Liệu sự sống ngoài trái đất có dựa trên nguyên tố carbon không? (Ý tôi là dường như còn nhiều nguyên tố khác mà chúng ta chưa khám phá ra mà). Khi học về hóa hữu cơ, hẳn nhiều người sẽ thắc mắc việc này.
———
Để bạn dễ hiểu nhất thì tôi sẽ trả lời câu hỏi này theo một thứ tự khác nhé.
Thứ nhất: Còn nhiều nguyên tố mà chúng ta chưa khám phá ra.
Hic, đây là một sự hiểu lầm khá là cơ bản đấy, vì thật ra mà nói thì không còn nguyên tố nào mà loài người chưa khám phá ra cả, ít nhất là khi chúng ta đang nói đến các nguyên tố bền vững trong tự nhiên, thay vì đám nguyên tố do con người cố gắng tạo ra, vốn chỉ tồn tại vài giây, thậm chí chưa tới một giây kia (ý tôi là nguyên tố Oganesson ấy, ẻm có chu kỳ bán rã dưới một phần nghìn giây, vì thế nó hiếm đến nỗi chưa bao giờ được tìm thấy trong tự nhiên, thậm chí nó còn không tồn tại đủ lâu để có thể hình thành các liên kết hóa học).
Một cách khoa học mà nói thì nguyên tố là tập hợp của những nguyên tử cùng loại, có cùng số proton trong hạt nhân. Thôi mình hiểu nôm na như thế này đi cho dễ. Ở một vùng đất nọ có anh Nguyễn Văn A, anh Nguyễn Văn B, chị Nguyễn Thị C, anh Lê Văn D, chị Lê Thị E. Dễ dàng nhận ra các nhân vật A, B, C đều có chung họ Nguyễn, trong khi các nhân vật D, E có chung họ Lê. Khi đó, người ta sẽ nói là nguyên tử A, nguyên tử B, nguyên tử C, nguyên tử D, nguyên tử E và người ta sẽ nói nguyên tố Nguyễn, nguyên tố Lê, và cái họ ở đây là proton. Mọi người thường nhầm lẫn giữa nguyên tử và nguyên tố, hãy nhớ là nguyên tử là cái có thật, là cái mà con người có thể tác động được (ví dụ như các nhà khoa học có thể bắn phá được các nguyên tử), trong khi nguyên tố chỉ là một “hư danh”, một danh xưng, một cái tên gọi không hơn không kém. Vậy nên, chúng ta sẽ xem xét lại một số cách nói sau:
3 nguyên tử oxy: đúng.
3 nguyên tố oxy: sai (chỉ có một và chỉ một nguyên tố oxy mà thôi).
3 nguyên tố oxy, carbon, lưu huỳnh: đúng.
Phân tử nước (H2O) được tạo thành từ 2 nguyên tố là hydro và oxy, một phân tử nước có 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy: đúng.
Okay, vậy quay lại khái niệm nguyên tố một xíu. Nguyên tố hydro là tập hợp các nguyên tử có 1 proton trong hạt nhân, nguyên tố heli là tập hợp các nguyên tử có 2 proton trong hạt nhân, nguyên tố liti là 3 proton, vân vân và mây mây như vậy cho đến nguyên tố to nhất là Oganesson sẽ có tận 118 proton trong hạt nhân. Tới đây thôi, vậy nên không thể có vô số các nguyên tố được. Không giống như tập hợp số thực, ở giữa số 1 và 2 có vô số các số khác, các nguyên tố được đặc trưng bởi số proton trong hạt nhân, vậy nên số các nguyên tố là hữu hạn (chính xác là 118). À quên, đừng đề cập gì đến đồng vị nhé, đó là một câu chuyện khác rồi (và nên chăng một câu hỏi thú vị khác là liệu có nguyên tố 119 không).
Tóm lại, coi như chúng ta có trong tay 118 nguyên tố rồi nhé. Trong số này thì từ nguyên tố hydro (có 1 proton) đến nguyên tố chì (có 82 proton) là những nguyên tố bền, phần còn lại ít nhiều cũng là nguyên tố phóng xạ. Bên cạnh đó thì hydro chiếm tới 75% vũ trụ, gần 25% là heli, và phần tí tẹo còn lại là các nguyên tố khác.
Do đó, giả sử ngay cả khi có các nguyên tố siêu nặng (có hơn 118 proton), thì cũng không thể có sinh vật nào được cấu thành từ các nguyên tố đó, đơn giản vì chúng sẽ không có đủ “nguyên liệu” để tạo nên cơ thể chúng, và thậm chí nếu có đủ thì các sinh vật này cũng không tồn tại đủ lâu để có thể được coi là “sống”.
Thứ hai: Một quan niệm rất địa tâm?
Trừ khi các sinh vật ngoài hành tinh không được tạo ra từ vật chất, còn không thì ở đây không liên quan gì đến thuyết địa tâm cả. Vì tất cả các vật chất mà chúng ta nhìn thấy được đều được tạo thành từ các nguyên tố, nên không có lý do gì cho rằng các sinh vật ngoài hành tinh phải được cấu tạo từ những thứ phi-nguyên-tố khác.
Bạn có thể phản bác lại là “Sinh vật ngoài hành tinh vẫn có khả năng được cấu tạo từ những thứ mà anh gọi đó là bí thuật”, okay, vậy hiển nhiên sinh vật ấy cô đơn đã hai triệu năm, yo.
Vì loài người chúng ta đã có những hiểu biết về các nguyên tố bền vững, ổn định, vậy câu hỏi nên là “Các sinh vật ngoài hành tinh có thể được cấu tạo từ những thứ gì nữa?” thay vì hỏi là “Liệu các sinh vật ngoài hành tinh có được cấu tạo từ một cái gì đó nhiệm màu không?”.
Cuối cùng: Tại sao chúng ta cho rằng sự sống ngoài trái đất là dựa trên carbon?
Okay, nãy giờ vòng vo quá, đây sẽ là câu trả lời trọng tâm nhé.
Nào chúng ta hãy cùng quay về xứ sở Bạch Dương vào những ngày đầu xuân năm 1869, cùng mơ chung giấc mơ với một ông già râu tóc bạc phơ, tên là Dmitri Mendeleev, để rồi sau đó cùng ngắm nhìn ông loay hoay ở bàn làm việc, và sau đó sáng tạo nên một kiệt tác cho nền khoa học thế giới – bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố. Trên bảng tuần hoàn chỉ vỏn vẹn 63 nguyên tố thời bấy giờ, hệt như một trò chơi xếp hình từ những mảnh ghép không đầy đủ, ông tỉ mẫn đặt từng mảnh ghép thiếu thốn đó vào đúng vị trí vốn dĩ của nó.
Trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hiện đại, các nguyên tố trong cùng một cột có cùng tính chất hóa học, và cùng số electron ở lớp ngoài cùng. Cột đầu tiên là nhóm nguyên tố kiềm, có 1 electron lớp ngoài cùng, kế bên là nhóm kiềm thổ với 2 electron, cứ thế tuần tự đến nhóm khí hiếm (khí trơ) với đầy đủ 8 electron ở lớp ngoài cùng (trừ heli chỉ có 2 electron).
Và chỉ có những electron lớp ngoài cùng này mới có vai trò tạo thành các liên kết hóa học. Trong thế giới hóa học thì 8 electron của lớp ngoài cùng được xem là hình mẫu bền vững nhất, các nguyên tử luôn cố gắng bằng cách này hay cách khác mà đạt được số electron lý tưởng này. Bây giờ chúng ta cùng xét ví dụ sau:
Một nguyên tử Natri có 3 lớp electron, với 11 electron tổng cộng sẽ có cách phân bố ở 3 lớp như sau 2/8/1.
Một nguyên tử Clo có 3 lớp electron, với 17 electron tổng cộng sẽ có cách phân bố ở 3 lớp như sau 2/8/7.
Một hôm bạn nguyên tử Natri đi gặp bạn nguyên tử Clo và than thở, “Ôi Clo ơi, tớ khổ quá mà, ông trời bất công quá, tớ chỉ cần vứt đi 1 electron ở lớp ngoài cùng thì sẽ trở thành 2/8, bấy giờ là có 8 electron lý tưởng rồi”. Nghe xong, Clo cũng buồn rầu đáp, “Hic, cậu làm như tớ sướng ấy, ông trời cho tớ 7 electron lớp ngoài cùng rồi, vậy mà không cho thêm 1 electron nữa, khi ấy tớ sẽ thành 2/8/8 là đẹp rồi, huhu”. Ngay sau khi Clo đáp, cả hai cùng nhìn nhau và một ý tưởng chợt lóe lên giữa hai người. Tèng teng, vấn đề quá đơn giản, Natri vứt đi 1 electron cho Clo, thế là vẹn cả đôi đường. Như vậy thì, bùm, một liên kết đã tạo thành Na-Cl, kết thúc viên mãn cho cả hai.
Đó là một ví dụ đơn giản về cách thức tạo ra một liên kết trong hóa học, tới đây thì bạn đã mơ hồ nhận ra vấn đề chưa? Nguyên tố ở nhóm nào sẽ là khó xử nhất trong cuộc chơi cho – nhận electron đây?
Đó chính là carbon, nguyên tố đầu tiên ở nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn, với 4 electron ở lớp ngoài cùng, cấu hình là 2/4. Trong khi các nguyên tố khác dễ dàng đưa ra quyết định cho hay nhận electron thì carbon vô cùng khổ tâm, vì 8 là đẹp, mà carbon đã có 4, cho luôn 4 thì không nỡ, mà xin thêm 4 thì chẳng ai cho.
Ơ mà, sao lại chẳng ai cho? Hơ hơ, bạn bắt đầu nhận ra vấn đề luôn rồi đó. Cần quái gì ai cho, carbon tự chơi với carbon thôi. Một nguyên tử carbon này sẽ liên kết với một nguyên tử carbon khác, quá ư là đẹp. Nhưng thật ra thì dòng dõi carbon không ích kỉ như vậy, đây là một tập thể siêu đoàn kết. Vậy nên để tối ưu hóa thì thay vì chỉ có 2 carbon chia sẻ electron với nhau thì câu trả lời cho bài toán đó là có vô số carbon cùng chia sẻ với nhau, tạo thành những chuỗi carbon vô cùng đa dạng và phong phú.
Bạn cứ tưởng tượng như mỗi anh chàng carbon khổ sở của chúng ta có tới 4 cánh tay vậy, xòe ra 4 hướng, sẵn sàng “bắt tay” liên kết với các nguyên tử khác. Vậy nên, khả năng liên kết của carbon là mạnh mẽ nhất trong tất cả các nguyên tố. Với 4 electron vốn dĩ không biết xử lý ra sao, carbon đã cực kỳ khéo léo biến nhược điểm chí mạng đó thành ưu điểm trác tuyệt của mình. Và với 4 electron cực kỳ linh hoạt đó, carbon đã tạo nên sự đa dạng sinh học đáng kinh ngạc cho toàn bộ sinh vật trên Trái Đất này, từ những con trùng đế giày đơn bào, cho đến loài sứa bất tử, những đàn sư tử hoang dã, hay đến những cánh chim đại bàng tung gió, những chú cá voi xanh khổng lồ, và, tất nhiên rồi, cả loài người phức tạp chúng ta nữa, tất cả đều được cấu tạo từ những nguyên tử carbon bé nhỏ đó.
Tuy nhiên, nhìn lại một xíu vào bảng hệ thống tuần hoàn. Bạn có thấy gì đặc biệt không, khi có vẻ như chúng ta đang tập trung quá vào carbon mà quên đi mất nó cũng chỉ là một nguyên tố đầu tiên của nhóm IV thần kỳ. Chính xác, tôi đang muốn nói đến nguyên tố ngay phía dưới nó, đó là silic. Đây là lý do tại sao hầu hết các nhà khoa học khi đưa ra giả thuyết nếu chúng ta phát hiện ra một dạng sống phi carbon nào đó, thì gần như chắc chắn nó sẽ được cấu tạo từ các chuỗi silic.
Tuy nhiên, về mặt chức năng sinh học mà nói, điều này là không phù hợp. Chỉ có số ít các nhà khoa học về ngành hóa sinh mới có thể nói cho bạn biết sự khác biệt giữa dạng sống dựa trên silic và dạng sống dựa trên carbon. Và sự thật là carbon đang diễn một vai diễn quá xuất sắc trong bộ phim do Mẹ Thiên Nhiên đạo diễn, cớ gì mà chúng ta lại trông đợi một nhân vật mới hơn chứ? Bạn đang hy vọng rằng silic sẽ làm được gì mà carbon không thể ư? Hãy nhìn một xíu vào hệ sinh thái cực kỳ đa dạng trên Trái Đất để tìm câu trả lời nào. Bạn cần một dạng sống có khả năng bay ư, đã có chim, một dạng sống có khả năng bơi lội dưới nước, đã có cá, một dạng sống trên đất liền, có muôn loài. Thậm chí, chúng ta còn có những dạng sống lạ thường khác ở tận sâu dưới đại dương hay trong lòng đất. Và nếu vẫn chưa đủ thì chúng ta còn có chính chúng ta – dạng sống phức tạp và kỳ dị nhất của tạo hóa.
Cố gắng giả vờ rằng việc tìm kiếm một dạng sống dựa trên silicon sẽ thay đổi “mọi thứ” thật là vô nghĩa khi mà thậm chí không ai trong chúng ta thực sự hiểu “mọi thứ” có nghĩa là gì.
Vậy nên, việc chuyển sang một dạng sống dựa trên silic (nếu có) thì cũng chẳng có ích lợi bao nhiêu.
Chỉnh sửa:
Có nhiều bạn hỏi tôi về các nguyên tố germani, chì và thiếc.
Một cách đơn giản mà nói thì mặc dù các nguyên tố này nằm chung nhóm với carbon, nhưng chúng có rất nhiều lớp electron, do đó để tạo thành các liên kết bền vững đủ để làm cơ sở cho sự sống phát triển thì thật sự mà nói, khá là khó khăn.
Hiển nhiên, để tạo thành sự liên kết giữa những người trưởng thành thì đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều so với trẻ con mà, đúng không nhỉ?
