Từ (những) nguồn gốc khiêm tốn ban đầu, sự sống đã lan rộng ra toàn bộ hành tinh với những hình thức đẹp vô vàn. (Nguồn: pixabay.com)
Từ (những) nguồn gốc khiêm tốn ban đầu, sự sống đã lan rộng ra toàn bộ hành tinh với những hình thức đẹp vô vàn. Nguồn gốc của sự sống là sự kiện sinh học lâu đời nhất, xa xưa đến mức chẳng có bằng chứng rõ ràng nào còn sót lại ngoài sự tồn tại của chính nó. Điều này mở ra nhiều câu hỏi, và một trong những câu hỏi thú vị nhất là: đã bao lần sự sống khởi nguồn một cách kỳ diệu từ các yếu tố vô sinh?
Liệu tất cả sự sống trên Trái Đất chỉ tiến hóa từ một nguồn duy nhất, hay những sinh vật sống khác nhau được bắt nguồn từ những vật chất khác nhau? Và sự sống đã phải trải qua những gì để có thể khởi nguồn? Câu hỏi này đặc biệt thú vị bởi vì nó có thể làm sáng tỏ khả năng tìm thấy sự sống trên các hành tinh khác.
Nguồn gốc của sự sống là một câu hỏi trọng tâm trong sinh học hiện đại, và có lẽ cũng là câu hỏi khó nghiên cứu tìm câu trả lời nhất. Sự kiện này diễn ra cách đây bốn tỷ năm và ở cấp độ phân tử – nghĩa là có rất ít bằng chứng hóa thạch còn sót lại.
Người ta đã đặt ra nhiếu giả thuyết cho khởi nguồn của sự sống, từ nồi xúp nguyên thủy (primordial soup) * cho đến ngoài không gian. Nhưng sự đồng thuận khoa học hiện nay là sự sống khởi nguồn từ các phân tử vô sinh (non-living molecules) trong một quá trình tự nhiên gọi là abiogenesis (tạm dịch là phát sinh phi sinh học). Quá trình này rất có thể đã xảy ra ở các miệng phun thủy nhiệt (hydrothermal vent – một khe nứt trên bề mặt một hành tinh, tạo ra một vùng nước được hâm nóng bởi địa nhiệt) dưới biển sâu tăm tối. Nhưng nếu sự sống từng khởi nguồn một lần, tại sao không có thêm nhiều lần nữa?
* Primordial Soup: “Nồi xúp nguyên thủy” là một thuật ngữ do nhà sinh học Alexander Oparin người Liên Xô và khoa học gia John Burdon Sanderson Haldane người Anh giới thiệu. Năm 1924, hai ông đặt ra một lý thuyết về nguồn gốc sự sống trên Trái Đất thông qua sự biến đổi xuyên suốt trong quá trình tiến hóa hóa học dần dần của những thể hạt mang cacbon tại một không gian gọi là nồi xúp nguyên thủy. Tóm tắt lý thuyết “nồi xúp nguyên thủy” của Oparin và Haldane như sau:
1: Trái Đất thuở sơ khai có một bầu khí quyển mang tính khử về mặt hóa học.
2: Trong bầu khí quyển này, sự tương tác giữa các chất đã phát xuất năng lượng dưới nhiều dạng khác nhau, sản sinh ra những hợp chất hữu cơ đơn giản (chẳng hạn như các “đơn phân” (monome)).
3: Những hợp chất này được tích lũy dần dần thành một “nồi xúp” đậm đặc, tập trung tại nhiều địa điểm khác nhau (như bờ biển, miệng phun đại dương…)
4: Và bằng những biến đổi xa hơn nữa, nhiều hợp chất polyme hữu cơ phức tạp – và cả sự sống – đã phát triển từ nồi xúp này.
Quá Trình Abiogenesis (phát sinh phi sinh học) là gì?
Các khoa học gia đã đặt ra nhiều bước liên tiếp cho quá trình Abiogenesis. Chúng ta biết rằng Trái Đất rất giàu một số hóa chất, chẳng hạn như axit amin, một loại phân tử gọi là nucleotide hoặc đường, chúng là những khối giúp xây dựng sự. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như thí nghiệm Miller-Urey, đã chỉ ra cách các hợp chất này có thể được hình thành một cách tự nhiên trong các điều kiện tương tự như Trái Đất thuở sơ khai. Một số hợp chất này cũng có thể đã nằm trong các thiên thạch rơi xuống Trái Đất.
Tiếp theo, những phân tử đơn giản này kết hợp với nhau để tạo thành những phân tử phức tạp hơn, chẳng hạn như chất béo, protein hoặc axit nucleic. Điều quan trọng là các axit nucleic – chẳng hạn như DNA sợi kép hoặc RNA sợi đơn – có thể lưu trữ thông tin cần thiết để xây dựng các phân tử khác. DNA ổn định hơn RNA, nhưng bù lại, RNA có thể là một phần của các phản ứng hóa học trong đó một hợp chất tạo ra các bản sao của chính nó – nhân số (replication).
Theo giả thuyết về “thế giới RNA,” sự sống ban đầu có thể đã sử dụng RNA làm nguyên liệu cho cả gen và quá trình nhân số trước khi xuất hiện ADN và protein.
Khi một hệ thống thông tin có thể tạo ra các bản sao của chính nó, quá trình chọn lọc tự nhiên sẽ bắt đầu hoạt động. Một số bản sao mới của các phân tử này (một số người gọi là “gen”) sẽ có lỗi hoặc đột biến và một số đột biến mới này sẽ cải thiện khả năng nhân số của các phân tử. Do đó, theo thời gian, sẽ có nhiều bản sao của các đột biến này hơn các phân tử khác, một số sẽ tích lũy thêm các đột biến mới khiến chúng phát triển nhanh hơn và phong phú hơn…
Cuối cùng, những phân tử này có thể tạo ra một ranh giới lipid (chất béo) ngăn cách môi trường bên trong của sinh vật với môi trường bên ngoài, tạo thành các tế bào sơ khai (protocell). Các tế bào sơ khai có thể tập trung và tổ chức tốt hơn các phân tử cần thiết trong các phản ứng hóa sinh (biochemical reaction), mang lại sự trao đổi chất hiệu quả và nén bên trong tế bào.
Sự sống lặp lại?
Abiogenesis có thể đã xảy ra nhiều lần. Trái Đất có thể đã sản sinh ra các phân tử tự nhân số rất nhiều lần, và có thể sự sống ban đầu trong suốt hàng ngàn hoặc hàng triệu năm chỉ là một loạt các phân tử RNA khác nhau tự nhân số và có nguồn gốc độc lập. Tiếc thay, do tính chất cổ xưa và vi mô của quá trình này, chúng ta có thể không bao giờ biết chắc được.
Nhiều thí nghiệm đã tái tạo thành công các giai đoạn khác nhau của quá trình sinh sản, chứng minh rằng chúng có thể xảy ra nhiều lần, nhưng chúng ta vẫn không thể chắc chắn về những điều đã xảy ra trong quá khứ xa xôi.
Một câu hỏi khác có thể là liệu sự sống mới có đang xuất hiện bởi abiogenesis ngay trong thời điểm hiện hay hay không. Điều này là rất khó xảy ra. Trái Đất sơ khai chưa hề có sự sống và các điều kiện vật lý và hóa học cũng rất khác so với hiện nay. Ngày nay, nếu ở đâu đó trên hành tinh này có những điều kiện lý tưởng để các phân tử mới với khả năng tự nhân số xuất hiện, chúng sẽ nhanh chóng bị sự sống hiện tại nuốt chửng.
Những gì chúng ta biết là tất cả các sinh vật sống còn tồn tại đều có chung nguồn gốc từ một Tổ Tiên Chung Phổ Quát Cuối Cùng (Last Universal Common Ancestor, hay LUCA) duy nhất của sự sống. Nếu có các tổ tiên khác, cũng sẽ chẳng lưu lại hậu duệ. Những bằng chứng quan trọng ủng hộ sự tồn tại của LUCA. Tất cả sự sống trên Trái Đất đều sử dụng cùng một mã di truyền, đó là sự trao đổi thông tin giữa các nucleotide trong DNA được gọi là A, T, C và G – và axit amin mà chúng mã hóa trong protein. Thí dụ, trình tự của ba nucleotide ATG luôn trao đổi thông tin với axit amin methionine.
Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, có thể có nhiều biến thể mã di truyền hơn giữa các loài. Nhưng tất cả sự sống trên Trái Đất đều sử dụng cùng một mã với một vài thay đổi nhỏ trong một số họ. Các con đường sinh hóa, chẳng hạn như các con đường được sử dụng để chuyển hóa thức ăn, cũng hỗ trợ sự tồn tại của LUCA; nhiều con đường độc lập có thể đã tiến hóa ở các tổ tiên khác nhau, tuy nhiên một số (chẳng hạn như những con đường được sử dụng để chuyển hóa đường) lại giống nhau ở tất cả các sinh vật sống. Tương tự như vậy, hàng trăm gen giống hệt nhau hiện diện trong các sinh vật sống khác nhau, điều này chỉ có thể được giải thích là do được thừa hưởng từ LUCA.
Bằng chứng hỗ trợ cho LUCA thường được đưa ra nhất là Cây Sự Sống (Tree of Life). Có nhiều phân tích độc lập, một số sử dụng cả giải phẫu, trao đổi chất hoặc trình tự di truyền, đã tiết lộ một mô hình quan hệ có thứ bậc có thể được biểu diễn dưới dạng cây. Điều này cho thấy chúng ta có quan hệ họ hàng với giống tinh tinh (Chimpanzee) nhiều hơn bất kỳ sinh vật sống nào khác trên Trái Đất. Tinh tinh và chúng ta có quan hệ họ hàng nhiều hơn với khỉ đột, đười ươi, v.v...
Có thể chọn bất kỳ sinh vật ngẫu nhiên nào, từ rau diếp trong món salad cho đến vi khuẩn trong sữa chua, và nếu ta du hành ngược thời gian đủ xa, ta sẽ có chung một tổ tiên thực sự. Đây không phải là một phép ẩn dụ, mà là một thực tế khoa học.
Đây là một trong những khái niệm khó hiểu nhất trong khoa học, thuyết sự sống thống nhất của Darwin. Sự hiện diện của chúng ta ngày nay là nhờ một chuỗi các sự kiện sinh sản không bị gián đoạn từ hàng tỷ năm trước. Thật thú vị khi nghĩ về sự sống phát triển không ngừng trên hành tinh của chúng ta, hoặc đâu đó ngoài vũ trụ. Và thậm chí còn thú vị hơn khi biết rằng tất cả các sinh vật sống trên hành tinh đều có họ hàng với nhau.
Việt Báo phỏng dịch theo bài viết “Did life evolve more than once? Researchers are closing in on an answer” của Jordi Paps, giảng viên của School of Biological Sciences, University of Bristol. Bài viết được đăng trên trang Theconversation.
Gửi ý kiến của bạn
