Cách Sự Sống và Sự Ngẫu Nhiên Đã Thay Đổi Khoáng Vật của Trái Đất

Liệu các quá trình địa chất có thể dự đoán được, hay thành phần khoáng vật của Trái Đất là kết quả của những sự kiện ngẫu nhiên? Việc trả lời câu hỏi này có thể giúp các nhà khoa học xác định những hành tinh nào có khả năng duy trì sự sống.

Trong lĩnh vực sinh học, một câu hỏi tương tự đã được tranh luận suốt nhiều thập kỷ:liệu sự tiến hóa có thể dự đoán được, hay chịu ảnh hưởng lớn từ những sự kiện ngẫu nhiên? Một số nhà sinh học cho rằng nếu chúng ta “phát lại” lịch sử sự sống trên hành tinh này, các loài sinh vật được hình thành có thể hoàn toàn khác. Ngược lại, những người phản đối lại cho rằng sự sống chủ yếu vận hành theo những quy luật tất yếu.

Gần đây, các nhà nghiên cứu bắt đầu áp dụng cùng một cách đặt vấn đề cho đá và khoáng vật. Trên Trái Đất hiện đã phát hiện khoảng 5.000 loại khoáng vật những chất kết tinh như thạch anh , zircon và kim cương. Tuy nhiên, khoáng vật không xuất hiện đồng loạt vào thời điểm Trái Đất mới hình thành. Chúng được kiến tạo dần dần theo thời gian, mỗi tinh thể ra đời như một phản ứng với các điều kiện đặc thù của từng kỷ nguyên địa chất. Nói cách khác, khoáng vật cũng có quá trình tiến hóa và trong một số trường hợp, sự tiến hóa đó diễn ra để đáp ứng với sự xuất hiện của sự sống.

Do vậy, các nhà địa chất đặt ra câu hỏi: Liệu các khoáng vật ngày nay có phải là hệ quả tất yếu từ thành phần hóa học của hành tinh chúng ta, hay là sản phẩm của những biến cố ngẫu nhiên? Nếu một ngày nào đó chúng ta quan sát vũ trụ và phát hiện một hành tinh giống Trái Đất, liệu chúng ta có thể kỳ vọng rằng các loại đá quý trên đó sẽ tương đồng với Trái Đất, hay chúng sẽ tỏa sáng với độ lấp lánh chưa từng thấy?

Robert Hazen, nhà vật lý khoáng vật thuộc Phòng thí nghiệm Địa vật lý của Viện Carnegie tại Washington, cùng các cộng sự của ông, đang công bố một loạt bốn bài nghiên cứu trong năm nay nhằm làm sáng tỏ câu hỏi liệu địa chất có phải là một vấn đề mang tính định mệnh.

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng: quá trình hình thành khoáng vật trên Trái Đất thực sự đã được dẫn dắt bởi một số quy luật tất định – và những quy luật này có khả năng cũng sẽ đúng đối với các hành tinh khác. Tuy nhiên, Trái Đất lại chứa vô số khoáng vật cực kỳ hiếm, cho thấy yếu tố ngẫu nhiên cũng đóng một vai trò quan trọng.

Điều đó có nghĩa là nếu chúng ta phát hiện một “hành tinh song sinh” của Trái Đất ở nơi khác trong vũ trụ, nhiều khoáng vật phổ biến chắc chắn sẽ trùng khớp nhưng hành tinh đó cũng rất có khả năng sở hữu những khoáng vật hoàn toàn khác biệt, chưa từng tồn tại trên Trái Đất.

Những kết quả nghiên cứu này không chỉ đơn thuần là sự tò mò. Một số khoáng vật có thể đã góp phần quan trọng cho sự xuất hiện của các sinh vật nguyên thủy. Ngược lại, cũng tồn tại những khoáng vật chỉ được hình thành khi có mặt sinh vật sống. Vì vậy, việc hiểu rõ những loại khoáng vật nào có thể đã tồn tại trên các hành tinh tương tự Trái Đất sẽ giúp các nhà khoa học dự đoán chính xác hơn hành tinh nào có nhiều khả năng nuôi dưỡng sự sống.

Đồng thời, phân tích các mẫu hình phân bố khoáng vật trên Trái Đất cũng có thể cho phép các nhà nghiên cứu xây dựng một “dấu vết khoáng vật học của sự sống” dấu hiệu này có thể trở thành một công cụ thiết yếu trong hành trình tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh.

Truyền thống trong ngành khoáng vật học lâu nay chủ yếu tập trung vào việc phân tích cấu trúc và quá trình hình thành của từng loại khoáng vật riêng lẻ. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu năm 2008 đăng trên American Mineralogist, Hazen và các cộng sự đã tiếp cận theo một hướng lịch sử hơn. Họ đánh giá toàn bộ các khoáng vật đã biết trên Trái đất và cố gắng xác định khi nào điều kiện thuận lợi để chúng hình thành. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng khoảng hai phần ba khoáng vật trên Trái đất sẽ không thể xuất hiện nếu chưa có sự tồn tại của sự sống.

Ví dụ, các vi sinh vật thời kỳ đầu đã “gieo” oxy vào khí quyển, và khí oxy này tương tác với các khoáng vật sẵn có để tạo ra những khoáng vật mới. Sự kiện Oxy hóa Lớn “là một bước ngoặt khổng lồ”, Hazen cho biết. “Nó đã mở ra cánh cửa dẫn đến hàng nghìn khoáng vật mới.”

Sau đó, Hazen và cộng sự bắt tay vào nghiên cứu vai trò của sự ngẫu nhiên trong quá trình hình thành khoáng vật. Trước tiên, họ khảo sát mối quan hệ giữa đa dạng khoáng vật và mức độ phong phú của các nguyên tố riêng lẻ trong lớp vỏ Trái đất.

Họ phát hiện rằng nguyên tố càng phong phú thì càng tạo ra nhiều khoáng vật, một mối quan hệ vừa được công bố trên The Canadian Mineralogist tháng trước. Nhóm nghiên cứu sau đó tiến hành cùng phân tích với khoáng vật trên Mặt trăng, và một xu hướng tương tự cũng xuất hiện, mặc dù số lượng khoáng vật được biết đến ở đó ít hơn nhiều. Xu hướng chung này cho thấy yếu tố tất định: với những điều kiện hóa học ban đầu, có thể dự đoán phần nào loại khoáng vật nào sẽ hình thành.

Tuy vậy, nhóm nghiên cứu cũng tìm thấy những trường hợp ngoại lệ. Chẳng hạn, nguyên tố rubidi tạo ra ít khoáng vật hơn dự đoán dựa trên độ phong phú của nó. Hazen và cộng sự cho rằng có nguyên nhân hóa học: rubidi thường thay thế kali trong các khoáng vật và do đó bị “tiêu hao” trong các cấu trúc khoáng vật giàu kali. Ngược lại, một số nguyên tố như đồng lại tạo ra nhiều khoáng vật hơn dự kiến bởi chúng tồn tại ở nhiều trạng thái hóa trị, cho phép kết hợp linh hoạt với nhiều nguyên tử khác nhau. Những kết quả này vẫn củng cố ý tưởng về tính tất định, đồng tác giả Ed Grew (nhà thạch học tại Đại học Maine) nhấn mạnh, bởi vì “chúng ta có thể giải thích vì sao chúng không tuân theo quy luật chung.”

Tuy nhiên, Peter Heaney, một nhà khoáng vật học tại Penn State University Park, lưu ý rằng mối tương quan đối với khoáng vật trên Trái đất vẫn khá yếu. Song ông cho rằng các lý do được đưa ra cho các ngoại lệ là hợp lý. “Điều quan trọng là Hazen đã đặt ra những câu hỏi này và khiến chúng ta phải suy nghĩ về sự đa dạng khoáng vật theo một cách mà trước đây chưa ai thực sự làm,” Heaney người không tham gia nghiên cứu cho biết.

Ngoài ra, nhóm Hazen cũng tìm thấy bằng chứng cho vai trò của sự ngẫu nhiên. Họ sử dụng một cơ sở dữ liệu nguồn mở để thu thập hơn 650.000 quan sát khoáng vật tại các địa điểm cụ thể trên toàn cầu. Kết quả: 22% tổng số khoáng vật chỉ được ghi nhận ở duy nhất một địa điểm, và 12% chỉ xuất hiện ở hai địa điểm. Sự hiện diện của nhiều khoáng vật hiếm gặp như vậy cho thấy tính ngẫu nhiên thực sự đóng một vai trò quan trọng, theo Chris McKay (nhà sinh vật học vũ trụ tại NASA Ames, California). “Đó chính là dấu hiệu điển hình của những sự kiện ngẫu nhiên.” Các khoáng vật hiếm này chỉ có thể xuất hiện trong những điều kiện may mắn đặc biệt, ví dụ như sự tập hợp bất thường của các loại đá giúp tập trung các nguyên tố lại với nhau. Grew ví von: “Giống như bạn ném lẫn một mớ nguyên liệu rồi nấu lên, và kết quả lại thành một món ăn đoạt giải.”

Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu ta reset từ đầu lịch sử Trái đất? Nhóm nghiên cứu ước tính rằng có khoảng 15.300 cách khả dĩ để kết hợp các nguyên tố tự nhiên thành các khoáng vật độc đáo. Nếu Trái đất được “chạy lại từ đầu”, thì ít nhất một phần tư trong tổng số khoảng 5.000 khoáng vật của hành tinh sẽ khác đi.

Hơn nữa, khả năng một hành tinh khác có tập hợp khoáng vật giống hệt Trái đất là nhỏ hơn 1 trên 10³⁰⁰, theo báo cáo của nhóm trong một nghiên cứu sẽ được công bố tháng tới trên Earth & Planetary Science Letters. Nói cách khác, thành phần khoáng vật chính xác của Trái đất hầu như không thể lặp lại ở bất kỳ nơi nào khác trong vũ trụ.

Sự sống mang đến một biến số đầy bất ngờ khác. Các nghiên cứu trước đây của Hazen và nhiều nhà khoa học khác cho thấy khoáng vật và sự sống có khả năng đã cùng tiến hóa. Chẳng hạn, khoáng vật có thể đã thúc đẩy sự sống phát triển bằng cách xúc tác cho các phản ứng tạo ra phân tử sinh học. Và ngược lại, sự sống chắc chắn đã làm thay đổi sinh quyển theo những cách ảnh hưởng đến cách thức hình thành khoáng vật. Hazen khẳng định: “Nguồn gốc của sự sống phụ thuộc vào khoáng vật, nhưng nguồn gốc của khoáng vật lại phụ thuộc vào sự sống.”

Chính vì mối quan hệ này, sự có mặt hoặc vắng mặt của một số loại khoáng vật nhất định trên các hành tinh xa xôi có thể ảnh hưởng đến khả năng hành tinh đó chứa sự sống.

Ví dụ, các nhà thiên văn biết rằng một số ngôi sao có tỷ lệ nguyên tố khác với Mặt trời. Thành phần hóa học của ngôi sao quyết định mức độ phong phú của các nguyên tố trên các hành tinh quay quanh nó, từ đó quyết định loại khoáng vật nào có thể hình thành.

Các khoáng vật đó lại có thể ảnh hưởng đến các quá trình địa chất, đến khả năng sự sống xuất hiện, và cả việc liệu các dấu hiệu của sự sống có thể được quan sát hay không. Nếu các nhà khoa học có thể đưa xác suất xuất hiện của các loại khoáng vật khác nhau vào mô hình, họ có thể chọn ra các hành tinh tiềm năng để nghiên cứu một cách chính xác hơn. Patrick Young (nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Bang Arizona, Tempe) nhận định: “Đây là một trò chơi xác suất thống kê.”

Tuy nhiên, việc xác định chính xác loại khoáng vật nào là cần thiết cho sự sống (nếu thực sự có) vẫn còn nhiều mơ hồ. Stephen Freeland, nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Maryland, Baltimore County, đưa ra ví dụ về nguyên tố photpho. Dù không phổ biến, photpho lại tối quan trọng cho sự sống trên Trái đất.

Liệu có một loại khoáng vật nào đó đã gom tụ và tập trung photpho, nhờ vậy sự sống mới có thể tận dụng nó? Freeland bình luận: “Khoáng vật, theo một nghĩa nào đó, là cách để kéo trật tự ra khỏi hỗn loạn.” Tuy nhiên, ông cũng nhấn mạnh: “Tất cả điều này vẫn đang bơi trong một đại dương của những điều chưa biết.”

Nếu sự sống chỉ cần đến các khoáng vật phổ biến để hình thành, thì những khoáng vật này nhiều khả năng cũng tồn tại trên một hành tinh giống Trái đất khác. Nhưng nếu sự sống phụ thuộc vào các khoáng vật hiếm, thì khả năng nó xuất hiện sẽ khó khăn hơn nhiều. Sự khác biệt khoáng vật học giữa các hành tinh có thể chỉ mang tính chất học thuật, hoặc cũng có thể phản ánh những dị biệt sâu sắc trong cấu trúc khoáng vật, theo nhận định của McKay.

Hiện nay, nhóm nghiên cứu của Hazen đang tập trung xác định những loại khoáng vật nào đặc trưng cho các hành tinh giống Trái đất. Hazen cho rằng sự hiện diện của nhiều khoáng vật hiếm có thể là dấu hiệu cho thấy sự sống đã xuất hiện. Ví dụ, sự tương tác của nhiều loại vi sinh vật khác nhau với đất có thể tạo ra nhiều “vi môi trường” chuyên biệt, nơi các khoáng vật mới hình thành. Và khoáng vật có thể để lại dấu ấn lâu dài hơn nhiều so với các mảnh vụn tế bào.

Ngoài ra, nhóm Hazen còn đưa ra một số dự đoán về khoáng vật trên Trái đất. Họ nhận thấy rằng sự phân bố khoáng vật – một số ít rất phổ biến và nhiều loại rất hiếm – giống với sự phân bố từ vựng trong một văn bản. Chỉ một số từ như a hay the xuất hiện thường xuyên, trong khi phần lớn từ ngữ xuất hiện rất ít. Vì vậy, nhóm đã sử dụng các mô hình ngôn ngữ học để phân tích dữ liệu khoáng vật và ngoại suy số lượng khoáng vật chưa được phát hiện trên Trái đất. Theo một nghiên cứu công bố tháng 6 trên Mathematical Geosciences, ít nhất 6.394 khoáng vật hiện diện, nghĩa là còn khoảng 1.500 loại mới có thể được phát hiện bằng các kỹ thuật tìm kiếm hiện nay.

Nhiều khoáng vật “còn thiếu” này có thể đã bị bỏ sót vì chúng có màu sắc nhạt nhòa hoặc kém ổn định, nhóm nghiên cứu lưu ý trong một bài báo dự kiến công bố tháng 10 trên American Mineralogist. Nhưng Hazen vẫn hy vọng sẽ tìm được một số loại.

Ví dụ, các khoáng vật chứa natri thường có màu trắng hoặc xám và có thể được tìm thấy tại hồ Natron ở Tanzania, nơi có những trầm tích khoáng vật trắng khổng lồ.Việc tìm ra các khoáng vật còn thiếu này có lẽ sẽ không đóng góp nhiều vào việc giải thích cách sự sống hình thành. Hazen thừa nhận: “Tôi nghi ngờ rằng chúng ta sẽ tìm thấy một khoáng vật nào đó có thể trở thành ‘bằng chứng quyết định’ cho nguồn gốc của sự sống.” Tuy nhiên, công trình này có thể giúp các nhà khoa học đưa ra những dự đoán chắc chắn hơn về những loại khoáng vật mới có thể tồn tại, thay vì chỉ trông chờ vào sự tình cờ để phát hiện ra chúng.

Ratnakorn Piyasirisorost

Bài viết này đã được đăng lại trên Wired.com

Lược dịch Kira Trần