Khi nào Trái Đất lần đầu đủ ổn định cho hóa học tiền sự sống?

Trái Đất thời trẻ có thể đã trở nên phù hợp một cách bền vững với hóa học tiền sự sống vào khoảng 4,4 tỷ năm trước; trong mô hình, điều kiện thuận lợi nhất cho các quá trình liên quan đến RNA rơi vào khoảng 4,33 tỷ năm trước. Kết quả này đến từ mô phỏng ba chiều về cách các vụ va chạm của tiểu hành tinh, sao chổi và hành tinh vi hình làm nóng vỏ Trái Đất trong giai đoạn 4,5–3,5 tỷ năm trước. Nó khoanh vùng một “cửa sổ cơ hội” về môi trường cho giả thuyết thế giới RNA, chứ không chứng minh sự sống — hay một thế giới RNA — đã hình thành vào thời điểm đó. 210

Mốc 4,4 tỷ năm trước: Trái Đất không còn bị “reset” liên tục

Trong mô hình, Trái Đất thuộc liên đại Hadean ban đầu liên tiếp hứng chịu những va chạm đủ lớn để gây các điều kiện khử trùng trên quy mô toàn cầu. Các lần tái lập khắc nghiệt này kéo dài đến khoảng 4,4 tỷ năm trước, khiến hóa học tiền sự sống khó có thể hoạt động liên tục trước mốc ấy. 28

Khi cường độ bắn phá suy giảm, một số phần bề mặt và lớp vỏ nông có thể nguội xuống dưới ngưỡng nhiệt liên quan đến độ bền của RNA cùng các phân tử gắn với sự sống — và không bị một va chạm sau đó nung nóng vượt lại ngưỡng này. Nói cách khác, những môi trường có khả năng phù hợp bắt đầu tồn tại dai dẳng, thay vì chỉ xuất hiện thoáng qua giữa các thảm họa. 23

Nhóm nghiên cứu xác định khoảng 4,33 tỷ năm trước là thời điểm có tiềm năng tổng thể mạnh nhất để hóa học liên quan đến RNA được duy trì lâu dài. Khi đó, chế độ nhiệt của lớp vỏ đang chuyển từ trạng thái bị va chạm chi phối sang các điều kiện có thể ở được ổn định hơn. 210

Va chạm vừa hủy diệt, vừa có thể tạo “ốc đảo” hóa học

Điều này không có nghĩa là các va chạm bỗng trở nên vô hại. Chúng vẫn có thể đốt nóng và phá vỡ lớp vỏ, nhưng đồng thời cũng có thể tạo ra các hệ thủy nhiệt: những môi trường cục bộ ấm, giàu nước và có nguồn năng lượng. Các công trình trước đó của Abramov và cộng sự cũng nhấn mạnh rằng nhiệt do va chạm có thể tạo nên các “ốc đảo” thủy nhiệt, dù ở nơi khác nó gây khử trùng. 34

Sự kết hợp ấy là trọng tâm của cửa sổ cơ hội được đề xuất: tần suất va chạm giảm dần có thể cho phép các hốc mát ổn định tồn tại trong lớp vỏ nông, trong khi các vụ va chạm vẫn tạo ra những môi trường thủy nhiệt cục bộ có ích về mặt hóa học. Vì vậy, mô hình không mô tả một Trái Đất bỗng chốc hiền hòa trên toàn cầu, mà là một hành tinh có diện tích môi trường phù hợp về nhiệt ngày càng mở rộng. 23

Liên hệ với LUCA: thứ tự thời gian là điểm quan trọng

Ước tính 4,33 tỷ năm trước được đặt trước thời điểm suy luận cho LUCA — tổ tiên chung phổ quát cuối cùng của mọi sự sống tế bào còn tồn tại ngày nay. Trình tự này có ý nghĩa: nếu hóa học tiền tế bào cuối cùng dẫn đến sự sống tế bào, nó phải có một giai đoạn sớm hơn để tồn tại và tiến hóa. 10

Tuy nhiên, không nên đọc các mốc này như một chuỗi tiến hóa trực tiếp. Mô hình chỉ ước tính thời điểm nhiệt do va chạm không còn khiến hóa học tiền sự sống bền vững trở nên khó xảy ra trên quy mô toàn cầu. Nó không xác định ngày ra đời của thế giới RNA, không chỉ ra nơi sự sống bắt đầu, cũng không cho biết các phản ứng như vậy kéo dài bao lâu. 210

Mô hình trả lời được gì — và chưa trả lời được gì?

Mô phỏng theo dõi ảnh hưởng nhiệt của va chạm cùng các giới hạn nhiệt độ của RNA và những phân tử liên quan đến sự sống trong lớp vỏ trên. Vì vậy, nó hữu ích để xem xét khi nào các môi trường nhiệt ổn định trở nên khả dụng. 210

Nhưng đây chưa phải lời giải cho bài toán nguồn gốc sự sống. Một hốc môi trường ổn định về nhiệt vẫn cần hội đủ các thành phần và cơ chế hóa học phù hợp, chẳng hạn:

• nguồn cung và cách cô đặc các hợp chất hữu cơ, nucleotide;
• hóa học nước thích hợp;
• khoáng vật hoặc ion kim loại có thể xúc tác phản ứng;
• các con đường để RNA được tổng hợp, sao chép và tồn tại.

Do đó, cách diễn giải thận trọng nhất về mốc khoảng 4,33 tỷ năm trước là: lịch sử va chạm của Trái Đất có thể không còn ngăn cản hóa học tiền sự sống diễn ra bền vững. Đây không phải bằng chứng cho thấy sự sống dựa trên RNA đã hình thành khi ấy. 2

Còn Sao Hỏa thì sao?

Sao Hỏa thường được xem là đối tượng so sánh đáng chú ý, bởi va chạm có thể tạo ra các ốc đảo thủy nhiệt cục bộ, còn nhiều dấu tích môi trường cổ trên Sao Hỏa có thể được bảo tồn tốt hơn so với Trái Đất có địa chất hoạt động mạnh. Tuy nhiên, riêng mô hình về Trái Đất này không thể chứng minh Sao Hỏa đã trở nên có thể ở được sớm hơn.

Kết luận thận trọng hơn là: các môi trường thủy nhiệt do va chạm tạo ra có liên quan tới cả hai hành tinh, và Sao Hỏa vẫn là mục tiêu hữu ích để kiểm tra liệu các môi trường cổ có từng đáp ứng những yêu cầu hóa học của các kịch bản về sự sống sơ khai hay không. Muốn xác lập một cửa sổ sớm hơn trên Sao Hỏa cần bằng chứng riêng về lịch sử nhiệt, nước và địa hóa của hành tinh này, thay vì suy ra tự động từ dòng thời gian của Trái Đất. 45