Trong các kịch bản cải tạo hành tinh, sinh vật tiên phong là những loài sống sót được ở điều kiện cực khắc nghiệt và có thể bắt đầu thay đổi môi trường: vi khuẩn lam quang hợp tạo oxy, địa y bám đá và tạo đất, còn gấu nước (tardigrade) thì chủ yếu là "mẫu thử" cho giới hạn chịu đựng của sự sống. Các thí nghiệm phơi ngoài Trạm Vũ trụ Quốc tế và trong buồng mô phỏng sao Hoả cho thấy một số loài sống sót được hàng tháng. Nhưng sống sót khác xa sinh trưởng, và sinh trưởng càng khác xa việc thay đổi cả một bầu khí quyển.
Bài học từ chính Trái Đất
Bầu khí quyển giàu oxy của Trái Đất không do núi lửa hay đá tạo ra, mà do sinh vật. Vi khuẩn lam (cyanobacteria) là những sinh vật đầu tiên quang hợp giải phóng oxy, và chúng đã làm việc đó hàng trăm triệu năm trước khi oxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển vào khoảng 2,4–2,1 tỷ năm trước (Sự kiện Ôxy hoá lớn, mốc còn tranh luận). Đây là "tiền lệ" duy nhất về một hành tinh được sinh vật cải tạo, và nó cho một con số nghiêm khắc về thời gian.
Ý tưởng dùng sinh vật làm bước đầu cải tạo hành tinh được gọi là ecopoiesis (tạo dựng sinh thái), thuật ngữ do Robert Haynes đề xuất năm 1990: làm hành tinh đủ ấm, đủ áp suất cho vi sinh vật, rồi để chúng tự lan rộng.
Vi khuẩn lam: những nhà máy oxy
Trong số vi khuẩn lam, chi Chroococcidiopsis được nghiên cứu nhiều nhất cho sao Hoả. Chúng sống trong khe đá ở các sa mạc khô nhất Trái Đất như Atacama (Chile) hay các thung lũng khô ở Nam Cực, chịu được mất nước gần hoàn toàn, bức xạ mạnh và lạnh. Nhóm của Daniela Billi (Đại học Rome Tor Vergata) đã đưa chúng lên các thí nghiệm phơi ngoài ISS và trong điều kiện mô phỏng sao Hoả; một phần tế bào sống sót sau thời gian dài, khi được che chắn khỏi tia cực tím trực tiếp.
Vi khuẩn lam được xem trọng vì chúng làm được cùng lúc nhiều việc: quang hợp tạo oxy, một số loài cố định được nitơ từ khí quyển, và chúng có thể dùng làm nguồn thức ăn, nguyên liệu cho hệ thống hỗ trợ sự sống. Một bài tổng quan năm 2016 (Verseux và cộng sự) phân tích việc dùng vi khuẩn lam nuôi trong bể kín với nguyên liệu tại chỗ trên sao Hoả, mục tiêu là căn cứ chứ không phải cả hành tinh.
Địa y: những người tạo đất
Địa y là cộng sinh giữa nấm và tảo hoặc vi khuẩn lam. Trên Trái Đất, chúng là những sinh vật đầu tiên bám lên đá trơ sau khi núi lửa phun hay sông băng rút, tiết axit hữu cơ làm đá phong hoá, góp phần tạo đất.
- Năm 2005: trên vệ tinh Foton-M2 (thí nghiệm của Cơ quan Vũ trụ châu Âu), hai loài địa y được phơi trực tiếp ngoài không gian khoảng hai tuần và phục hồi gần như hoàn toàn khi trở về.
- 2008–2009: thí nghiệm LIFE trên khối EXPOSE-E gắn ngoài ISS phơi địa y khoảng một năm rưỡi; nhiều mẫu, như Xanthoria elegans, vẫn sống.
- Buồng mô phỏng sao Hoả của DLR (Đức): các nghiên cứu những năm 2010 cho thấy một số loài địa y vẫn quang hợp được trong khí quyển CO₂ áp suất thấp và nhiệt độ mô phỏng sao Hoả, ở những vị trí được che bớt tia cực tím.
Địa y lớn rất chậm, có loài chỉ vài milimet mỗi năm. Vai trò của chúng trong kịch bản cải tạo là tạo đất, không phải thay đổi khí quyển.
Gấu nước: kỷ lục chịu đựng, không phải công nhân
Gấu nước (tardigrade) là động vật nhỏ khoảng nửa milimet, tám chân, sống trong rêu và nước. Khi khô, chúng co lại thành trạng thái "tun", gần như ngừng trao đổi chất.
- Tháng 9/2007: thí nghiệm TARDIS trên vệ tinh Foton-M3 phơi gấu nước khô ngoài không gian khoảng 10 ngày. Kết quả đăng trên Current Biology năm 2008 (Jönsson và cộng sự): chúng sống sót trong chân không; một số sống sót cả khi phơi tia cực tím Mặt Trời toàn phần, dù tỷ lệ thấp.
- Tháng 4/2019: tàu Beresheet của Israel rơi khi hạ cánh xuống Mặt Trăng, mang theo gấu nước khô. Chúng có sống sót không thì không ai kiểm chứng được, và Mặt Trăng không có nước lỏng để chúng hồi phục.
Cần nói rõ: gấu nước không quang hợp, không tạo oxy, không tạo đất. Chúng hữu ích cho cải tạo hành tinh ở chỗ giúp hiểu cơ chế tế bào chống chịu bức xạ và khô hạn, chứ không phải là "công nhân" cải tạo.
Bảng so sánh
| Sinh vật | Đã chứng minh | Chưa chứng minh |
|---|---|---|
| Vi khuẩn lam Chroococcidiopsis | Sống sót lâu dài khi khô, chịu bức xạ, sống sót trong mô phỏng sao Hoả khi được che | Sinh sôi tự do trên bề mặt sao Hoả thật |
| Địa y | Sống sót ngoài không gian; quang hợp trong buồng mô phỏng sao Hoả | Phát triển thành quần thể, tạo đất ở môi trường ngoài Trái Đất |
| Gấu nước | Sống sót chân không, nhiệt độ cực đoan khi ở trạng thái khô | Sinh sản, hoạt động trong điều kiện ngoài Trái Đất |
| Vi khuẩn sinh mê-tan | Một số chủng sống sót trong buồng áp suất thấp, khí quyển CO₂ | Tạo khí nhà kính đáng kể ở quy mô hành tinh |
Từ sống sót tới đổi khí quyển: khoảng cách khổng lồ
- Sống sót: sinh vật ở trạng thái ngủ, chờ điều kiện tốt hơn. Đây là mức các thí nghiệm đã đạt.
- Hoạt động trao đổi chất: có nước lỏng, có nhiệt, sinh vật bắt đầu quang hợp hay hô hấp. Một số thí nghiệm ghi nhận hoạt động hạn chế.
- Sinh sản và lan rộng: cần nước lỏng thường xuyên, dinh dưỡng (nitơ, phốt pho), và che chắn tia cực tím. Bề mặt sao Hoả hiện nay không có những thứ đó.
- Thay đổi khí quyển: cần sinh khối khổng lồ hoạt động hàng nghìn tới hàng triệu năm, và môi trường đã được làm ấm trước.
Thêm nữa, đất sao Hoả chứa muối perclorat (tàu Phoenix phát hiện năm 2008), độc với nhiều sinh vật và dưới tia cực tím còn trở nên diệt khuẩn mạnh hơn. Đây là một trở ngại lớn cho mọi kịch bản sinh học.
Ranh giới đạo đức và luật hiện hành
Hiện nay, thả sinh vật Trái Đất lên sao Hoả là việc bị cấm theo các nguyên tắc bảo vệ hành tinh của COSPAR, căn cứ Hiệp ước Ngoài Không gian 1967. Lý do: nếu sao Hoả có sự sống bản địa, sinh vật Trái Đất có thể làm ô nhiễm hoặc lấn át nó, và ta mất cơ hội nghiên cứu. Các thí nghiệm hiện nay đều diễn ra trong buồng kín trên Trái Đất hoặc ở quỹ đạo.
Góc nhìn hôm nay
Những sinh vật nhỏ bé này cho ta hai bài học: sự sống trên Trái Đất dai dẳng hơn ta tưởng, và chính vì dai dẳng nên phải cẩn thận để không vô tình mang chúng đi. Dữ liệu các thí nghiệm EXPOSE, BIOMEX có trên trang của ESA và DLR. Ai muốn tìm hiểu về địa y ở Việt Nam có thể quan sát chúng trên vỏ cây, tảng đá ở các vườn quốc gia vùng núi cao — những cộng đồng sinh vật tiên phong ngay trước mắt.
Câu hỏi thường gặp
Sinh vật nào có thể sống trên sao Hoả?
Chưa có sinh vật Trái Đất nào được chứng minh sinh sôi trên sao Hoả thật. Trong buồng mô phỏng và ngoài không gian, vi khuẩn lam Chroococcidiopsis, một số địa y và gấu nước khô đã sống sót trong thời gian dài. Sống sót khác với sinh trưởng và lan rộng.
Gấu nước có sống được ngoài không gian không?
Có, ở trạng thái khô. Thí nghiệm TARDIS năm 2007 cho thấy gấu nước sống sót sau khoảng 10 ngày trong chân không ngoài quỹ đạo, một số chịu được cả tia cực tím. Nhưng chúng không hoạt động hay sinh sản trong điều kiện đó.
Vi khuẩn lam có thể tạo oxy cho sao Hoả không?
Về nguyên tắc vi khuẩn lam tạo oxy qua quang hợp, như chúng đã làm trên Trái Đất. Nhưng chúng cần nước lỏng, nhiệt và che chắn tia cực tím mà bề mặt sao Hoả không có. Trên Trái Đất, oxy mất hàng trăm triệu năm mới bắt đầu tích tụ.
Vì sao chưa được thả sinh vật lên sao Hoả?
Vì nguyên tắc bảo vệ hành tinh của COSPAR, dựa trên Hiệp ước Ngoài Không gian 1967, yêu cầu tránh làm ô nhiễm thiên thể khác. Nếu sao Hoả có sự sống bản địa, sinh vật Trái Đất có thể phá huỷ cơ hội nghiên cứu nó.
