẩn có thể chuyển đổi nitơ từ khí quyển thành dạng mà tế bào sống có thể sử dụng.
Anne nói, ' Thực vật không thể sử dụng nitơ trong khí quyển. Chúng dựa vào amoni và nitrat do vi khuẩn trong đất và nước tạo ra, còn động vật lấy nitơ thông qua thức ăn.
'Việc tìm ra nitơ có thể sử dụng được về mặt sinh hóa có thể là manh mối quan trọng về hoạt động sinh học trên một hành tinh khác.'
4. Phốt pho
Phốt pho là một nguyên tố quan trọng trong màng tế bào © Magnetix/ Shutterstock.com
Phốt pho là thành phần chính của adenosine triphosphate (ATP), một chất hữu cơ đóng vai trò là đơn vị tiền tệ phân tử của sự sống.
ATP vận chuyển năng lượng hóa học đi khắp các tế bào trong cơ thể, cung cấp năng lượng cho hầu hết mọi quá trình của tế bào cần đến năng lượng.
Phốt pho là một nguyên tố quan trọng trong màng tế bào, lớp bao quanh bên trong tế bào, có chức năng kiểm soát sự vận chuyển các chất ra vào.
Và giống như nitơ, phốt pho cần thiết để tạo ra DNA và RNA.
Anne cho biết, 'Nhóm phosphate hoạt động giống như chất keo trong DNA, vì vậy cơ thể của các sinh vật sống sẽ không hoạt động nếu thiếu nó'.
5. Lưu huỳnh
Mẫu tinh thể lưu huỳnh từ bộ sưu tập của Bảo tàng. Lưu huỳnh có thể rất nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm. Tìm hiểu cách chúng tôi vệ sinh và bảo quản mẫu khoáng sản .
Lưu huỳnh là một phần của hầu hết các quá trình sinh hóa trên Trái Đất và hầu hết các enzyme không thể hoạt động nếu không có lưu huỳnh. Lưu huỳnh cũng là thành phần của nhiều loại vitamin và hormone.
Trong trường hợp không có ánh sáng và oxy, có thể sử dụng lưu huỳnh làm nguồn năng lượng. Vi khuẩn sống trong điều kiện môi trường khắc nghiệt được gọi là vi khuẩn ưa cực và được phát hiện có thể lấy năng lượng để phát triển chỉ từ lưu huỳnh và hydro.
Anne cho biết, 'Một số vi sinh vật có thể phát triển trong những điều kiện khắc nghiệt như hồ đóng băng vĩnh viễn, lỗ thông thủy nhiệt dưới biển sâu , bức xạ phóng xạ cao và độ mặn cao.
'Chúng mở rộng hiểu biết của chúng ta về khả năng chống lại căng thẳng cực độ của một số dạng sống. Điều này giúp chúng ta hiểu được các hành tinh khác có thể sinh sống được như thế nào.'
6. May mắn
Trái đất là một hành tinh may mắn, với tất cả các thành phần của sự sống kết hợp cùng một lúc © Vadim Sadovski/ Shutterstock.com
Có tất cả các hóa chất phù hợp trên cùng một hành tinh có vẻ may mắn. Và Trái đất - một hành tinh nhỏ bé giữa một vũ trụ rộng lớn - thật may mắn khi có đủ các hóa chất phù hợp để hỗ trợ sự sống dồi dào.
Tiến sĩ Paul Kenrick, một nhà cổ thực vật học của Bảo tàng, cho biết: 'Theo thời gian, những thảm họa lớn như va chạm với tiểu hành tinh và phun trào núi lửa dữ dội đã xóa sổ nhiều loài .
'Tuy nhiên, những khoảng trống tạo ra đã tạo cơ hội cho những người sống sót phát triển. Những tai nạn trên đường có nghĩa là cơ hội đóng vai trò rất lớn trong việc định hình số phận của chúng ta.'
7. Thời gian
Một con Plesiosaurus hóa thạch , từ một nhóm bò sát biển tiến hóa từ loài bò sát sống trên cạn khoảng 210 triệu năm trước
Sự phát triển của dạng sống phức tạp phải mất hàng tỷ năm và không có con đường tắt nào trên hành trình từ sinh vật đơn bào đến dạng sống phức tạp.
Trái đất có tuổi đời 4,5 tỷ năm, nhưng trong giai đoạn đầu tiên, nó quá nóng để hỗ trợ sự sống. Bằng chứng hóa thạch lâu đời nhất về sự sống đến từ những tảng đá có tuổi đời 3,4 tỷ năm . Phải mất một thời gian dài để thực vật và động vật tiến hóa từ các sinh vật đơn bào.
Có khả năng sự sống tồn tại trên các hành tinh khác - nhưng có khả năng sự sống đó sẽ phải trải qua rất nhiều quá trình tiến hóa để bắt kịp.
Paul, giải thích lý do tại sao sự sống phức tạp mất nhiều thời gian để hình thành, cho biết: 'Khối xây dựng chính của sự sống là tế bào, với hệ thống di truyền và sinh hóa phức tạp của nó. Động vật và thực vật đều được tạo thành từ tế bào, vì vậy tế bào phải tiến hóa trước.
'Để tạo ra các mô và cơ quan, các tế bào cần phải nhân lên, chuyên biệt hóa chức năng và hợp tác. Sự tiến hóa của các khối xây dựng cơ bản này và sự tích hợp của chúng cần có thời gian.
'Các sinh vật lớn hơn đòi hỏi các hệ thống tế bào chuyên biệt và tích hợp hơn. Hồ sơ hóa thạch cho chúng ta biết rằng điều này mất hàng tỷ năm.'
8. Vị trí
Trái đất có khoảng cách hoàn hảo từ Mặt trời để hỗ trợ sự sống © Triff/ Shutterstock.com
Trái Đất nằm trong vùng Goldilocks, nghĩa là nó có khoảng cách vừa phải đến Mặt Trời : không quá nóng hoặc quá lạnh để có nước lỏng trên bề mặt.
Các nhà thiên văn học đang tìm kiếm các hành tinh có khoảng cách tương tự với ngôi sao chủ của chúng.
Sự sống cần một nguồn năng lượng để thúc đẩy sự phát triển - hoặc là lượng ánh sáng phù hợp từ một ngôi sao hoặc năng lượng được tạo ra bằng phương pháp hóa học. Sự sống cũng cần được bảo vệ khỏi một số bước sóng nhất định của bức xạ mặt trời. Tiếp xúc với tia cực tím B làm hỏng DNA, nhưng bước sóng này chủ yếu được hấp thụ bởi tầng ozone.
Paul nói, 'Trong quá trình tìm kiếm sự sống trong hệ mặt trời, một chiến lược là theo dõi nước. Nước lỏng có thể tồn tại bên dưới bề mặt khô của sao Hỏa và bề mặt đóng băng của vệ tinh Europa của sao Mộc. Cuộc tìm kiếm sự sống đã mở rộng để xem xét các thế giới xa Mặt trời.'
TÓM LẠI
Khi các nhà sinh vật học vũ trụ tìm kiếm bằng chứng vật lý về sự sống trong quá khứ hoặc hiện tại ngoài Trái đất, họ tìm kiếm các dấu hiệu sinh học, như các phân tử có phản ứng hóa học không hợp lý dựa trên các quá trình không sống. Nhưng việc xác định xem một phân tử từ thế giới khác có đủ bất thường để đến từ sự sống hay không có nghĩa là các nhà khoa học trước tiên phải hiểu được phản ứng hóa học không sống của thiên thể hành tinh nơi nó được tìm thấy. Trong khi một số nhà khoa học đang phát triển các công cụ như Ladder of Life Detection để đánh giá hiệu quả các dấu hiệu sinh học, những người khác đang cố gắng tìm ra cách phân biệt hóa học sinh học với phần còn lại. Công trình khái niệm này có thể giúp các nhà khoa học đang phân tích dữ liệu được thu thập bởi các sứ mệnh tìm kiếm sự sống trong hệ mặt trời của chúng ta hoặc xa hơn.
Dấu hiệu hóa học của sự sống ngoài Trái Đất là gì?
Để tìm kiếm các phân tử chỉ ra sự sống, các nhà khoa học tìm cách hiểu điều gì làm cho sinh hóa học khác biệt với mọi thứ khác
Năm 1976, hai tàu thăm dò của NASA đã hạ cánh xuống sao Hỏa để tiến hành các thí nghiệm đầu tiên nhằm tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất.
Các tàu đổ bộ Viking 1 và 2 đang tìm kiếm bằng chứng về vi khuẩn sống trên sao Hỏa. Họ xử lý các mẫu đất bằng chất dinh dưỡng hoặc các hợp chất khác mà vi khuẩn có thể chuyển hóa và sau đó theo dõi các phân tử chỉ ra hoạt động sinh hóa.
Kết quả ban đầu khiến các nhà khoa học phấn khích: một thí nghiệm phát hiện ra khí được gắn nhãn phóng xạ phát ra từ các mẫu được xử lý bằng chất dinh dưỡng được gắn nhãn carbon-14. “Nếu thông tin từ các thí nghiệm khác trên tàu đổ bộ Viking không có sẵn, thì bộ dữ liệu này gần như chắc chắn sẽ được hiểu là bằng chứng giả định cho sinh học”, Harold Klein, một nhà sinh vật học vũ trụ của NASA tham gia vào các sứ mệnh Viking ban đầu , viết trong một bài báo được công bố về kết quả ( Icarus 1978, DOI: 10.1016/0019-1035 (78)90053-2).
Nhưng các thiết bị khác trên tàu đổ bộ Viking chỉ phát hiện ra một lượng nhỏ các phân tử hữu cơ—như chloro- và dichloromethane. Việc thiếu các phân tử phức tạp, hữu cơ hoặc không, đã ngăn cản một lời giải thích sinh học cho kết quả đánh dấu phóng xạ. Các thí nghiệm khác do tàu đổ bộ thực hiện không có kết luận nào cả. Sau nhiều năm tranh luận gay gắt, cuối cùng cộng đồng khoa học đã kết luận rằng các quá trình không sống, hoặc phi sinh học,—như các chất oxy hóa chưa biết trong đất—là lời giải thích có khả năng hơn cho kết quả của Viking .
Những kết quả thử nghiệm này chứng minh rằng việc xác định các dấu hiệu vật lý của sự sống, hay các dấu hiệu sinh học, có thể khó khăn đến mức nào, chứ đừng nói đến việc đưa ra tuyên bố chắc chắn rằng đã tìm thấy sự sống trên một hành tinh khác. Các sứ mệnh Viking đã dẫn dắt các nhà khoa học phát triển các kỹ thuật mới để đánh giá các dấu hiệu sinh học và thiết bị để phát hiện chúng. Nhưng những thử nghiệm ban đầu này cũng khiến các nhà khoa học phải đặt câu hỏi: Làm thế nào để chúng ta xác định được một thứ gì đó có còn sống hay không ngay từ đầu?
Nguồn ảnh: NASA/JPL
Bức ảnh về cảnh quan sao Hỏa này được tàu đổ bộ Viking 1 chụp vào ngày 23 tháng 7 năm 1976.
“Nhìn chung, những gì chúng tôi làm trong khoa học sinh học là hóa học”, Heather Graham, một nhà địa hóa học hữu cơ tại Đại học Công giáo Hoa Kỳ và Trung tâm bay không gian Goddard của NASA cho biết. Sinh học có thể là các tế bào hóa thạch hoặc cộng đồng vi khuẩn hoạt động. Nhưng chúng cũng có thể là các phân tử chỉ được tạo ra bởi các sinh vật sống. Những sinh học này là các phân tử sẽ không phù hợp với địa hóa học của một hành tinh nếu không có một số sinh vật sống tạo ra chúng.
Nhìn chung, những gì chúng ta làm trong khoa học sinh học chính là hóa học.
Heather Graham, nhà địa hóa học hữu cơ, Đại học Công giáo Hoa Kỳ và Trung tâm bay vũ trụ Goddard của NASA
Tuy nhiên, nếu không hiểu được bản chất hóa học cơ bản của vũ trụ, các nhà khoa học không thể xác định liệu một chỉ báo vật lý có đủ kỳ lạ để đến từ sự sống hay không. Hiện nay, các nhà khoa học đang cố gắng tìm ra điều gì phân biệt hóa học sinh học với các loại hóa học khác và làm thế nào chúng ta có thể phát hiện ra nó một cách định lượng. Công trình này bao gồm việc đánh giá lại những gì các nhà hóa học đã giả định về cách hóa sinh học tiến hóa trên Trái đất. Các nhà sinh vật học vũ trụ hy vọng nghiên cứu hóa học cơ bản này sẽ giúp các nhà nghiên cứu thu thập và đánh giá dữ liệu từ bên trong hệ mặt trời của chúng ta và xa hơn nữa.
THANG ĐO SỰ SỐNG
Trước khi các nhà khoa học có thể bắt đầu tìm kiếm các dấu hiệu phân tử của sự sống, họ cần phải định nghĩa sự sống là gì. Định nghĩa làm việc của NASA là "một hệ thống hóa học tự duy trì có khả năng tiến hóa theo thuyết Darwin". Các nhà khoa học của NASA coi sự sống là một hệ thống các phân tử có thể sinh sản, lưu trữ thông tin và tạo ra năng lượng thông qua quá trình chuyển hóa các phân tử trong môi trường của nó.
Các nhà nghiên cứu của NASA đã sử dụng định nghĩa đó để thiết lập một hệ thống đánh giá xem một phân tử hoặc vật liệu từ không gian bên ngoài—hoặc thậm chí Trái đất cổ đại—có phải là dấu hiệu sinh học hay không. Họ gọi khuôn khổ này là Thang phát hiện sự sống ( Astrobiology 2018, DOI: 10.1089/ast.2017.1773 ). Được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu do Marc Neveu, một nhà sinh vật học vũ trụ tại Đại học Maryland, College Park và Trung tâm bay không gian Goddard, đứng đầu, thang này bao gồm các bậc tương ứng với các đặc điểm chính mà các nhà khoa học có thể tìm kiếm trong sự sống, từ những đặc điểm không chỉ ra rõ ràng sự sống đến những đặc điểm có.
Neveu cho biết: "Điểm khởi đầu quan trọng ở đây là sự sống có nhiều đặc điểm, nhưng không có đặc điểm nào là dấu hiệu riêng biệt của sự sống trong chính nó". Ông cho rằng chiếc thang có thể giúp các nhà khoa học suy nghĩ về cách biên soạn chuỗi bằng chứng theo "cách thực tế".
Ví dụ, axit amin là khối xây dựng của protein trên Trái đất. Nếu các nhà khoa học tìm thấy những phân tử này trên một hành tinh khác, điều đó sẽ tương ứng với bậc thang cho các thành phần phân tử sinh học tiềm năng. Nhưng điều đó chỉ xảy ra nếu axit amin không thể được sản xuất bởi bất kỳ hệ thống vô tri nào trên hành tinh đó. Một dấu hiệu hóa học của sự sống chỉ có thể được coi là dấu hiệu sinh học nếu hợp chất đó lệch khỏi sự phân bố phi sinh học, các tác giả viết, nghĩa là sự hiện diện hoặc sự phong phú của nó không có ý nghĩa gì khi xét đến địa hóa học chung của hành tinh.
THANG PHÁT HIỆN SỰ SỐNG
Khung này giúp các nhà khoa học xây dựng một chuỗi bằng chứng để xác nhận một quan sát tiềm năng về sự sống. Các đặc điểm trên các bậc thang tăng dần từ yếu (dưới cùng) đến mạnh (trên cùng) cho thấy một sinh vật sống đã được quan sát. Các nhà khoa học sẽ cần tìm các đặc điểm từ nhiều bậc thang, nhưng không phải tất cả, để khẳng định rằng sự sống đã được tìm thấy.
Neveu cho biết: "Nó thực sự đặt rất nhiều gánh nặng chứng minh rằng bạn đã tìm thấy sự sống vào việc hiểu bối cảnh về môi trường của bạn trông như thế nào và những quá trình phi sinh học nào không liên quan đến sự sống đang diễn ra". "Điểm mấu chốt ở đây là hiểu đường cơ sở ở đâu". Ngay cả khi các nhà khoa học có thể khá chắc chắn rằng họ đã phát hiện ra một dấu hiệu sinh học tiềm năng, thì thang này cho biết rằng sự sống phải là giả thuyết cuối cùng.
Frances Westall, nhà địa chất thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp và là nhà khoa học thuộc Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), cho biết tính hữu ích của chiếc thang này có thể được chứng minh bằng cách áp dụng khuôn khổ vào kết quả từ các thí nghiệm trước đây.
Ví dụ, khi đánh giá lại các thí nghiệm của Viking , các nhà khoa học ngày nay sẽ đặt việc phát hiện ra các khí được gắn nhãn phóng xạ đó lên bậc thang cho quá trình trao đổi chất vì các khí này gợi ý phản ứng với việc bổ sung các nhiên liệu trao đổi chất có thể có. Nhưng các thí nghiệm của Viking không tạo ra dữ liệu nào khác có thể đưa lên bậc thang. Ngay cả sau khi các nhà khoa học xác nhận rằng các tín hiệu được phát hiện bởi các thiết bị của tàu đổ bộ Viking là có thật, thì các dấu hiệu sinh học vẫn không loại trừ đủ các quá trình phi sinh học để tuyên bố sự sống là giả thuyết cuối cùng. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể kết luận rằng "chắc chắn có bằng chứng về sự sống, nhưng không đủ bằng chứng để loại trừ các quá trình phi sinh học", Neveu nói.
Điểm khởi đầu quan trọng ở đây là sự sống có nhiều đặc điểm, nhưng không có đặc điểm nào là dấu hiệu riêng biệt của sự sống.
Marc Neveu, nhà sinh vật học vũ trụ, Đại học Maryland, College Park và Trung tâm bay không gian Goddard của NASA
Neveu cho biết, không phải là một thí nghiệm nên được mong đợi tìm thấy một đặc điểm trên mỗi bậc thang, nhưng một đặc điểm là không đủ để khẳng định rằng bạn đã tìm thấy một dạng sống ngoài hành tinh. Neveu hy vọng rằng thang sẽ giúp các nhà khoa học thiết kế các nhiệm vụ tìm kiếm sự sống suy nghĩ về những loại bằng chứng mà họ cần để xây dựng một trường hợp cho sự sống.
Neveu cho biết Thang phát hiện sự sống vẫn đang trong quá trình hoàn thiện và nhằm thúc đẩy thảo luận sâu hơn trong cộng đồng sinh học vũ trụ. Một hạn chế lớn là thang này tập trung vào định nghĩa làm việc của NASA về sự sống. Neveu cho biết: "Tất cả phụ thuộc vào định nghĩa về sự sống mà bạn bắt đầu từ đó", "và đó chắc chắn là một vấn đề chưa được giải quyết". Thứ tự các bậc thang cũng đang được tranh luận. Neveu hy vọng rằng các nhà khoa học sẽ tiếp tục bổ sung các tính năng và tiêu chí vào thang khi sự hiểu biết của chúng ta về dấu vết hóa học của sự sống phát triển.
TƯƠNG LAI CỦA SAO HỎA
Mặc dù kết quả đáng thất vọng từ các sứ mệnh Viking , sao Hỏa vẫn là điểm đến ưa thích của các nhà sinh vật học vũ trụ. Mặc dù khí hậu của Hành tinh Đỏ khắc nghiệt và bề mặt của nó bị bắn phá bởi bức xạ cực tím làm chết sinh vật, các nhà khoa học hành tinh tin rằng sao Hỏa có thể đã từng trông rất giống Trái đất, chảy qua những con sông có thể là nơi sinh sống của vi khuẩn.
ESA và Roscosmos của Nga đang cùng nhau lập kế hoạch cho một sứ mệnh có tên ExoMars 2022, sứ mệnh này sẽ khám phá Oxia Planum, một vùng sao Hỏa giàu các mỏ đất sét có thể đã bị bỏ lại bởi một đồng bằng sông cổ đại. Xe tự hành có tên Rosalind Franklin được trang bị đặc biệt để tìm kiếm dấu hiệu của sự sống trong quá khứ và hiện tại.
Vì bề mặt sao Hỏa là môi trường khắc nghiệt để bảo quản các phân tử hữu cơ, Rosalind Franklin sẽ khoan xuống 2 m bên dưới bề mặt để thu thập các mẫu đã được bảo vệ khỏi các yếu tố. Một bộ thiết bị trên tàu, bao gồm Máy phân tích phân tử hữu cơ sao Hỏa (MOMA), sau đó sẽ thẩm vấn các mẫu đã thu thập được.
Các mẫu có thể được xử lý theo một trong hai cách. Một là, mẫu được nung nóng trong lò, tại đó các phân tử dễ bay hơi được tách ra bằng sắc ký khí trước khi đi vào bẫy phát hiện ion của máy quang phổ khối MOMA. Quá trình này không lý tưởng đối với các phân tử hữu cơ lớn có thể bị phân hủy bởi nhiệt, do đó MOMA cũng có một tia laser để làm bay hơi các mẫu đất và trực tiếp đưa các phân tử được giải phóng vào máy quang phổ khối.
Nguồn ảnh: ESA/ATG Medialab
Xe tự hành Rosalind Franklin sẽ tìm kiếm sự sống trên sao Hỏa như một phần của sứ mệnh ExoMars 2022.
Fred Goesmann, nhà nghiên cứu chính của MOMA và là nhà khoa học tại Viện nghiên cứu hệ mặt trời Max Planck, cho biết các nền tảng chuẩn bị mẫu khác nhau cho phép MOMA phát hiện ra một loạt các phân tử hữu cơ. Vì vậy, các nhà nghiên cứu "có thể bắt đầu với rất ít giả định về những gì chúng ta có thể gặp phải", Goesmann nói.
Không giống như các thí nghiệm của Viking , các thiết bị của MOMA không cố gắng gợi ra phản ứng từ các mẫu có thể chỉ ra quá trình sinh hóa đang diễn ra. Thay vào đó, thiết bị được thiết kế để tìm kiếm các đặc điểm vốn có của các phân tử hữu cơ có thể gợi ý rằng chúng đến từ các hệ thống sống.
Goesmann cho biết khi các nhà khoa học tìm kiếm những đặc điểm như vậy, “giả định cơ bản là sự sống tạo ra trật tự”. Ông nói rằng “sự sống là kén chọn”, nghĩa là nó thích một số phân tử hơn những phân tử khác, vì vậy sự hiện diện của nó có thể thay đổi sự phân bố của các loài hóa học trên một hành tinh. Ví dụ, các sinh vật trên Trái đất thích các đồng vị nhẹ hơn trong các phân tử sinh học, vì vậy lượng carbon-13 và carbon-14 trong các sinh vật khác với lượng tương đối của chúng trên hành tinh nói chung. Sự phân đoạn đồng vị như vậy là một đặc điểm của quá trình trao đổi chất trên Thang phát hiện sự sống và có thể dễ dàng được thăm dò bằng máy quang phổ khối.
Một đặc điểm khác của sinh hóa học Trái đất, cũng được tìm thấy trên các bậc thang, là sự ưu tiên cho các phân tử bất đối xứng. Ví dụ, hầu hết các loại đường và axit amin được sử dụng trong sinh học chỉ có một đồng phân quang học. Các thiết bị MOMA của Goesmann sẽ là thiết bị đầu tiên phân tích trực tiếp tính bất đối xứng của các phân tử hữu cơ trên một thế giới khác. Vì các phân tử bất đối xứng khó có thể mô tả bằng sắc ký khí/phổ khối, MOMA có một phòng thí nghiệm ướt nhỏ để biến đổi các phân tử bất đối xứng theo cách khiến chúng có thể phân biệt được với nhau và có thể phát hiện được trong máy quang phổ khối. Các phân tử hữu cơ phức tạp có tính năng phân đoạn đồng vị hoặc dư thừa một đồng phân quang học có thể là những kết quả quan trọng để xây dựng chuỗi bằng chứng ủng hộ sự sống trên sao Hỏa.
Trong khi đó, xe tự hành Perseverance , một phần của sứ mệnh Mars 2020 của NASA, được trang bị để chuẩn bị các mẫu vật có thể một ngày nào đó sẽ quay trở lại Trái đất để phân tích kỹ lưỡng trong các phòng thí nghiệm ướt truyền thống. Sứ mệnh được phóng vào mùa hè này và dự kiến sẽ hạ cánh vào tháng 2 năm 2021 tại Jezero Crater, nơi xe tự hành cũng sẽ tiến hành các thí nghiệm trên chính hành tinh này.
TRỞ LẠI VỚI BẢN VẼ
Nhưng ngay cả khi các sứ mệnh tìm kiếm sự sống được lên kế hoạch cho sao Hỏa và các thiên thể khác trong hệ mặt trời, các nhà hóa học trên Trái Đất vẫn tiếp tục tranh luận về các dấu hiệu phân tử cơ bản của sự sống.
“Tôi nghĩ rằng giả định trong cộng đồng hóa học tiền sinh học và phần lớn cộng đồng sinh học là quá trình trao đổi chất là kết quả của quá trình tiến hóa”, Joseph Moran , một nhà hóa học hữu cơ tại Đại học Strasbourg cho biết. Theo quan điểm phổ biến này, các phân tử như enzyme đã tiến hóa trước các chu trình trao đổi chất mà chúng thực hiện bên trong tế bào để tạo ra năng lượng và xây dựng các thành phần tế bào. Moran có quan điểm ngược lại. Nghiên cứu của ông về xúc tác không có enzyme cho thấy rằng nhiều phản ứng sinh hóa trên Trái đất có thể xảy ra trong điều kiện tiền sinh học—trước khi sự sống xuất hiện.
Comentarios