Trong lịch sử khoa học tự nhiên, câu hỏi về nguồn gốc và sự bền vững của sự sống luôn là một trong những vấn đề căn bản, gắn liền với việc con người không ngừng tìm hiểu về vật chất, năng lượng và vũ trụ. Từ những khối xây dựng nhỏ nhất của vật chất như proton và neutron, cho đến những nguyên tố cơ bản hình thành nên cơ thể sống, và xa hơn là những môi trường ngoài Trái Đất như mặt trăng Europa của sao Mộc, tất cả tạo thành một bức tranh liên hoàn, nơi mà khái niệm “bền vững” không phải là tuyệt đối, mà có thể chỉ là “rất lâu dài”. Bằng cách tổng hợp nhiều nghiên cứu vật lý hạt cơ bản, sinh học phân tử và thiên văn học, ta có thể nhìn ra mối liên hệ giữa cái “cực nhỏ” và cái “cực lớn”, giữa thời gian sống của proton và khả năng duy trì đại dương ngầm trên Europa, giữa sự tồn tại của CHNOPS trong phân tử sinh học và sự phân bố hóa học của toàn vũ trụ.
Trước hết, cần nói đến quan niệm về sự bền vững của vật chất. Trong đời sống thường ngày, ta coi những hạt như proton, electron, neutron trong hạt nhân nguyên tử là bền vững, không thay đổi. Nhưng trong vật lý hạt, đặc biệt trong các lý thuyết vượt ngoài Mô hình Chuẩn, sự bền vững tuyệt đối hầu như không tồn tại. Proton được xem là “ổn định” trong phạm vi thí nghiệm hiện nay, nhưng các nghiên cứu lý thuyết gợi ý rằng nó có thể phân rã với chu kỳ bán rã lên đến 10³³ năm hoặc hơn. Đây là một khoảng thời gian khổng lồ, gấp nhiều lần tuổi của vũ trụ hiện tại (khoảng 1,38×10¹⁰ năm). Điều này có nghĩa là nếu proton có phân rã, quá trình đó hiếm đến mức gần như không thể quan sát trong đời sống của một ngôi sao hay hành tinh, nhưng trên thang vũ trụ cực dài, vật chất chúng ta coi là bền vững thực ra có thể biến đổi. Các thí nghiệm khổng lồ như Super-Kamiokande ở Nhật Bản đã dành hàng thập kỷ để tìm dấu hiệu phân rã proton mà vẫn chưa có kết quả chắc chắn, tuy nhiên điều này không chứng minh proton tuyệt đối bền, mà chỉ đặt ra giới hạn dưới cho tuổi thọ của nó. Các dự án mới như JUNO tại Trung Quốc hay DUNE tại Mỹ được kỳ vọng sẽ nhạy hơn, có thể phát hiện các kiểu phân rã proton năng lượng thấp mà trước đây các máy dò bỏ sót. Một khả năng hấp dẫn là proton có thể phân rã thành các hạt mới lạ, trong đó có neutrino trơ (sterile neutrino) – loại hạt giả thuyết không tương tác qua lực yếu như neutrino thường, và nếu tồn tại, nó có thể mở rộng biên giới của vật lý hiện đại.
Từ cấp độ hạt cơ bản, ta chuyển sang nguyên tố hóa học tạo nên sự sống. Trên Trái Đất, hầu hết các sinh vật đều dựa vào sáu nguyên tố chính, được gọi chung là CHNOPS: Carbon, Hydrogen, Nitrogen, Oxygen, Phosphorus và Sulfur. Carbon đóng vai trò là khung xương cho các phân tử hữu cơ nhờ khả năng tạo nhiều liên kết cộng hóa trị. Hydrogen xuất hiện trong nước và các hợp chất hữu cơ, tham gia điều chỉnh pH và trao đổi chất. Nitrogen cần cho amino acid và acid nucleic, từ đó xây dựng protein và DNA, RNA. Oxygen không chỉ quan trọng cho hô hấp tế bào và tạo ATP mà còn là thành phần trong nước và nhiều phân tử sinh học. Phosphorus là chìa khóa của năng lượng tế bào (ATP) và cấu trúc di truyền (DNA, RNA), đồng thời tạo nên phospholipid trong màng tế bào. Sulfur hiện diện trong amino acid như cysteine, methionine, tham gia xúc tác và ổn định cấu trúc protein. Sự kết hợp của CHNOPS hình thành nên bốn loại đại phân tử sinh học quan trọng: carbohydrate, lipid, protein và acid nucleic, là nền tảng cho mọi hệ thống sống.
Điều thú vị là nguồn gốc của những nguyên tố này không chỉ gói gọn trong Trái Đất. Chúng được hình thành trong các quá trình hạt nhân học vũ trụ. Carbon, nitơ, oxy và lưu huỳnh được tạo ra trong lõi sao thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân và được phát tán ra không gian khi sao siêu tân tinh nổ tung. Phosphorus và nhiều nguyên tố nặng khác cũng đến từ các sự kiện thiên văn cực đoan như neutron star merger. Hydrogen, đơn giản nhất, lại xuất hiện ngay từ sau Vụ Nổ Lớn. Nói cách khác, chính vũ trụ là “nhà máy” sản xuất ra nguyên liệu sống. Các hạt cơ bản không hoàn toàn bất biến, nhưng sự kết hợp của chúng qua thời gian dài đã tạo nên CHNOPS, và CHNOPS kết hợp tiếp tục thành sự sống.
Từ Trái Đất, ta mở rộng tầm nhìn ra vũ trụ để tìm kiếm nơi nào có thể hội tụ các điều kiện tương tự. Một trong những điểm đến hấp dẫn nhất là Europa, mặt trăng của sao Mộc. NASA cho rằng có ba thành phần cần thiết cho sự sống: nước lỏng, hóa học và năng lượng. Europa được tin là có đại dương mặn khổng lồ nằm dưới lớp vỏ băng dày hàng chục km. Dưới đáy đại dương đó có thể là một nền đá gồ ghề, tiếp xúc với nước và tạo ra hoạt động thủy nhiệt, tương tự như các miệng phun hydrothermal ở đáy đại dương Trái Đất – nơi sự sống có thể hình thành độc lập với ánh sáng Mặt Trời. Về mặt hóa học, Europa nhiều khả năng chứa các nguyên tố cơ bản cho sự sống như C, H, N, O, P, S trong băng, trong nước, hoặc phát sinh từ lõi đá qua phản ứng phong hóa. Về năng lượng, mặc dù ánh sáng Mặt Trời không xuyên qua được lớp băng, nhưng có nguồn năng lượng khác: lực thủy triều từ sao Mộc làm vỏ băng nứt gãy, sinh nhiệt, cộng thêm các phản ứng hóa học giữa nước và đá, hay năng lượng từ bức xạ không gian tách hydro và oxy trên bề mặt băng, oxy có thể chảy xuống đại dương và đóng vai trò như chất oxy hóa, hỗ trợ phản ứng hóa học phức tạp.
Sự tồn tại của nước, hóa học và năng lượng trong một hệ kín lâu dài khiến Europa trở thành ứng cử viên hàng đầu cho sự sống ngoài Trái Đất. Đây cũng là lý do NASA triển khai sứ mệnh Europa Clipper, nhằm bay qua Europa nhiều lần, dùng radar xuyên băng, phổ kế và camera để phân tích thành phần hóa học và cấu trúc băng, đại dương. Nếu phát hiện dấu hiệu của hợp chất hữu cơ, oxy hay dấu vết phản ứng sinh học, đây sẽ là một bước ngoặt lớn.
Điểm giao nhau giữa vật lý hạt và sinh học vũ trụ chính là sự nhận thức rằng mọi cấu trúc sống đều bắt đầu từ những thành phần nhỏ nhất, và những thành phần đó không bất biến vĩnh viễn. Proton có thể phân rã, electron có thể chịu tác động của lý thuyết mở rộng, neutrino có thể có nhiều loại hơn ta biết. Nhưng chính sự biến đổi đó, trong vũ trụ dài lâu, lại mở đường cho sự hình thành các nguyên tố, rồi phân tử, rồi sự sống. Khi ta nghiên cứu proton trong phòng thí nghiệm hay quan sát Europa bằng kính viễn vọng, thực chất ta đang tìm câu trả lời chung: sự sống có phổ biến trong vũ trụ không, và liệu vật chất có thể duy trì hình thức sống trong những điều kiện khác biệt với Trái Đất.
Từ góc độ triết học, ý tưởng rằng “các hạt cơ bản không bền, chỉ tồn tại rất lâu” mang đến một cách nhìn mới. Nó gợi ý rằng không có gì trong vũ trụ là tuyệt đối vĩnh cửu, nhưng sự sống có thể dựa trên những “nền móng tạm bền” để phát triển hàng tỉ năm. Điều này cũng có thể áp dụng cho Europa: nếu các thành phần hóa học và năng lượng tồn tại đủ lâu, sự sống có thể nảy nở và tiến hóa, ngay cả khi cuối cùng proton cũng sẽ phân rã và vũ trụ trở về trạng thái lạnh lẽo. Sự sống, như vậy, không cần sự bất biến vĩnh viễn, chỉ cần một nền tảng ổn định đủ lâu để phức tạp hóa.
Các nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào việc nối kết các tầng khác nhau: vật lý hạt sẽ tìm kiếm bằng chứng phân rã proton, neutrino trơ và các hạt mới; hóa học thiên văn sẽ tìm hiểu cách CHNOPS được phân bố trong tinh vân và hành tinh; sinh học vũ trụ sẽ kiểm tra các đại dương ngầm như Europa, Enceladus để tìm dấu hiệu sinh học. Sự hội tụ của ba lĩnh vực này có thể đưa chúng ta đến gần hơn với câu trả lời cho câu hỏi: sự sống là độc nhất của Trái Đất hay là một hệ quả tất yếu của vật lý và hóa học vũ trụ.
