Sự sống có thể chờ đợi bao lâu trong không gian?

Một sinh vật có thể nằm im bao lâu mà vẫn còn khả năng sống lại khi điều kiện thuận lợi trở về? Câu hỏi tưởng chừng đơn giản này lại có hệ quả lớn đối với ba lĩnh vực của công cuộc thám hiểm không gian: nguy cơ nhiễm khuẩn khi chế tạo tàu vũ trụ, cách sự sống có thể lan truyền trong Hệ Mặt Trời sơ khai, và khả năng tìm thấy sự sống trên Sao Hỏa hay trong các tiểu hành tinh.

Bài viết của Maciej Cegłowski tổng hợp các bằng chứng khoa học cho thấy vi sinh vật có thể sống sót trong không gian lâu hơn nhiều so với trực giác thông thường — và điều đó đặt ra những vấn đề nan giải cho giới nghiên cứu.

Kẻ giết người thực sự trong không gian là tia cực tím

Tên lửa là những cấu trúc chứa đầy vi sinh vật, nằm phơi nắng dưới bầu trời Florida trước khi phóng. Khi gửi tàu đến những thế giới có tiềm năng sống được, ta cần biết liệu môi trường không gian có đủ sức tiệt trùng tàu hay không, hay phải tự làm việc đó.

Trong không gian, tia cực tím (UV) là yếu tố gây chết chóc rõ ràng nhất, phá hủy DNA chỉ sau vài giây phơi nhiễm. Trên Trái Đất, ozone và oxy nguyên tử ở tầng cao khí quyển chặn tia UV bước sóng ngắn, nhưng vi sinh vật trên thân tàu vũ trụ phải hứng trọn phổ bức xạ này. Các thí nghiệm trên quỹ đạo cho thấy chính UV — chứ không phải lạnh, chân không hay bức xạ vũ trụ — mới là thứ khiến không gian trở nên chết chóc với vi khuẩn.

Tuy vậy, chỉ cần một lớp che chắn rất mỏng là đủ. Một lớp bụi, một khe nứt trên tàu, hay thậm chí xác của những vi khuẩn đã chết, đều có thể bảo vệ các vi khuẩn còn sống ở lớp bên dưới.

Thí nghiệm Tanpopo của Nhật Bản, bắt đầu năm 2015, treo các tấm chứa vi khuẩn bên ngoài Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Sau ba năm, các quần thể deinococcus radiodurans không chỉ hồi sinh được mà còn ở tình trạng tốt hơn nhóm đối chứng nuôi bên trong trạm. Theo ước tính của nhóm, một viên D. radiodurans kích thước 1 mm có thể sống sót khi phơi trực tiếp ra không gian liên hành tinh từ 2 đến 8 năm, và có thể tồn tại hàng chục năm nếu được che nắng.

Điều thú vị là D. radiodurans không có cơ chế phòng vệ đặc biệt nào chống tổn thương DNA. Xét mức độ thiệt hại do bức xạ và chân không, nó không khá hơn E. coli — loài không thể sống trong không gian. Nhưng D. radiodurans là bậc thầy về sửa chữa DNA, kể cả những chỗ đứt gãy sợi kép. Thay vì bảo vệ DNA trực tiếp, vi khuẩn này dùng các chất chống oxy hóa để bảo vệ chính các enzyme sửa chữa.

Kết quả này là tin xấu cho thám hiểm Sao Hỏa: nó ngụ ý rằng vi khuẩn Trái Đất có thể đã đến Sao Hỏa và đang sống lay lắt dưới thân các tàu đổ bộ. Đây cũng là lý do NASA chủ động cho các tàu thăm dò bay vào Sao Mộc và Sao Thổ vào cuối sứ mệnh, thay vì để chúng trôi trong quỹ đạo không kiểm soát — nơi hàng thập kỷ hay hàng thế kỷ sau có thể dẫn đến va chạm với những thế giới có tiềm năng sống như Enceladus hay Europa.

Sự sống trong lòng thiên thạch

Bối cảnh thứ hai là giả thuyết lithopanspermia — sự sống lan truyền giữa các hành tinh nhờ đá. Một thiên thạch lớn đâm vào hành tinh A, bắn đá chứa sự sống vào không gian; những tảng đá này bay quanh Mặt Trời rồi rơi xuống hành tinh B. Trong Hệ Mặt Trời sơ khai, hành tinh A gần như luôn là Sao Hỏa và hành tinh B là Trái Đất.

Giả thuyết này khởi đầu như một ý tưởng ngoài lề của Lord Kelvin năm 1870, nhưng dần được chấp nhận nhờ hàng loạt phát hiện quan trọng:

• Thập niên 1970: nghiên cứu thiên thạch cho thấy nhiệt khi xuyên khí quyển chỉ ảnh hưởng đến lớp ngoài cùng vài cm. Bất kỳ thiên thạch nào lớn hơn quả bóng golf đều có thể hạ cánh mà phần bên trong không bị tiệt trùng.
• Năm 1984: Jay Melosh, chuyên gia về hố va chạm, phát hiện vùng gần các vụ va chạm lớn nơi sóng xung kích trực tiếp và phản xạ giao thoa, có thể bắn các mảng đá bề mặt vào không gian mà không làm nóng đáng kể. Cơ chế này gọi là spallation, và vùng đó được gọi là "fecund zone" (vùng màu mỡ).
• Năm 2000: nghiên cứu từ tính dư của thiên thạch Sao Hỏa ALH84001 cho thấy nó chưa bao giờ bị nung nóng quá 40°C — nhiệt độ của một bồn tắm nước nóng. Đây là bằng chứng đá có thể đi trọn hành trình từ Sao Hỏa đến Trái Đất mà không bị "nấu chín".
• Thập niên 1990: kỹ thuật giải trình tự gien xác lập sự tồn tại của sinh quyển sâu (deep biosphere) trên Trái Đất — một lớp vi khuẩn và archaea sống chậm trong đá, sâu nhiều km, với thời gian thế hệ có thể kéo dài hàng nghìn năm.

Từ góc nhìn vi sinh vật, khác biệt đáng kể giữa sống trên hành tinh và sống trong thiên thạch chỉ là trọng lực, nhiệt độ và bức xạ. Nhiệt độ của một tảng đá cỡ quả bóng rổ ở khoảng cách như Sao Hỏa là khoảng -50°C, gần Trái Đất là khoảng -10°C. Điều này khiến băng vĩnh cửu trở thành mô hình so sánh hấp dẫn.

Năm 2007, nhóm của Sarah Stewart Johnson tìm thấy bằng chứng vi khuẩn trong các lớp băng vĩnh cửu 400.000 và 600.000 năm tuổi vẫn còn sống, nhưng không thấy dấu hiệu sống sót ở các lõi 740.000 và 1.000.000 năm tuổi. Họ nhận thấy vi khuẩn trong môi trường dưới 0°C không thực sự ngủ đông, mà vẫn hoạt động trao đổi chất ở mức vừa đủ để sửa chữa DNA.

Bức xạ vũ trụ có lẽ là yếu tố giới hạn cuối cùng. Một tảng đá cỡ quả bóng rổ là loại thiên thạch tệ nhất để "đi nhờ": quá nhỏ để che chắn hiệu quả, nhưng đủ lớn để tạo ra các tầng bức xạ thứ cấp có hại. Ngay cả trong môi trường tệ nhất đó, D. radiodurans vẫn có thể trụ được 50.000 đến 100.000 năm. Có thể lấy 50.000 năm làm giới hạn trên cho hành trình liên hành tinh trên đá nhỏ, và 500.000 năm cho đá lớn hơn.

Sự sống trong mỏ muối

Câu hỏi cuối cùng là về sức chịu đựng tuyệt đối: liệu có thể tìm thấy vi khuẩn cổ đại trên Trái Đất, như một bức ảnh chụp sự sống của thời kỳ xa xưa? Nếu phát hiện vi khuẩn 3 tỷ năm tuổi đóng băng dưới sông băng Sao Hỏa, liệu có hy vọng hồi sinh chúng?

Điều này cũng ảnh hưởng đến khả năng tìm thấy sự sống hiện đại trên Sao Hỏa. Hành tinh này từng có thể sống được và vẫn còn hoạt động núi lửa. Những sự kiện hiếm hoi như phun trào núi lửa hay va chạm thiên thạch để lại một điểm nóng trong vỏ Sao Hỏa kéo dài hàng trăm nghìn năm — một ốc đảo sự sống trong thời gian. Nếu vi sinh vật Sao Hỏa có thể ngủ đông qua hàng trăm triệu năm, chúng có thể chờ đợi những khoảng lạnh giá, tăm tối giữa các thời kỳ ấm áp hiếm hoi.

Gần một thế kỷ qua, các nhà vi sinh vật học liên tục tìm thấy vi khuẩn dường như còn sống trong các mỏ muối halite cổ. Halite hình thành khi biển và hồ bị cô lập khô cạn, tự nhiên giữ lại những giọt nước muối nhỏ và bất cứ thứ gì sống trong đó, bao bọc chúng trong các tinh thể muối lớn. Halite có ưu điểm: dễ xác minh tuổi, không thấm khí hay lỏng như hổ phách, và các lát mỏng trong suốt cho phép quan sát trực tiếp các giọt nước bên trong.

Nhưng mọi nỗ lực nuôi cấy những vi khuẩn cổ đại này đều vấp phải vấn đề nhiễm khuẩn:

• Năm 2000: nhóm Russell Vreeland công bố trên tạp chí Nature đã hồi sinh một vi khuẩn 250 triệu năm tuổi trong giọt nước muối trong halite ở New Mexico. Họ đặt tên nó là 2-9-3, và phân tích DNA ribosome cho thấy nó gần gũi với V. marismortui sống ở Biển Chết.
• Phản biện: Dan Graur và Tal Pupko trong bài "The Permian bacterium that isn't" chỉ ra hai chuỗi DNA chỉ khác nhau hai cặp base. Nếu 2-9-3 thực sự bị cô lập 250 triệu năm, đột biến ngẫu nhiên phải tạo ra khác biệt ít nhất 50 cặp base.
• Năm 2007: Vreeland và Tim Lowenstein báo cáo tìm thấy archaea còn sống trong muối 112 triệu năm tuổi — kết quả được công bố mà không ai phản biện hay xác nhận.
• Năm 2014: nhóm Saala Jaakkola tại Trung Quốc báo cáo tìm thấy tám chủng archaea ưa muối còn sống trong tinh thể muối khoảng 40 triệu năm tuổi.
• Năm 2023: luận văn thạc sĩ của Beowulf Owen tại Đại học Bang New Mexico cho thấy quy trình tiệt trùng của Vreeland không đủ diệt bào tử vi khuẩn (cần thêm một bước dùng thuốc tẩy).

Một hướng thoát khỏi bế tắc là ngừng khử trùng các khối halite lớn, chuyển sang tác động trực tiếp vào các giọt nước bên trong. Năm 2003, nhóm MR Mormile dùng mũi khoan vô trùng và pipette để lấy trực tiếp nước muối từ các giọt trong halite, chụp ảnh vi khuẩn ứng viên, tách chúng trong điều kiện vô trùng và nuôi cấy mà không có cơ hội nhiễm khuẩn từ khối lớn. Tin tốt: họ tìm thấy sinh vật còn sống. Tin xấu: mỏ muối họ nghiên cứu chỉ 97.000 năm tuổi.

Tình hình khá bế tắc: những tuyên bố cổ nhất không dùng kỹ thuật nghiêm ngặt nhất, còn kỹ thuật nghiêm ngặt nhất chưa được áp dụng cho các mỏ cổ. Ví dụ, việc so sánh toàn bộ hệ gien của 2-9-3 và V. marismortui để xác định mức độ tương đồng ngoài DNA ribosome lẽ ra rất dễ làm, nhưng dường như chưa ai thực hiện. Hiện chỉ có thể khẳng định chắc chắn: vi khuẩn có thể sống trong các giọt muối halite ít nhất 100.000 năm, và có bằng chứng gây tranh cãi về hàng chục triệu năm.

Góc nhìn

Câu chuyện này cho thấy một nghịch lý trong thám hiểm không gian: trước khi tìm sự sống trên Sao Hỏa, chúng ta phải giỏi hơn nhiều trong việc tìm sự sống ngay trên Trái Đất. Việc phân tích khối đá nặng vài kg trong phòng thí nghiệm hiện đại với vi sinh vật đã biết vẫn còn khó khăn — từ quan sát trực tiếp, tách vô trùng đến xác định DNA. Trên Sao Hỏa, bài toán sẽ khó hơn gấp bội: sinh hóa của sự sống tiềm năng chưa biết, thiết bị có thể phải điều khiển từ xa với độ trễ 40 phút, và vi sinh vật Trái Đất có thể đi nhờ trên chính tàu đổ bộ.

Từ góc nhìn kỹ thuật, những bất cập trong nghiên cứu sinh quyển sâu mang tính tổ chức nhiều hơn công nghệ: các nhóm địa chất, thạch học và vi sinh vật học hiếm khi đọc bài của nhau, và chưa có cơ quan tài trợ nào ưu tiên hay điều phối các nỗ lực rời rạc, kể cả việc chuẩn hóa quy trình tiệt trùng. Đối với đội ngũ kỹ thuật tại các công ty vũ trụ và phòng thí nghiệm phân tích, bài học thực tế là quy trình vô trùng và kiểm soát nhiễm bẩn phải được thiết kế ngay từ đầu, không phải bước cuối cùng — và mọi quy trình đều cần được kiểm chứng độc lập.

Với cộng đồng nghiên cứu tại Việt Nam, đây là lời nhắc rằng những lĩnh vực ít hào nhoáng như kỹ thuật khoan vô trùng hay giải trình tự tế bào đơn lại chính là nền tảng cho những phát hiện lớn. Đầu tư vào những công cụ "không quảng cáo" đó có thể mang lại giá trị dài hạn hơn nhiều so với vẻ ngoài của chúng.