Dấu hiệu sinh học (biosignature) trong khí quyển là chất khí hoặc tổ hợp chất khí khó giải thích nếu không có sinh vật tạo ra. Các ứng viên được bàn nhiều nhất là oxy và ozone, mê-tan, nitơ oxit (N₂O), và vài khí lưu huỳnh như DMS. Nhưng không khí nào đứng một mình là đủ: mạnh nhất là khi oxy và mê-tan cùng có mặt, vì hai khí này phản ứng phá huỷ nhau và chỉ cùng tồn tại khi có nguồn liên tục bơm vào.
Ý tưởng gốc: khí quyển "mất cân bằng"
Giữa thập niên 1960, nhà hoá học James Lovelock, khi làm việc với NASA về cách tìm sự sống trên sao Hoả, đề xuất một ý tưởng đơn giản: thay vì tìm sinh vật, hãy nhìn khí quyển. Một hành tinh chết có khí quyển gần cân bằng hoá học, các phản ứng đã chạy hết. Một hành tinh sống thì khác, sinh vật liên tục thải ra những khí lẽ ra đã phải phản ứng với nhau.
Khí quyển Trái Đất là ví dụ rõ nhất. Oxy chiếm khoảng 21%, mê-tan vài phần triệu. Trong môi trường giàu oxy, mê-tan bị ôxy hoá và mất dần trong khoảng một thập kỷ. Nó vẫn còn đó vì vi sinh vật ở đầm lầy, ruộng lúa, dạ dày gia súc liên tục tạo ra mê-tan mới. Khí quyển sao Hoả và sao Kim, ngược lại, gần cân bằng hơn nhiều, chủ yếu là CO₂.
Các khí được xem là dấu hiệu sinh học
| Khí | Trên Trái Đất do đâu | Có thể tạo ra không cần sự sống không |
|---|---|---|
| Oxy (O₂) | Gần như toàn bộ từ quang hợp | Có: tia cực tím tách hơi nước, hydro thoát đi để lại oxy, nhất là trên hành tinh mất đại dương |
| Ozone (O₃) | Hình thành từ O₂ dưới tia cực tím | Đi theo oxy; dễ phát hiện hơn O₂ trong hồng ngoại |
| Mê-tan (CH₄) | Phần lớn do vi sinh vật | Có: núi lửa, phản ứng nước với đá giàu sắt-magie (serpentin hoá), va chạm sao chổi |
| Nitơ oxit (N₂O) | Vi sinh vật trong đất và đại dương | Rất ít nguồn phi sinh học đáng kể, nhưng tín hiệu yếu |
| DMS (đimetyl sunfua) | Tảo và vi sinh vật biển | Đã có báo cáo phát hiện DMS trong dữ liệu sao chổi và khí giữa các vì sao, nên không còn được xem là "chỉ sinh vật mới tạo được" |
| Phosphine (PH₃) | Vi sinh vật kỵ khí, công nghiệp | Trên sao Mộc, sao Thổ có phosphine do hoá học nhiệt độ cao; trên hành tinh đá thì khó giải thích |
Thí nghiệm kinh điển: nhìn Trái Đất như người ngoài nhìn
Tháng 12/1990, tàu Galileo trên đường tới sao Mộc bay ngang Trái Đất để lấy đà. Carl Sagan và cộng sự dùng dịp này làm một phép thử: nếu chỉ có thiết bị của Galileo, liệu có nhận ra Trái Đất có sự sống không? Kết quả công bố trên Nature năm 1993 cho thấy có: tàu thấy oxy dồi dào cùng mê-tan ở mức mất cân bằng mạnh, thấy bề mặt lục địa hấp thụ đỏ và phản xạ mạnh hồng ngoại gần (dấu hiệu của lá cây, gọi là "mép đỏ"), và thấy tín hiệu vô tuyến có điều biến, kiểu không do tự nhiên tạo ra.
Thí nghiệm này thành bài mẫu cho cách tìm sự sống ở ngoại hành tinh: dựa vào tổ hợp nhiều dấu hiệu, không dựa vào một con số.
Dương tính giả: khi khí "sinh học" không có sinh vật
Từ sau năm 2010, nhiều nghiên cứu chỉ ra cách một hành tinh chết vẫn có thể có oxy dồi dào:
- Mất đại dương: quanh sao lùn đỏ, giai đoạn sao còn trẻ và sáng kéo dài hàng trăm triệu năm. Hơi nước bị tia cực tím tách, hydro thoát đi, oxy ở lại, có thể tích tụ tới nhiều bar.
- Hành tinh khô: ít nước thì ít hydro để "tiêu" oxy sinh ra từ quang phân CO₂.
- Thiếu khí đệm: hành tinh nghèo nitơ có thể để hơi nước lên cao hơn và bị phân huỷ nhiều hơn.
Mê-tan cũng vậy: ở các miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy biển Trái Đất, nước nóng phản ứng với đá tạo ra hydro và mê-tan mà không cần sinh vật. Vì thế giới khoa học hiện nay nói về "bối cảnh": một khí chỉ có ý nghĩa khi biết ngôi sao loại gì, hành tinh có nước không, có những khí nào khác đi kèm.
Những lần "báo động" đã qua
Phosphine trên sao Kim (2020)
Tháng 9/2020, nhóm của Jane Greaves công bố trên Nature Astronomy tín hiệu phosphine trong mây sao Kim, với lập luận rằng chưa biết quá trình phi sinh học nào tạo ra lượng đó. Các nhóm khác phân tích lại dữ liệu, chỉ ra vấn đề xử lý tín hiệu, và lượng phosphine được ước tính giảm mạnh. Tới nay chưa có đồng thuận rằng phosphine thực sự tồn tại ở mức đó trên sao Kim.
Mê-tan trên sao Hoả
Xe Curiosity đo được mê-tan ở mức rất thấp, lên xuống theo mùa và có những đợt tăng đột ngột, còn tàu quỹ đạo ExoMars TGO lại không thấy mê-tan ở tầng trên. Mâu thuẫn này chưa được giải. Nguồn có thể là địa chất hay sinh học, chưa ai biết.
DMS trên K2-18 b
Từ năm 2023, một nhóm tại Đại học Cambridge báo dấu hiệu DMS trong dữ liệu kính James Webb. Đây là trường hợp đang tranh luận gay gắt nhất; các nhóm độc lập phân tích lại chưa thấy tín hiệu đủ mạnh. Chưa phải bằng chứng sự sống.
Dấu hiệu công nghệ: khí do "kỹ sư" thải ra
Một nhánh nhỏ của nghiên cứu này tìm các khí chỉ công nghiệp mới tạo ra, như CFC hay NO₂ ở mức cao do đốt nhiên liệu. Ý tưởng là nếu một nền văn minh ngoài kia thải khí như ta, kính đủ mạnh có thể thấy. Đây hiện mới là tính toán lý thuyết về khả năng phát hiện, chưa có quan sát nào.
Góc nhìn hôm nay: một bảng kiểm khi đọc tin
- Phát hiện ở mức tin cậy nào? Đã có nhóm độc lập kiểm lại chưa?
- Khí đó có nguồn phi sinh học nào không? Tác giả đã loại trừ chúng chưa?
- Có khí đi kèm làm tín hiệu mạnh lên (như oxy với mê-tan) không?
- Hành tinh có chắc là có bề mặt, có nước không?
Muốn đọc kỹ, có bài tổng quan "Exoplanet Biosignatures" đăng trên tạp chí Astrobiology năm 2018 (nhóm tác giả Schwieterman, Kiang và cộng sự), cùng các trang giải thích của chương trình NASA Astrobiology. Bản chất của lĩnh vực này là thận trọng: một tuyên bố phi thường cần bằng chứng phi thường.
Câu hỏi thường gặp
Dấu hiệu sinh học là gì?
Là chất hoặc hiện tượng có thể đo từ xa mà khó giải thích nếu không có sinh vật, ví dụ một chất khí trong khí quyển. Trong thực tế, các nhà khoa học tìm tổ hợp khí mất cân bằng hoá học hơn là một khí riêng lẻ.
Có oxy trong khí quyển có chắc là có sự sống không?
Không chắc. Oxy có thể tích tụ khi tia cực tím tách hơi nước và hydro thoát ra vũ trụ, nhất là trên hành tinh quanh sao lùn đỏ đã mất đại dương. Oxy đi cùng mê-tan mới là tín hiệu mạnh hơn nhiều.
Vì sao oxy và mê-tan cùng có mặt lại đáng chú ý?
Vì hai khí này phản ứng với nhau và mê-tan bị phá huỷ khá nhanh trong môi trường giàu oxy. Muốn cả hai cùng tồn tại lâu dài cần nguồn liên tục bơm vào. Trên Trái Đất, nguồn đó là sinh vật.
Phosphine trên sao Kim có phải dấu hiệu sự sống không?
Công bố năm 2020 về phosphine trên sao Kim đã bị nhiều nhóm phân tích lại và đặt dấu hỏi về cả việc khí đó có tồn tại ở mức báo cáo hay không. Hiện chưa có đồng thuận khoa học nào xem đây là dấu hiệu sự sống.
Tàu Galileo đã phát hiện sự sống trên Trái Đất thế nào?
Năm 1990, Galileo bay ngang Trái Đất và đo thấy oxy dồi dào cùng mê-tan mất cân bằng, bề mặt có dấu hiệu thực vật và sóng vô tuyến điều biến. Nhóm Carl Sagan công bố năm 1993, dùng làm phép thử cho cách tìm sự sống từ xa.
