Sự sống đã tồn tại trên trái đất bao lâu?

Trong nghiên cứu mới, được xuất bản trên tạp chí Current Biology ¹, các nhà nghiên cứu từ Viện nghiên cứu khoa học Weizmann và trường Smith College đã hướng mục tiêu đến những câu hỏi lớn này.

Carbon trên trái đất

Mỗi năm có khoảng 200 tỉ tấn carbon được hấp thụ thông qua cái gọi là sản phẩm sơ cấp. Trong suốt quá trình này, carbon vô cơ – như carbon dioxide trong bầu khí quyển và bicarbonate trong đại dương – đã sử dụng để tạo năng lượng và để xây dựng các phân tử hữu cơ mà sự sống cần.

Ngày nay, đóng góp nổi bật nhất cho nỗ lực này là quá trình tổng hợp quang hóa oxy, nơi ánh nắng mặt trời và nước là những thành phần chính. Tuy nhiên, việc giải đoán tỉ lệ của sản xuất sơ cấp này tronh quá khứ là một việc thách thức. Làm thay công việc của một cỗ máy thời gian, các nhà nghiên cứu tự mình tìm manh mối còn sót lại trong những đá trầm tích cổ đại để khai phá những thông tin cần thiết trong môi trường quá khứ.

Với trường hợp của sản phẩm sơ cấp, thành phần đồng vị của oxy trong hình thức của sulfate trong mỏ muối cổ đại cho phép nhiều ước tính được hình thành.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã tập hợp mọi ước tính đã có về sản xuất sơ cấp cổ đại được trích xuất thông qua phương pháp này cũng như nhiều phương pháp khác. Kết quả của cuộc điều tra sản lượng này là họ có thể ước tính 100 quintillion (hoặc 100 tỉ tỉ) tấn carbon đã tồn tại thông qua quá trình sản xuất sơ cấp kể từ khi xuất hiện dạng hình thức nguyên sơ của sự sống.

Những con số lớn như vậy thật khó để hình dung và vẽ bức tranh tổng thể; 100 tỉ tỉ tấn carbon này gấp 100 lần tổng lượng carbon được lưu trữ bên trong trái đất, một kỳ tích đầy ấn tượng cho những nhà sản xuất sơ cấp của trái đất.

Sản xuất sơ cấp

Ngày nay, sản xuất sơ cấp chủ yếu là từ cây cối trên trái đất và các vi sinh vật đại dương như rong tảo và vi khuẩn lam. Trong quá khứ, tỉ lệ của những đóng góp chính ấy rất khó để xác định; trong trường hợp trái đất thời kỳ đầu, sản xuất sơ cấp chủ yếu thuộc về toàn bộ một nhóm vi sinh vật khác mà không phụ thuộc vào tổng hợp quang hóa oxy để tồn tại.

Sự kết hợp của những kỹ thuật khác nhau đã giúp các nhà khoa học có thể đem đến một ý nghĩa về thời điểm các nhà sản xuất sơ cấp khác nhau hoạt động sôi nổi nhất trong quá khứ. Các kỹ thuật được sử dụng bao gồm việc nhận diện những khu rừng cổ thụ lâu đời nhất hoặc sử dụng hóa thạch phân tử mà người ta gọi là các dấu hiệu sinh học ².

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học sử dụng chính thông tin này để khám phá cái mà các sinh vật đã đóng góp nhiều nhất vào quá trình sản xuất sơ cấp trong lịch sử trái đất. Họ tìm thấy, bất chấp được hình thành muộn hơn trên trái đất so với các sinh vật khác thì cây trên đất liền dường như đóng góp nhiều nhất vào quá trình này. Tuy nhiên cũng có vẻ hợp lý khi vi khuẩn lam cũng đóng góp nhiều nhất.

Toàn thể sự sống

Bằng việc xác định có bao nhiêu sản xuất sơ cấp đã xuất hiện, và bằng khả năng ước tính và nhận diện những sinh vật gì đã tạo ra nó, các nhà khoa học đã có thể ước tính bao nhiêu sự sống đã tồn tại trên trái đất.

Ngày nay, một người cũng có thể ước tính xấp xỉ có bao nhiêu người tồn tại dựa trên lượng thực phẩm đã được tiêu thụ. Tương tự, các nhà khoa học đã có thể xác định tỉ lệ của sản xuất sơ cấp cho bao nhiêu tế bào đã tồn tại trong môi trường hiện đại.

Bao nhiêu sự sống đã từng có trên trái đất?

Bất chấp độ lớn của các tế bào trong mỗi sinh vật và kích thước của các tế bào khác nhau, những phức tạp như vậy trở thành thứ yếu do các vi sinh vật đơn bào trở lên lấn át trong tổng số tế bào toàn cầu. Cuối cùng, họ đã có thể ước tính là khoảng 10³⁰ (10 noninillion) tế bào tồn tại ngày nay, và giữa 10³⁹ (một duodecillion) và 10⁴⁰ tế bào đã từng tồn tại trên trái đất.

Trừ phi chúng ta có năng lực chuyển trái đất đi vào quỹ đạo của một ngôi sao trẻ, hiện tại thì vòng đời trong sinh quyển trái đất đều hữu hạn. Sự thật phũ phàng này là một hệ quả của chu trình sống trên những ngôi sao của chúng ta. Kể từ khi khởi sinh, mặt trời đã dần dần trở nên sáng hơn trong quá khứ 4,5 tỉ năm vì hydro đã được chuyển đổi thành helium trong lõi của nó.

Và xa hơn trong tương lai, khoảng hai tỉ năm nữa, tất cả các nấc an toàn sinh địa hóa giữ trái đất trở thành nơi có thể ở được sẽ thúc đẩy quá khứ đến giới hạn của nó. Đầu tiên, các cây trên đất liền sẽ chết và cuối cùng đại dương sẽ sôi lên sùng sục, và trái đất sẽ trở thành một hành tinh đá không sự sống như hình thức ở thời khắc nguyên sơ của nó.

Nhưng cho đến khi đó, ngôi nhà trái đất dung chứa bao nhiêu sự sống đã cư ngụ trong toàn vòng đời của mình? Dự đoán các tỉ lệ sản xuất sơ cấp trong tương lai, các nhà khoa học ước tính khoảng 10⁴⁰ tỉ tế bào sẽ chiếm lĩnh trái đất này.

Trái đất như một ngoại hành tinh

Chỉ một vài thập kỷ trước, các ngoại hành tinh (các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác) được coi là một giả thuyết. Hiện tại, các nhà khoa học có thể không chỉ dự đoán chúng mà còn miêu tả nhiều khía cạnh của hàng ngàn thế giới xa xôi quanh các ngôi sao ở khoảng cách xa ³.

Nhưng trái đất liệu có thể so sánh với những thiên thể đó? Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã có cái nhìn ước lượng về sự sống trên trái đất và coi trái đất như một chuẩn mực để so sánh với các hành tinh khác.

Điều mà họ cho là thực sự thú vị, là điều có thể diễn ra trong quá khứ trên trái đất để tạo ra một quỹ đạo khác biệt và do đó là một lượng khác biệt của sự sống đã coi trái đất là nhà. Ví dụ, sẽ là cái gì nếu tổng hợp quang hóa oxy chưa bao giờ diễn ra hoặc sẽ là cái gì nếu nội cộng sinh chưa bao giờ xuất hiện?

Những câu trả lời cho những câu hỏi như vậy là thứ sẽ dẫn dắt phòng thí nghiệm của họ ở trường đại học Carleton ⁴ trong những năm tới.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://theconversation.com/how-much-life-has-ever-existed-on-earth-215765

———————————————

1. “The geologic history of primary productivity”.

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(23)01286-1?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982223012861%3Fshowall%3Dtrue

2.https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01028-9?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982221010289%3Fshowall%3Dtrue

3.https://exoplanets.nasa.gov/

4. https://earthsci.carleton.ca/