Sự sống bắt đầu như thế nào?

Phần thứ hai trong loạt ba phần về lịch sử nghiên cứu nguồn gốc của sự sống.

Làm thế nào sự sống bắt đầu?

Là một sinh viên trẻ tại Nga, Alexander Oparin đã học về thuyết tiến hóa của Darwin bằng chọn lọc tự nhiên. Tuy nhiên, mặc dù đó là một lý thuyết thuyết phục về cách sự sống trên Trái Đất đã phát triển, nó lại không nói gì về cách nó bắt đầu.

Oparin quyết định cống hiến sự nghiệp khoa học của mình cho vấn đề quan trọng này. Năm 1924, ông xuất bản một cuốn sách ngắn (bằng tiếng Nga) với tiêu đề đơn giản Nguồn Gốc Của Sự Sống. Lấy cảm hứng từ Darwin, Oparin cơ bản đã phác thảo một lý thuyết về tiến hóa hóa học.

Tiến hóa hóa học của Oparin

Đầu tiên, Oparin quan sát thấy rằng các sinh vật sống chủ yếu được tạo thành từ một số nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ: carbon, hydro, oxy và nitơ. Tiếp theo, ông cho rằng Trái Đất sơ khai có một môi trường khác hẳn so với ngày nay. Đặc biệt, ông cho rằng bầu khí quyển chủ yếu gồm có methane, amoniac, hydro và hơi nước. Đây là một ý tưởng hoàn toàn mới vào thời đó. Cuối cùng, ông giải thích cách các nguyên tố này có thể trải qua các phản ứng hóa học, được thúc đẩy bởi lượng bức xạ tử ngoại cao hơn đã từng chiếu xuống Trái Đất khi đó.

Các phản ứng hóa học này có thể đã hình thành các hợp chất mới, và tiếp tục hình thành các hợp chất phức tạp hơn, và cứ tiếp tục như vậy. Cuối cùng, điều này có thể dẫn đến một dạng cạnh tranh và chọn lọc giữa các hợp chất khác nhau này, dẫn đến sự xuất hiện của những cấu trúc phân tử có khả năng tái tạo nhanh hơn hoặc ổn định nhất. Thật vậy, một quá trình tiến hóa hóa học thực sự có thể dẫn đến những thực thể giống sự sống đầu tiên.

Thuyết của Haldane

Với cuốn sách của Oparin được xuất bản bằng tiếng Nga, lý thuyết của ông ban đầu vẫn chưa được biết đến ở phương Tây. Tuy nhiên, một lý thuyết tương tự đáng kinh ngạc đã được nhà khoa học người Anh J. B. S. Haldane phát triển độc lập. Haldane xuất bản lý thuyết của mình vào năm 1929, trong một bài tiểu luận cũng mang tựa đề Nguồn Gốc Của Sự Sống. Sau này, Haldane đã công nhận đầy đủ công lao của Oparin, người đã dành cả cuộc đời mình để giải quyết vấn đề nguồn gốc của sự sống, trong khi đối với Haldane, đây chỉ là một trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu của ông. Bên cạnh việc giới thiệu một lý thuyết khoa học đầu tiên cho nguồn gốc của sự sống, ông cũng trở thành một trong những người sáng lập lĩnh vực di truyền học quần thể.

Cuối cùng, lý thuyết kết hợp của Oparin và Haldane trở nên nổi tiếng với tên gọi là giả thuyết Oparin–Haldane, hoặc được yêu mến gọi là _lý thuyết súp nguyên thủy. Nhưng phải mất vài thập kỷ nữa trước khi một số ý tưởng này có thể được thử nghiệm thực nghiệm.

Thí nghiệm của Stanley Miller

Năm 1953, sinh viên sau đại học người Mỹ Stanley Miller, 23 tuổi, đã công bố một bài báo trên tạp chí danh tiếng Science, báo cáo về một thí nghiệm mà ông đã thực hiện. Cùng với người giám sát của mình, nhà Nobel Harold Urey, Miller đã thiết kế một thiết bị để mô phỏng những gì được cho là môi trường đại dương-khí quyển của Trái Đất sơ khai. Hơi nước được chạy qua một hỗn hợp methane, amoniac và hydro, và tia điện (mô phỏng sét) được sử dụng để kích thích các phản ứng hóa học. Sau khi chạy thí nghiệm trong khoảng một tuần, Miller phát hiện ra một số axit amin trong hỗn hợp thu được. Axit amin là các khối xây dựng cơ bản của protein, các phân tử thiết yếu trong các sinh vật sống.

Kết quả của Miller đã gây ảnh hưởng lớn trong cộng đồng khoa học, vì chúng được coi là bằng chứng thực nghiệm cho giả thuyết Oparin–Haldane. Qua nhiều năm, Miller tiếp tục làm việc với thí nghiệm của mình, cải tiến thiết bị và tinh chỉnh phương pháp. Kết quả của ông cũng được xác nhận bởi các nhà khoa học khác, những người đã lặp lại thí nghiệm của ông một cách độc lập. Năm 1983, 50 năm sau khi xuất bản nghiên cứu ban đầu, Miller đã được trao huy chương Oparin bởi Hiệp hội Quốc tế Nghiên cứu Nguồn gốc của Sự sống (ISSOL).

Các điều kiện trên Trái Đất sơ khai

Các thí nghiệm của Miller cũng đặt ra câu hỏi về điều kiện trên Trái Đất sơ khai. Hỗn hợp ban đầu của Miller có chính xác hoặc ít nhất gần đúng không? Giờ đây, đã khá rõ ràng rằng Trái Đất hình thành khoảng 4,6 tỷ năm trước. Khoảng 4 tỷ năm trước, khi bắt đầu một thời kỳ địa chất gọi là Thái cổ (Archean Eon), Trái Đất đã nguội đủ để các lục địa hình thành. Bằng chứng sớm nhất về sự sống có từ 3,5-3,7 tỷ năm trước. Mặc dù nhiều điều đã được biết đến, nhưng các điều kiện chính xác trong thời kỳ Archean sơ khai, đặc biệt là trong đại dương và khí quyển, vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động trong lĩnh vực nghiên cứu nguồn gốc của sự sống. Thú vị thay, các kết quả tương tự với kết quả ban đầu của Miller cũng đã thu được từ các hỗn hợp khởi đầu khác nhau.

Bước đột phá của Watson & Crick

Cùng năm Miller công bố kết quả của mình, các nhà nghiên cứu James Watson và Francis Crick đã công bố một bài báo ngắn trên một tạp chí danh tiếng khác là Nature. Watson và Crick đã đề xuất một cấu trúc đặc biệt cho một phân tử gọi là acid deoxyribonucleic, hoặc DNA. Người ta đã giả định rằng các phân tử DNA chứa thông tin di truyền của một sinh vật, được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Nhưng cấu trúc của phân tử này chưa được biết đến – cũng như cách nó lưu trữ thông tin di truyền.

Watson và Crick đề xuất rằng DNA bao gồm hai chuỗi nucleotide bổ sung, tạo thành một cấu trúc xoắn kép. Như vậy, nucleotide là các khối xây dựng cơ bản của DNA, giống như axit amin là các khối xây dựng cơ bản của protein. Cấu trúc được đề xuất của họ dựa vào một hình ảnh tinh thể học X-quang của DNA từ các đồng nghiệp Rosalind Franklin và Maurice Wilkins. Năm 1962, Watson, Crick và Wilkins đã nhận giải Nobel cho khám phá của họ. (Vẫn còn câu hỏi tại sao Franklin, người đã qua đời vào năm 1958, không được công nhận trong giải thưởng này.)

DNA mã hóa thông tin di truyền như thế nào?

Với cấu trúc của DNA đã được biết đến, các nhà khoa học nhanh chóng tìm ra cách nó mã hóa thông tin di truyền. Hóa ra, DNA được dịch mã thành protein bởi một bộ máy phân tử phức tạp. Đặc biệt, chuỗi nucleotide cụ thể trong một gen (một đoạn DNA) xác định chuỗi axit amin cụ thể trong một protein. Và chuỗi axit amin cụ thể trong một protein xác định chức năng hóa học của nó. Ví dụ, một protein có thể trở thành một phần của tế bào cơ, trong khi một protein khác có thể giúp bạn tiêu hóa thức ăn, v.v.

Hơn nữa, một số protein trở thành một phần của chính bộ máy phân tử được sử dụng để dịch mã DNA thành protein. Nói cách khác, có một sự phụ thuộc vòng tròn giữa DNA và protein. Cả hai cần nhau để hình thành một tế bào sống. Do đó, trong vài thập kỷ sau các khám phá của Miller, Watson và Crick, câu hỏi về nguồn gốc của sự sống xoay quanh vấn đề trứng – gà về cái nào xuất hiện trước, DNA hay protein?

Cuối cùng, người ta dần chấp nhận rằng câu trả lời có thể là không phải cái nào trong hai cái. Hóa ra, có một phân tử quan trọng khác liên quan đến bộ máy dịch mã DNA thành protein: acid ribonucleic, hoặc RNA. Giống như DNA, RNA được tạo thành từ các nucleotide. Tuy nhiên, không giống như DNA, RNA chỉ gồm một chuỗi đơn. Điều này cho phép nó hoạt động hóa học mạnh mẽ hơn so với DNA.

Do cấu trúc tương tự, RNA cũng có thể lưu trữ thông tin di truyền, giống như DNA. Và do tính chất hóa học mạnh mẽ hơn của nó, RNA cũng có thể thực hiện một số chức năng hóa học, giống như protein. Vì vậy, không phải là phi lý khi đề xuất rằng có lẽ RNA xuất hiện trước, trước cả DNA và protein, nhưng thực hiện vai trò của cả hai. Đề xuất này được biết đến với tên gọi giả thuyết thế giới RNA, một thuật ngữ được đặt ra trong một bài báo ngắn của nhà Nobel Walter Gilbert trên tạp chí Nature, được xuất bản năm 1986.

Các lý thuyết khác phát triển

Bất chấp sự thống trị của quan điểm thế giới RNA, các giả thuyết và lý thuyết khác cũng đã được phát triển qua nhiều năm. Có lẽ giả thuyết có vẻ hợp lý nhất là sự sống bắt đầu trong các miệng phun thủy nhiệt. Một miệng phun thủy nhiệt là một vết nứt trên đáy đại dương, thường nằm gần ranh giới các mảng kiến tạo, nơi nước được đun nóng bởi địa nhiệt tràn vào vùng nước lạnh xung quanh.

Giả thuyết về thế giới RNA nhanh chóng thống trị lĩnh vực nghiên cứu nguồn gốc của sự sống. Một cuộc chạy đua bắt đầu nhằm tìm kiếm, hoặc tạo ra, một phân tử RNA có khả năng tự tái tạo – tức là một phân tử RNA có thể tự tạo bản sao của chính nó, nucleotide theo nucleotide, hoàn toàn tự thực hiện.

Mặc dù nhiều nghiên cứu khoa học thú vị đã ra đời từ chương trình nghiên cứu này, hơn 30 năm trôi qua mà vẫn chưa tìm thấy được một phân tử RNA tự sao chép như vậy.

Các lý thuyết khác phát triển

Bất chấp sự thống trị của quan điểm về thế giới RNA, qua nhiều năm cũng có các giả thuyết và lý thuyết khác được phát triển. Có lẽ giả thuyết có vẻ hợp lý nhất là sự sống bắt đầu từ các miệng phun thủy nhiệt. Miệng phun thủy nhiệt là một khe nứt trên đáy đại dương, thường nằm gần ranh giới các mảng kiến tạo, nơi nước được đun nóng bởi nhiệt địa chất tràn vào vùng nước lạnh xung quanh.

Nguồn nước nóng này cũng giàu các loại hóa chất khác nhau, được sinh ra từ các hoạt động địa nhiệt và đá ở lớp vỏ phía dưới. Sự kết hợp giữa dòng năng lượng và hóa chất liên tục có thể đã cung cấp các điều kiện thích hợp cho một quá trình tiến hóa hóa học, hướng tới việc hình thành các khối xây dựng cơ bản của sự sống, chẳng hạn như nucleotide và axit amin.

Năm 2008, một bài tổng quan của một số nhà nghiên cứu đầu tiên và nổi bật nhất của giả thuyết này đã được xuất bản trên một trong các tạp chí thuộc hệ thống Nature. Gần đây hơn, một lý thuyết thay thế khác cho rằng sự sống có nguồn gốc từ các hồ đá thủy nhiệt trên bề mặt Trái Đất. Trong kịch bản này, các chu kỳ khô-ướt (như chu kỳ thủy triều hoặc chu kỳ mưa-bốc hơi) cung cấp một lực thúc đẩy quan trọng cho quá trình hình thành các phân tử như RNA và protein.

Nghiên cứu tập trung vào màng tế bào

Một lĩnh vực nghiên cứu năng động khác tập trung vào màng tế bào. Tất cả các dạng sống trên Trái Đất đều bao gồm các tế bào, với một ranh giới được xác định rõ ràng dưới dạng một màng tế bào. Các khối xây dựng cơ bản của màng tế bào là lipid, như axit béo. Như đã được phát hiện, trong những điều kiện thích hợp, lipid tự động kết tụ thành các lớp tự khép kín, tạo thành các ngăn cách.

Thêm vào đó, các ngăn cách lipid này có thể tự tăng trưởng và thậm chí tự phân chia một cách tự nhiên. Điều này đã dẫn đến ý tưởng về một thế giới lipid như là điểm khởi đầu của sự sống (dưới dạng tế bào).

Hóa học tiền sinh học

Cả ý tưởng về thế giới RNA và thế giới lipid đều chủ yếu tập trung vào một loại phân tử. Tuy nhiên, hóa học tiền sinh học vốn rất hỗn độn, bao gồm nhiều loại phân tử khác nhau.