Khởi đầu của sự sống

Phần đầu tiên trong loạt bài ba phần về lịch sử nghiên cứu nguồn gốc của sự sống.

Sự sống là gì? Nó đến từ đâu?

Liệu nó có phải là một phần của kế hoạch thần thánh, hay chỉ là một tai nạn hóa học ngoạn mục? Chúng ta có cô độc trong vũ trụ không? Nếu không, sự sống ở những nơi khác sẽ tương tự như trên Trái Đất hay hoàn toàn khác biệt? Và nếu khác biệt, làm thế nào chúng ta có thể phát hiện hoặc nhận ra nó?

Đây là những câu hỏi mà nhân loại đã suy ngẫm từ lâu. Những câu hỏi này ngày càng được chú ý hơn khi các hành tinh giống Trái Đất bên ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta được phát hiện gần đây. Sự phấn khích về khả năng tìm thấy sự sống ở nơi khác đang gia tăng từng ngày.

Tuy nhiên, hầu hết những câu hỏi cơ bản này – những câu hỏi liên quan trực tiếp đến ý nghĩa và nguồn gốc của sự tồn tại của chính chúng ta – vẫn chưa được giải đáp hoàn toàn hoặc hiểu rõ.

Theo Kinh Thánh, Chúa đã tạo ra mọi sự sống trên Trái Đất. Trong một tuần sáng tạo, Chúa đã tạo ra cây cối vào ngày thứ ba, cá trong biển và chim trên trời vào ngày thứ năm, và mọi động vật trên cạn, bao gồm cả con người, vào ngày thứ sáu. Rất ít người còn tin theo câu chuyện này một cách tuyệt đối, nhưng trong nhiều thế kỷ ở thế giới phương Tây, câu chuyện sáng tạo này là câu trả lời không thể nghi ngờ về nguồn gốc của sự sống.

Thậm chí, giữa những nhà triết học thời xưa, các câu hỏi về nguồn gốc sự sống hiếm khi vượt ra ngoài sự huyền bí. Nhưng theo thời gian, khoa học bắt đầu cân nhắc đến các khả năng khác – bắt đầu với người Ai Cập cổ đại, những người quan sát thấy ếch xuất hiện từ bùn sau mỗi đợt lũ hàng năm của sông Nile. Điều này dẫn đến niềm tin vào sự tự sinh – ý tưởng rằng sự sống nảy sinh một cách tự nhiên từ vật chất không sống. Nhà triết học Hy Lạp Aristotle là người đầu tiên hệ thống hóa lý thuyết này trong các tác phẩm của ông.

Niềm tin vào sự tự sinh và những tranh cãi đầu tiên

Quan niệm về sự tự sinh được mô tả bởi nhà hóa học và bác sĩ người Flemish thế kỷ 17, Jean-Baptiste van Helmont, người đã viết:

Nếu bạn đặt một chiếc quần lót dơ mồ hôi cùng với một ít lúa mì trong một cái lọ hở miệng, sau khoảng 21 ngày mùi sẽ thay đổi và chất lên men từ chiếc quần lót sẽ thấm qua vỏ lúa mì và biến lúa mì thành chuột.

Rõ ràng là ông đã nhầm (chuột đã bò vào trong lọ), nhưng Van Helmont là một nhà khoa học đáng kính và sáng tạo thời bấy giờ, thường được coi là người sáng lập ngành hóa học khí (ông thậm chí đã đặt ra từ khí). Tuy nhiên, ông vẫn tin tưởng vào ý tưởng về sự tự sinh của Aristotle.

Khái niệm sự tự sinh không hoàn toàn không bị thách thức. Một trong những người phê bình nổi bật đầu tiên là nhà tự nhiên học và nhà thơ người Ý thế kỷ 17, Francesco Redi. Được coi là người sáng lập sinh học thực nghiệm, Redi đã thực hiện các thí nghiệm cẩn thận để chứng minh rằng giòi không xuất hiện tự nhiên từ thịt thối, mà đến từ trứng của ruồi. Do đó, ông kết luận rằng mọi sự sống đều bắt nguồn từ trứng. Tuy nhiên, có một vấn đề nhỏ: không ai thực sự nhìn thấy trứng của ruồi.

Những cải tiến của Antonie van Leeuwenhoek

Trong nửa sau của thế kỷ 17, nhà sản xuất vải và thương gia người Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek đã cải tiến đáng kể chất lượng của thấu kính lúc bấy giờ. Ban đầu, ông dùng chúng để kiểm tra các sợi chỉ mịn trong vải của mình. Tuy nhiên, với niềm đam mê khoa học tự nhiên, ông đã sử dụng các thấu kính này để quan sát các động vật nhỏ như ruồi và bọ chét. Thực tế, các thấu kính của ông tốt đến mức có thể nhìn thấy trứng của những sinh vật này.

Thêm vào đó, van Leeuwenhoek đã phát hiện sự tồn tại của các sinh vật đơn bào, hay còn gọi là vi sinh vật. Ông đã viết nhiều bức thư gửi cho Hội Hoàng gia ở London mô tả những động vật tí hon mà ông gọi là animalcules. Cho đến ngày nay, Van Leeuwenhoek được ghi nhớ như là cha đẻ của ngành vi sinh học nhờ các khám phá và quan sát của ông.

Trứng xuất hiện từ hư không?

Nhưng vấn đề về sự tự sinh vẫn tồn tại. Các vi sinh vật của Van Leeuwenhoek dường như không đẻ trứng. Thực tế, chúng dường như xuất hiện từ hư không. Liệu có thể chỉ riêng vi sinh vật là nảy sinh tự nhiên từ vật chất không sống?

Vấn đề này vẫn chưa được giải quyết trong suốt hai thế kỷ tiếp theo. Nhưng cuối cùng, vào năm 1862, nhà khoa học người Pháp Louis Pasteur đã giành được giải thưởng từ Viện Hàn lâm Khoa học Pháp khi chính thức bác bỏ ý tưởng về sự tự sinh. Ông đã làm điều này bằng một loạt các thí nghiệm đơn giản nhưng thông minh.

Pasteur đã đổ đầy một số bình với nước dùng vô trùng. Một số bình được bịt kín, số khác được để mở, và ở một số bình khác ông gắn một cổ cong hình thiên nga để chỉ có không khí vào được nhưng các hạt bụi sẽ lắng ở phần cong. Trong các bình để mở, vi khuẩn xuất hiện trong nước dùng trong vài ngày. Nhưng ở các bình khác, vi khuẩn chỉ xuất hiện sau khi cổ bình bị bẻ gãy. Điều này chứng tỏ rằng vi khuẩn (mới) chỉ có thể xuất hiện trong nước dùng khi các vi khuẩn (sống) khác có thể tiếp cận qua các hạt bụi lơ lửng trong không khí. Pasteur kết luận rằng mọi sự sống đều bắt nguồn từ sự sống, bao gồm cả vi khuẩn.

Lý thuyết tiến hóa của Charles Darwin

Cũng vào thời gian đó, năm 1859, nhà tự nhiên học người Anh Charles Darwin xuất bản cuốn sách Nguồn gốc các loài, giới thiệu lý thuyết tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên của mình. Một trong những ý tưởng mà Darwin đưa ra là tiến hóa như một quá trình phân nhánh. Quan niệm về tiến hóa – tức là loài biến đổi theo thời gian – đã khá được chấp nhận trong giới sinh học thời của Darwin. Nhưng hầu hết các nhà khoa học này nghĩ rằng tiến hóa diễn ra trong các dòng loài riêng lẻ và độc lập. Nói cách khác, ngựa có thể tiến hóa, nhưng vẫn là ngựa. Và điều tương tự đối với thỏ, hay bất kỳ loài nào khác.

Darwin đã đề xuất một ý tưởng khác, đó là sự phân nhánh: một dòng loài cho ra đời hai dòng loài mới và tiến hóa độc lập, sau đó mỗi dòng lại có thể phân nhánh thêm. Những loài chim sẻ Galápagos mà ông đã nghiên cứu trở thành một ví dụ nổi tiếng cho sự phân nhánh này. Điều này tạo ra một cấu trúc giống như cây thay vì các dòng độc lập.

Cây sự sống này ngụ ý rằng các loài có quan hệ gần gũi (như con người và tinh tinh) có chung một tổ tiên mà từ đó cả hai tiến hóa. Tương tự, các nhóm loài (chẳng hạn như tất cả các loài động vật có vú) cũng có một tổ tiên chung từ xa xưa. Và, suy luận đến cùng, tất cả sự sống phải có một (hoặc tối đa là vài) tổ tiên chung. Điều này được đại diện bởi điểm 1 trong phác thảo của Darwin.

Vậy nên, khi mọi sự sống đều bắt nguồn từ sự sống (Pasteur) và mọi sự sống đều có tổ tiên chung (Darwin), câu hỏi còn lại là tổ tiên chung đầu tiên này đến từ đâu.

Cuối cùng, nguồn gốc của sự sống đã trở thành một vấn đề khoa học thực sự.

Darwin thực ra viết rất ít về nguồn gốc của sự sống. Nhưng ý tưởng của ông về vấn đề này được thể hiện rất rõ ràng trong một bức thư gửi cho bạn ông là Joseph Hooker:

Thường thì người ta nói rằng mọi điều kiện cho sự xuất hiện đầu tiên của một sinh vật sống đều hiện diện, điều mà trước đây cũng đã có. Nhưng nếu (và ôi một chữ nếu lớn biết bao) ta có thể hình dung rằng trong một cái hồ ấm nhỏ nào đó với các loại muối amoniac và phosphor, ánh sáng, nhiệt, điện, hiện diện, một hợp chất protein đã được hình thành, sẵn sàng trải qua những thay đổi phức tạp hơn nữa… thì vào thời điểm hiện nay vật chất này sẽ bị tiêu thụ hoặc hấp thụ ngay lập tức, điều mà trước khi sinh vật sống được hình thành sẽ không xảy ra.

Điều này chắc chắn đã đặt nền móng cho nghiên cứu khoa học thực sự về nguồn gốc của sự sống. Nhưng phải đến thế kỷ tiếp theo, vấn đề này mới có thể được tiếp cận một cách nghiêm túc, đặc biệt là trong các thí nghiệm.