Cội nguồn sự sống

Cội nguồn sự sống là quá trình phát triển tự nhiên từ vật chất vô cơ thông qua sự phức tạp hóa các hợp chất cacbon, hình thành các đại phân tử protein và các nucleic làm thành một hệ tương tác có khả năng tự nhân bản và tự đổi mới.

Một hòn đá stromatolites (một loại đá trầm tích cổ, thường chứa các loại vi khuẩn hóa thạch) tìm thấy ở công viên quốc gia Glacier, Mỹ. Vào năm 2002, William Schopf của UCLA đã cho rằng mẫu đá này đã có từ 3.5 tỉ năm trước.Xem thêm ở Is this life?. Nếu đúng, đây có thể là hình thái sự sống đầu tiên trên Trái Đất.

Nghiên cứu về nguồn gốc sự sống là một trong những lĩnh vực được biết đến rất hạn chế mặc dầu hầu hết những hiểu biết của con người về bộ môn sinh học và thế giới tự nhiên là dựa trên nó. Mặc dù công việc nghiên cứu về lĩnh vực này rất chậm nhưng nó luôn luôn thu hút sự chú ý của nhiều người bởi vì đây là một câu hỏi rất lớn và rất khó. Một số những sự kiện đã cho chúng ta biết một phần điều kiện tạo nên sự sống, nhưng cơ chế bên trong tạo nên sự sống vẫn là một điều bí ẩn.

Những tư tưởng về sự sống đầu tiên: Aristotle, Pasteur, Darwin, Oparin

Vào thế kỉ thứ 4 trước Công nguyên, Aristotle đã trình bày dựa trên những điều mà con người thời đó biết được, ít nhất là ở châu Âu, rằng những vật thể sống phát sinh từ những vật thể không sống. Ví dụ như bọ chét và chuột phát sinh từ những đống rác cũ hay bột mì, những con giòi và ruồi trong thịt thối, rệp trong sương. Cuộc sống, nói ngắn gọn hơn, là bắt nguồn từ sự phát triển tự nhiên.

Những nhà khoa học đầu thế kỉ 18 đã lật đổ những học thuyết của Aristotle, nhưng phải đến những thí nghiệm của Louis Pasteur vào năm 1862 người ta mới chắc chắn rằng một nơi đã được vô trùng thì sẽ vĩnh viễn không có bất cứ sinh vật nào phát sinh trong nó được nữa. Ngoài ra ông cũng cho rằng sự sống chỉ có thể phát sinh từ những cơ thể sống phức tạp khác. Những công trình của Pasteur có thể được tóm tắt trong một định luật mà ngày nay chính là nền tảng của thuyết tiến hóa hiện đại: Định luật phát sinh sinh vật: "Mọi cuộc sống đều bắt đầu từ trứng" (nguyên bản tiếng Latinh omne vivum ex ovo). Và thực tế thuyết tiến hóa sinh học không hề có nhiệm vụ chứng minh sự sống từ đâu ra (cũng giống như thuyết vạn vật hấp dẫn không có nhiệm vụ chứng minh trọng lực từ đâu xuất hiện), nó chỉ có nhiệm vụ giải thích sự đa dạng mà thống nhất và thống nhất trong sự đa dạng của sự sống. Tuy nhiên sự sống hoàn toàn có thể bắt nguồn từ các chất hữu cơ đơn giản (abiogenesis).Trong tiếng Việt gọi là tiến hóa hóa học^[1]^[2]^[3]

Ngành khoa học sinh vật hiện đại đang phải đương đầu với một câu hỏi cao hơn: sự sống bắt nguồn "đầu tiên" ở đâu? Pasteur đã chứng minh rằng những sinh vật bậc cao không thể phát sinh một cách tự nhiên. Lý thuyết về tiến hóa của Charles Darwin đã đưa ra một cơ chế để giải thích điều này: sinh vật phải mất hàng triệu năm để tiến hóa từ những dạng cơ bản, nhưng nó sẽ không mang những đặc điểm như lúc trước nữa, nhưng những sinh vật cơ bản ấy sẽ từ đâu ra? Darwin rất quan tâm đến vấn đề này. Trong một lá thư gửi cho Joseph Dalton Hooker ngày 1 tháng 2 năm 1871, Darwin đã cho rằng sự sống bắt nguồn từ "một cái hồ nước ấm áp có chứa đầy các loại muối ammonia và phosphat, ánh sáng, nhiệt độ, điện,... để các hợp chất protein có thể hình thành và trải qua những biến đổi phức tạp". Tiếp theo đó, Darwin tìm cách lý giải luận điểm của mình "vào bây giờ, những điều kiện như thế nếu tồn tại sẽ bị biến mất ngay lập tức, ngoại trừ trước khi tất cả các sinh vật sống được sinh ra". Nói một cách khác, sự khai sinh các dạng sống phức tạp có thể một phần nào ngăn cản sự tạo thành những hợp chất hữu cơ cơ bản trên Trái Đất, một điều kiện khiến cho việc đi tìm câu trả lời cho câu hỏi trên nằm trong phòng thí nghiệm.

Câu trả lời cho câu hỏi của Darwin vẫn nằm ngoài tầm hiểu biết của khoa học hiện đại, và hầu như không có một tiến bộ nào trong lĩnh vực này vào thế kỉ 19. Năm 1936, Aleksandr Ivanovich Oparin, trong cuốn sách nổi tiếng của mình "The Origin of Life on Earth" (Nguồn gốc của sự sống trên Trái Đất), đã cho thấy rằng sự hiện diện của không khí chứa oxy và những hình thái sống phức tạp đã ngăn cản những chuỗi phản ứng có thể tạo nên sự sống. Oparin còn cho rằng, một "món súp nguyên thủy" với những hợp chất hữu cơ chỉ có thể tạo thành ở những nơi thiếu oxy, qua ánh sáng Mặt Trời. Sau đó, ông cho rằng chính những hợp chất hữu cơ cao phân từ hòa tan trong nước thành các dung dịch keo, các dung dịch keo này có thể hòa tan vào nhau tạo thanh những giọt rất nhỏ gọi là coacervate. Những giọt này có thể lớn lên nhờ hấp thụ các giọt khác, có thể sinh sản khi có những tác động cơ giới chia nó ra làm các hạt nhỏ hơn, do đó nó có các tính chất cơ bản của một tế bào nguyên thủy. Tất cả những học thuyết hiện đại đều khởi đầu từ những luận điểm của Oparin^[4]^[5].

Những thuyết hình thành sự sống hiện đại

Trong thực tế không có một thuyết chuẩn nào về nguồn gốc sự sống. Tuy nhiên, những thuyết được người ta chấp nhận nhiều nhất đều được xây dựng trên một số những phát hiện về cấu trúc phân tử và tế bào. Chúng bao gồm những luận điểm sau:

Ở những điều kiện thích hợp, những vật chất không sống có thể tạo nên những phần cấu tạo nên tế bào sống, như amino acid. Điều này đã được chứng minh qua thí nghiệm Urey-Miller do Stanley L. Miller và Harold C. Urey vào năm 1953.
Những hợp chất phospholipid với độ dài thích hợp có thể tạo nên màng lipid, một trong hai thành phần chủ yếu của màng tế bào.
Quá trình trùng hợp của nucleotide trở thành những mạch RNA ngẫu nhiên dẫn đến sự nhân đôi các ribozyme (giả thuyết về "Thế giới RNA" của Carl Woesoe).
Những thúc đẩy tự nhiên về tính xúc tác tốt và tính đa dạng đã tạo nên các ribozyme có khả năng chuyển hóa peptide thành các hạt protein nhỏ. Từ đó, các oligopeptide cùng với RNA tạo thành những chất xúc tác tốt hơn hình thành. Do đó sinh ra các hạt ribosome, làm cho sự hình thành các protein được dễ dàng hơn.
Protein đã vượt qua ribozhyme về khả năng xúc tác, và trở thành một lớp màng sinh học cơ bản nhất. Acid nucleic chỉ còn tìm thấy trong các gen tế bào.

Nguồn gốc của các tế bào, trong khi chưa được rõ ràng, có thể gây ra tranh cãi về mức độ quan trọng và thứ tự của bước 2 và 3. Những hợp chất vô cơ và hữu cơ cơ bản nhất tạo nên sự sống là methane (CH₄), ammonia (NH₃), nước (H₂O), hydro sulfide (H₂S), carbon dioxide (CO₂) và phosphat (PO₄^3-). Cho đến năm 2006, chưa có một ai đã điều chế nhân tạo được một tế bào nguyên mẫu từ những chất cơ bản. Nhà sinh vật học John Desmond Bernal, đã đưa ra ba quá trình mà qua đó sự sống hình thành:

Bước 1: Sự hình thành các monomer

Bước 2: Sự hình thành các polymer

Bước 3: Sự tiến hóa từ các cấp độ phân tử lên đến tế bào

Bernal còn cho rằng: sự chọn lọc tự nhiên như Darwin có thể bắt đầu từ rất sớm, có khi từ giữa giai đoạn 1 và 2.

Nguồn gốc của các chất hữu cơ: Miller, Eigen và Wächtershäuser

Thí nghiệm Miller (do Harold Urey và học trò của mình là Stanley Miller) thực hiện vào năm 1953 nhằm tái tạo lại những điều kiện được cho rằng có từ lúc Trái Đất xuất hiện. Thí nghiệm sử dụng một hỗn hợp các chất khí như: methane, ammonia và hydro. Tuy nhiên, tỉ lệ của các chất khí trong khí quyển Trái Đất cổ đại vẫn là một điều gây tranh cãi. Đã có thời người ta nghĩ rằng một lượng oxy đáng kể trong bầu khí quyển, nhưng chính oxy lại ngăn cản sự hình thành các hợp chất hữu cơ.

Thí nghiệm cho thấy với những mắt xích hữu cơ đơn giản như amino acid có thể trùng hợp tạo thành một khối vật chất sống. Những chất hữu cơ cơ bản dĩ nhiên là khác xa so với những tế bào có thể tự sinh sản được. Tuy nhiên, trong một môi trường mà chưa có sự sống nào hình thành trước thì các chất hữu cơ này sẽ được tích trữ lại và đến một lúc nào đó sẽ có một sự tiến hóa hóa học. Hơn nữa, sự hình thành các polymer phức tạp từ các monomer dưới những điều kiện như thế không phải là một quá trình dễ dàng. Bên cạnh những monomer cần thiết, những hỗn hợp có tác dụng ngăn cản sự hình thành các polymer. Hơn nữa, theo như Brooks và Shaw trong cuốn Origins and Development of Living Systems (Nguồn gốc và sự phát triên của các hệ thống sống), không có một dấu hiệu địa lý nào cho thấy tồn tại sự tích tụ các chất hữu cơ như trên:

"Nếu có sự tích tụ nào của các chất hữu cơ, chúng ta nên hi vọng sẽ tìm được một nơi nào đó trên Trái Đất mà trầm tích chứa đầy nhưng hợp chất hữu cơ chứa nitơ, acid, chất khử, khoáng lưu huỳnh hay những thứ gì đó tương tự như thế; hay trong những trầm tích đã biến đổi, chúng ta ít nhất cũng phải tìm được những hợp chất nitơ. Thực tế là những chất như thế vẫn còn chưa được tìm thấy trên Trái Đất.

Một số nguồn khác tạo thành các hợp chất hữu cơ phức tạp đã được công nhận: ví dụ như những yếu tố từ ngoài Trái Đất như các thiên thạch. Ví dụ như trong phân tích quang phổ, các hợp chất hữu cơ đã được tìm thấy trong các thiên thạch và cả sao chổi. Vào 2004, một số hydrocarbon thơm đa vòng (PAH, viết tắt của polycyclic aromatic hydrocarbon) đã được tìm thấy khi quan sát các tinh vân. Sự hiện diện của PAH chính là nguồn gốc của "thế giới RNA" trong giả thuyết "thế giới PAH".

Có một số tranh cãi rằng vấn đề chủ yếu vẫn chưa được trả lời bằng thuyết này là làm cách nào mà những phân tử hữu cơ đơn giản lại có thể hình thành nên những hợp chất hữu cơ phức tạp, tương tác với nhau như thế nào để tạo thành một tế bào. Ví dụ, trong một môi trường nước, sự thủy phân các polymer tạo thành các monomer có ưu thế hơn sự ngưng tụ các monomer thành polymer. Thí nghiệm Miller cũng đã tạo thành những chất chắc chắn phải phản ứng với amino acid, từ đó, chấm dứt chuỗi peptide.

Vào đầu thập kỉ 1970, một vấn đề lớn được phát hiện về nguồn gốc sự sống đã được phát hiện bởi một nhóm nhà khoa học tại Hiệp hội Max Planck. Họ tìm các xem xét những bước tạm thời trong phản ứng giữa những chất trong "món súp nguyên thủy" và những bước tạm thời trong các bước nhân đôi các mạch carbon vòng. Kết quả là, trong phân tử carbon mạch vòng, bộ phận lưu trữ thông tin (có thể là RNA) đã tiết ra một chất enzyme, giúp cho sự tạo nên một hệ thống thông tin mới, cứ liên tục như thế cho đến khi một hệ thống thông tin cuối cùng hỗ trợ cho hệ thống đầu tiên. Hệ thống đó được gọi là quasispecies, trải qua quá trình chọn lọc tự nhiên rồi trở thành một sinh vật. Một trong những bằng chứng của thuyết carbon vòng là sự khám phá ra RNA, trong một số trường hợp có thể chuyển hóa thành ribozymes, một dạng enzyme tạo thành RNA.

Một câu trả lời cho sự biến hóa hóc búa này được đưa ra vào thập kỉ 1980 bởi Günter Wächtershäuser, trong một học thuyết mang tên "thế giới sắt – lưu huỳnh". Trong lý thuyết này, ông ta đã đưa ra một lý thuyết mới về sự tiến hóa sinh hóa học chính là nguồn gốc của sự sống. Hơn nữa, ông ta đã đưa ra một hệ thống rõ ràng về những chứng cứ sinh hóa từ những phản ứng khác tạo ra chất hữu cơ từ những chất khí cơ bản. Trái với những thí nghiệm của Miller, đòi hỏi rất nhiều những nguồn năng lượng khác như tia UV, sấm sét,... hệ thống Wächtershäuser bao gồm nguồn năng lượng khác: sắt sulfide và một số khoáng chất khác (ví dụ: khoáng pyrite). Năng lượng này được giải phóng từ những quá trình oxy hóa-khử những sulfide kim loại và là nguồn năng lượng chính để tạo ra những phân tử hữu cơ cơ bản và cả polymer. Vì vậy, có thể cho rằng một hệ thống như thế đã từng tồn tại và đã có một ảnh hưởng đến sự tự nhân đôi, chuyển hóa một cách tích cực tạo thành những thực thể, tiền thân của những sinh vật ngày nay. Cuốn sách Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life (Peptide bởi sự hoạt hóa với carbon oxide trên bề mặt (Ni,Fe)S: sự liên quan đến nguồn gốc sự sống) của ông xuất bản năm 1998 đã được đánh giá là thiếu tính khách quan do không đưa vào những chất hữu cơ mà những nhà khoa học khác cho là sẽ phản ứng với nhau hay bền. Sửa đổi mới nhất trong lý thuyết "thế giới sắt – lưu huỳnh" đã được đưa ra bởi William Martin và Michael Russell vào năm 2002. Theo như nghiên cứu của họ thì, phân tử đầu tiên của sự sống có thể đã được hình thành trong những mạch khoáng dưới đáy biển. Đây là một nơi có rất nhiều những khoáng chất có gốc sulfide được phun ra rồi đóng rắn lại tạo thành một hệ thống các hang động ngầm rất nhỏ. Do đó, hệ thống này có thể giải quyết những điểm yếu trong học thuyết Wächtershäuser.

Những hang động nhỏ được tạo ra là một cách để tập trung các chất được tổng hợp thành, do đó có nhiều khả năng tạo được các chất hữu cơ cấp cao.
Nhiệt độ trong những mạch khoáng cao chênh lệch với nhiệt độ thấp bên ngoài cho phép tạo nên một số nơi những vùng mà phản ứng thực hiện hiệu quả hơn những vùng khác (monomer ở vùng nóng, polymer ở vùng lạnh).
Dòng hải lưu qua vùng mạch khoáng khi đi ngang qua những hang động nhỏ cũng một phần làm sạch những nguồn nguyên liệu đã hết và cung cấp thêm nguồn nguyên liệu mới.
Mô hình đó cho phép một chuỗi bước tiến liên tiếp nhau nhằm tạo nên sự tiến hóa ở mức độ tế bào (hóa học, monomer, oligomer, peptide, protein, RNA, ribonucleoprotein, ADM) trong một cấu trúc nhỏ làm dễ dàng thay đổi giữa những bước phát triển.
Sự tạo thành lipid có nghĩa là đã "đóng cửa" các tế bào khỏi những tác nhân bất lợi, không cần thiết từ môi trường, cho đến khi tất cả những chức năng cơ bản của tế bào được thiết lập.

Bước phát triển kế tiếp là sự tổng hợp các màng lipid cuối cùng cho phép các cơ thể sống, cuối cùng cho phép các vật sống di chuyển dời khỏi những hệ thống hang động nhỏ để bắt đầu cuộc sống của riêng mình.

Sự bất đối xứng của sự sống

Một trong những vấn đề còn chưa giải quyết được đó chính là "tính hướng". Ví dụ: tất cả những monomer đều có quay về một phía (amino acid chủ yếu thuận tay trái, phân tử đường cấu tạo nên acid nucleic thì thuận tay phải). Tính hướng rất cần thiết cho cấu trúc các ribozyme (và ngay cả protein). Nguồn gốc của tính hướng có lẽ chỉ đơn giản được giải thích bằng tính không đối xứng của những phân tử đầu tiên theo ngẫu nhiên và tất cả những phân tử sau đều giống như thế. Một số nghiên cứu năm 2003 của các nhà khoa học tại Đại học Perdue cho thấy serine (một amino acid) có thể chính là nguồn gốc của tính không đối xứng của các phân tử hữu cơ. Serine tạo thành một liên kết mạnh các phân tử amino acid khác khiến chúng đều quay theo một hướng khiến 8 phân tử amino acid tiếp theo sẽ cùng quay trái hay cùng quay phải. Tuy nhiên, làm cách nào mà lại có nhiều phân tử serine quay trái như thế thì vẫn còn là một điều bí ẩn: làm cách nào mà phân tử tạo bởi sinh vật hầu hết chỉ quay về một phía trong khi hầu hết chúng là không đối xứng.

Vi khuẩn được biết sử dụng amino acid dạng D (tay phải) trong một vài kháng sinh peptide, trong đó các amino acid được xem như là "sai": D-glutamate, D-phenylalanine, D-aspartate, và D-valine được thấy kết hợp với nhau. Chú ý quan trọng là con đường sinh tổng hợp thông thường, trong đó DNA mã hóa cho 20 amino acid dạng L (tay trái), không thể tạo ra các amino acid dạng D. Ngược lại, các peptide chứa amino acid dạng D được tạo ra bằng các con đường sinh tổng hợp chuyên biệt và không liên quan gì đến sinh tổng hợp protein thông thường. Vi khuẩn sử dụng D- α –alanine và D-glutamate không chỉ trong các peptide chuyên biệt mà còn trong lớp peptidoglycan của vách tế bào"

Hai dạng L và D, tức là tay trái và tay phải của amio acid luôn tồn tại cùng một lúc. Trong đó, dạng L được mã hóa từ DNA và tham gia vào quá trình tổng hợp peptide (protein). Mặt khác, dạng D lại tham gia tạo các peptide của vách tế bào và tạo các kháng sinh peptide, là một dạng nội độc tố của vi khuẩn. Từ đó, ta thấy rằng 2 dạng tay trái và tay phải của amino acid cùng tồn tại và tham gia vào quá trình khác nhau: dạng tay Trái tham gia vào quá trình sinh trưởng của tế bào; còn dạng tay Phải tham gia vào bảo vệ tế bào

Như vậy, dạng tay phải của amino acid tồn tại khắp chung quanh ta, song song cùng một lúc với dạng tay trái của amino acid.

Ngoài ra còn có sự xuất hiện của các amino acid dạng D, dạng tay phải trong các hợp chất tự nhiên thông thường như mật ong, trà, hạt cacao. D-aspartic được thấy trong não của chuột, gà và người. Ở đây, nồng độ của D-aspartic dường như liên quan đến các giai đoạn phát triển vì nồng độ tăng và sau đó giảm nhanh xuống tới số lượng thấy được lập lại trong các mô trưởng thành. D-serine, D- α -alanine, and D-proline được thấy hiện diện trong huyết thanh người với tỷ lệ D/L là 0,24 và còn trong thận của chuột với tỷ lệ D/L lên tới 0,035. Các tỷ lệ trên cho thấy số lượng của dạng tay phải, dạng D, luôn nhỏ hơn số lượng của dạng tay trái, dạng L (vì con số tỷ lệ nhỏ hơn 1). Tuy nhiên, vẫn có sự xuất hiện của dạng tay phải song song với dạng tay trái chứ không bao giờ là 100% dạng tay trái.

Như vậy, như Pasteur đã nói rằng phân tử tham gia sự sống là bất đối xứng. Vì vậy, phân tử đó luôn luôn tồn tại cùng một lúc ở hai dạng tay phải và tay trái. Tuy nhiên, không ai biết chắc rằng cùng một phân tử thì có bao nhiêu tay trái và bao nhiêu tay phải vì điều này còn phải phụ thuộc vào điều kiện tồn tại của phân tử đó. Ví dụ như tỷ lệ tay trái/tay phải của D-serine, D- α -alanine, and D-proline trong huyết thanh người là 0,24. Nhưng trong các cơ quan khác thì chưa chắc đúng, chúng ta phải làm thực nghiệm mới biết được. ^[6]