Sự sống khởi nguồn như thế nào?

Một nghiên cứu mới gợi mở rằng sự đơn giản hóa cần phải được tiến hành sâu hơn nữa.

Tất cả những sinh vật sống hiện đang được biết đến đều dựa vào DNA để tái tạo và nguồn protein để vận hành các cỗ máy tế bào nhưng những phân tử lớn này dường như không được những sinh vật sống đầu tiên sử dụng.

"Sự sống có thể bắt đầu từ những phân tử nhỏ bé do tự nhiên cung cấp", Robert Shapiro, một nhà hóa học của Đại học New York, cho biết.

Những câu hỏi lớn về sự sống

Khi nào? Những hóa thạch cổ nhất mà con người phát hiện có tuổi đời khoảng 3.5 tỷ năm. Mặc dù còn nhiều tranh luận nhưng những cấu trúc thuộc địa này xuất hiện để được tạo thành tảo xanh. Những sinh vật sống đơn giản hơn dường như đã xuất hiện từ trước đó.

Ở đâu? Những giả thuyết chính đang được tranh cãi là một sự khởi đầu nóng "đối đầu" với một sự khởi đầu lạnh. Điều này cho rằng sự sống đầu tiên đã thoát ra từ hóa học sulfur gần một ngọn núi lửa nóng, trong khi một số người khác thì cho rằng nhiệt độ chắc hẳn đã trở nên lạnh hơn để tạo thành những hóa-phân tử ổn định.

Cái gì? Các nhà phân tích di truyền đã chỉ ra rằng các sinh vật sống ở nhiệt độ cực cao hiện diện gần rễ của cây sự sống tượng trưng cho nguồn gốc cổ. Nhưng điều này không có nghĩa những vi khuẩn yêu nhiệt là những sinh vật đầu tiên được hít hơi thở của sự sống, chúng đơn giản có thể đã sống sót qua những vụ va chạm của các thiên thạch mà đã cuốn đi mọi thứ khác trên trái đất thời nguyên thủy.

Shapiro và những nhà khoa học khác cùng cho rằng những dạng sống đầu tiên là những thử nghiệm hóa học độc lập mà đã sinh trưởng, tái sản xuất và thậm chí là sinh trưởng mà không cần đến những phân tử phức tạp xác định đặc điểm sinh học như chúng ta hiện đang biết về nó.

Nước nguyên thủy

Mộy câu chuyện về sự sống nguyên thủy thường được kể là những hợp chất sinh học phức tạp đã tập hợp một cách tình cờ bên ngoài lớp nước hữu cơ trên bề mặt trái đất thủa ban đầu. Sự tổng hợp tiền sinh học này đã lên đến đỉnh điểm trong một trong những phân tử sinh học có khả năng tự sao chép chính nó.

Hỗ trợ đầu tiên cho ý tưởng về sự sống nảy sinh từ nước nguyên thủy khởi nguồn từ một thí nghiệm nổi tiếng vào năm 1953 của Stanley Miller và Harold Urey, trong đó họ đã tạo ra axit amino bằng cách áp dụng các tia sáng vào ống nghiệm chứa hydrogen, methane, ammonia và nước.

Nếu các axit amino có thể cùng tạo ra những thành phần thô, sau đó những phân tử phức tạp và lớn hơn có thể tạo thành. Các nhà sinh học đã dựng nên nhiều "kịch bản" khác nhau trong đó quá trình này diễn ra trong những hồ nước thủy triều gần các miệng núi lửa dưới mặt nước, trên bề mặt của lớp bùn hoặc thậm chí ở bên ngoài không gian.

Nhưng những phân tử phức tạp đầu tiên là các protein hay DNA hay một loại gì khác? Các nhà sinh học đang đối mặt với vấn đề "con gà và quả trứng", bởi các protein cần thiết để tái tạo ra DNA nhưng DNA lại cần thiết để chỉ dẫn việc tạo thành các protein.

Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu nghĩ rằng RNA, anh em với DNA, có thể là những phân tử phức tạp đầu tiên mà sự sống đã lấy làm nền. RNA mang thông tin di truyền giống như DNA nhưng nó cũng chỉ đạo các phản ứng hóa học như là protein thực hiện.

Sự trao đổi chất đầu tiên

Tuy nhiên, Shapiro cho rằng cái được gọi là "thế giới RNA" vẫn quá phức tạp để là nguồn gốc của sự sống. Những phân tử mang thông tin như RNA là sự nối tiếp của một ít phân tử. Nước nguyên thủy sẽ đầy các thứ có thể kết thúc sự nối tiếp này trước khi chúng sinh trưởng lâu đủ để hữu ích.

"Vào buổi ban sơ, bạn có thể không có vật liệu di truyền có thể tự sao chép mình trừ phi bạn có các hóa chất trước sau đó thực hiện nó cho bạn", Shapiro nói.

Thay thế các phân tử phức tạp, sự sống khởi nguồn với những phân tử nhỏ tương tác thông qua một chu trình phản ứng khép kín. Những phản ứng này sản sinh ra các phức hợp có thể quay trở lại trong chu trình và tạo ra một hệ thống phản ứng sinh trưởng chưa từng có.

Thêm vào đó, hệ thống này có thể tiến triển bằng cách tạo ra những phân tử phức tạp hơn mà có thể trình diễn các phản ứng tốt hơn các phân tử nhỏ.

Căn nguyên của sự sống dựa trên những phân tử nhỏ được gọi là "sự trao đổi chất đầu tiên". Để trả lời những nhà chỉ trích cho rằng nền hóa học phân tử nhỏ không được tổ chức đủ để tạo thành sự sống, Shapiro đã giới thiệu những khái niệm về một phản ứng động mang tính năng lượng có ích mà có thể tác động như là một cỗ máy bền bỉ để chạy những chu trình khác nhau.

Vận hành bước đầu tiên của sự tiến hóa

Một "ứng cử viên tiềm năng" cho phản ứng động của Shapiro có thể đã được phát hiện gần đây trong một vi khuẩn dưới biển, methanosarcina acetivoran, giống ăn carbon monoxide và thải ra methane và acetate.

Nhà sinh học James Ferry và nhà địa hóa học Christopher House của Đại học Penn State đã phát hiện ra rằng những sinh vật nguyên thủy này có thể lấy năng lượng từ một phản ứng giữa acetate và khoáng sắt sulfide. So sánh với các tiến trình năng lượng vô hại khác yêu cầu hàng tá các protein, phản ứng dựa trên acetate này vận hành chỉ với sự giúp đỡ của hai protein rất đơn giản.

Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng chu trình địa hóa học này là những gì mà các sinh vật đầu tiên đã sử dụng để lấy năng lượng cho sự sinh trưởng của mình. Shapiro thì hoài nghi: Phải có thứ gì đó để tạo thành 2 prrotein này. Nhưng ông nghĩ khám phá này có thể là một chỉ dẫn đúng. "Chúng ta phải để tự nhiên dẫn dắt chúng ta", ông nói.

Vân An (Theo Live Science)