Ràng buộc cơ bản với logic của các hệ sống 

Vì sao sự sống trên Trái đất này lại trở nên quý giá đến nhường ấy? Câu hỏi này, trớ trêu thay, lại ám ảnh chúng ta trong quá trình đi tìm sự sống ngoài Trái đất.

Tìm sự sống ngoài Trái đất

Frank Drake, nhà thiên văn học chuyên săn tìm các tín hiệu của nền văn minh ngoài Trái đất, từng chia sẻ trên Nature “Điều thú vị bậc nhất và cuốn hút bậc nhất không chỉ là việc có thể tìm thấy trong vũ trụ này một ngôi sao hay một thiên hà mà là một dạng sự sống khác”. Quả thật, việc đi tìm sự sống ngoài trái đất là một nỗ lực phi thường và vô cùng thú vị. Hãy tưởng tượng một con tàu vũ trụ đáp xuống một hành tinh xa xôi, mang theo những thiết bị vô cùng tinh vi để có thể phát hiện được dấu hiệu của sự sống ở các cấp độ khác nhau. Các thiết bị đó có thể dò được một cấu trúc mạng lưới của các phản ứng hóa học trong khí quyển hoặc nhận diện được các dấu hiệu sinh học phân tử phù hợp với các hệ sống. Con tàu có thể có quét xung quanh, nắm bắt được các dấu hiệu sinh học về mặt hình thái và những công cụ khác có thể phân tích mạng lưới hóa học của bầu khí quyển và đo lường sự phức hợp topo và phân tử của nó.

Vậy một sinh quyển thay thế như vậy sẽ khác biệt như thế nào? Một hình thức sống thay thế sẽ ở trong một bối cảnh môi trường như thế nào? Có các điều kiện vật lý và hóa học tiên quyết cho sự sống đột sinh không? Những câu hỏi như vậy có thể mở rộng ra cho sinh học tiến hóa và sinh học vũ trụ, ảnh hưởng đến tiềm năng thiết kế (sử dụng sinh học tổng hợp và kỹ thuật sinh học) những hình thái sống mới. Tổng quát hơn, chúng ta có thể nắm bắt tinh thần cốt lõi của những câu hỏi trước bằng việc đặt câu hỏi xem liệu chúng ta có thể dự đoán được dạng thức sống được tổ chức nào (cái có thể) tồn tại bên ngoài cái mà chúng ta biết trong sinh quyển của chúng ta (cái thực tế).

Nhà hóa sinh Pháp đầu thế kỷ 20 Jacques Monod bằng cái nhìn về tiến hóa của sự sống phụ thuộc vào nhiều con đường đã nói: “…Sinh quyển không chỉ chứa một lớp các vật thể hay sự kiện có thể dự đoán được mà còn tạo ra một sự xuất hiện cụ thể, tương thích với những nguyên lý ban đầu nhưng không suy diễn các nguyên tắc đó, và do đó không thể dự đoán được”.

Trên trái đất, các nhà sinh học đã ghi nhận sự sống được hình thành trên những khối cơ bản như các vật chất di truyền DNA, RNA, và các amino acids. Các hồ sơ hóa thạch đã tiết lộ, sự sống đã tuân theo vô số con đường tiến hóa khác nhau, qua đó đem đến sự đa dạng và vô cùng phong phú các sinh vật. Các bằng chứng cho thấy các khả thể tiến hóa không phải vĩnh viễn; sự hội tụ và ràng buộc đã định hình một cách đáng kể và giới hạn các hình thức của sự sống.

François Jacob – nhà sinh học Pháp cùng với Jacques Monod đưa ra ý tưởng kiểm soát các mức enzyme trong mọi tế bào thông qua điều chỉnh phiên mã – ngược lại, thảo luận về việc sửa đổi trong tiến hóa và các vấn đề liên quan với những mức độ phức tạp khác nhau để đi đến kết luận “Luôn luôn có một số ràng buộc ấn định tính bền và nhiệt động lực học. Nhưng khi tính phức hợp gia tăng, những ràng buộc bổ sung lại xuất hiện… Bởi vậy, không có một quy luật chung nào cho tiến hóa”. Ông nhận thức được giới hạn của dự đoán về các đặc trưng ở một quy mô dựa trên các đặc trưng của các thành phần ở quy mô nhỏ hơn, điều mà ngày nay được hiểu bằng việc sử dụng khái niệm các đặc tính đột sinh.

Bên cạnh đó, cũng xuất hiện một số quan điểm khác, trong đó nổi bật là Stephen JayGould, nhà cổ thực vật học và sinh học tiến hóa, đã phát triển cách tiếp cận nổi tiếng nhất và cũng gây tranh cãi nhất cho những câu hỏi này. Ông cho rằng, bản chất lịch sử của tự nhiên mà việc tái vận hành tiến hóa có thể dẫn đến những kết quả hoàn toàn khác nhau. 

Tương phản với Monod và JayGould, Conway Morris, một nhà cổ thực vật học, chỉ ra “Các sinh vật luôn phải chịu sự giám sát của chọn lọc tự nhiên và lệ thuộc vào những ràng buộc của các nhân tố vật lý và hóa học giới hạn một cách chặt chẽ hoạt động của tất  cả những sinh vật trong sinh quyển. Nói một cách đơn giản, sự hội tụ chứng tỏ trong thế giới thực, không có gì là không thể”.

Thách thức lớn nhất của quá trình đi tìm sự sống trong vũ trụ này là hiểu về bản chất của chính sự sống.

Chúng ta cũng phải kể đến một lập luận của Stuart Kauffman, nhà sinh học lý thuyết và các hệ phức hợp, liên quan đến tính không thể dự đoán thuộc về bản chất của động lực học tiến hóa do tính phi ngẫu nhiên (‘non-ergodic’) của sinh học: “Các đặc trưng hóa học và vật lý của các phân tử phức tạp khác nhau đều khác nhau, và trong sinh học, các đặc trưng chức năng của khoảng hàng chục nghìn phân tử khác nhau trong các tế bào cũng khác nhau. Vũ trụ không ngẫu nhiên bởi vì nó sẽ không tạo ra sự khả thể của các phân tử phức tạp ở những thang thời gian dài hơn thời gian tồn tại của vũ trụ. Có một sự thật là thứ phức tạp nhất sẽ không bao giờ ‘tồn tại được’ trên Trái đất này”.

Có một vấn đề là không phải mọi phần của vũ trụ này đều có thể khám phá được, ví dụ như không gian của những protein có chiều dài của 1000 amino acids sẽ là 20¹⁰⁰⁰, một không gian quá lớn để có thể khám phá trong vũ trụ của chúng ta. Không gian của các cấu hình phân tử trong một sinh thể thậm chí còn lớn hơn. 

Vậy chúng ta có còn cơ hội khám phá một dạng sự sống ngoài hành tinh của chúng ta không? Có nhiều cách khác nhau để tạo ra sự sống phức tạp như trên Trái đất không? Vô cùng thách thức để dự đoán các đặc trưng phổ quát tiềm năng của các hệ sống. Khi thiếu đi những kịch bản thay thế cho sự sống trên Trái đất thì chúng ta có thể hiểu được logic của sự sống hay không? 

Do đó, một nhóm nghiên cứu quốc tế, do giáo sư Ricard Solé (Phòng thí nghiệm Các hệ phức hợp, Đại học Pomperu Fabra, Tây Ban Nha) dẫn dắt, đã xem xét những tín hiệu ban đầu của sự sống thông qua một câu hỏi: các nhà khoa học có thể dự đoán các dạng thức sống tồn tại bên ngoài sinh quyển của Trái đất không? Đây là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học, cụ thể là sinh học vũ trụ. “Vấn đề lớn nhất là dò được các tín hiệu sinh học. Việc dò được bầu khí quyển ngoại hành tinh với một giải pháp phù hợp đang được cải thiện và sẽ được cải thiện tốt hơn trong những thập kỷ đến. Tuy nhiên bằng cách nào chúng ta có thể xác định được tiêu chuẩn ‘cứng’ để nói rằng thành phần hóa học được đo lường thực sự có liên quan đến sự sống?”. 

Kết quả nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Interface Focus “Fundamental constraints to the logic of living systems”.

Những giới hạn cơ bản của sự sống 

Nhóm nghiên cứu quốc tế đã xem xét nhiều nghiên cứu cụ thể về sự sống ở các khía cạnh như “các đặc trưng nhiệt động lực học của các hệ sống, bản chất tuyến tính của các thông tin phân tử, bản chất tế bào của những khối xây dựng cơ bản của sự sống, đa tế bào và sự phát triển, bản chất ngưỡng của sự tính toán trong các hệ nhận thức và bản chất rời rạc của kiến trúc các hệ sinh thái”. Họ cũng tìm hiểu những nỗ lực nghiên cứu trước đây trong mô hình hóa tiến hóa dựa trên tiến hóa hội tụ (các loài khác nhau tiến hóa một cách độc lập các đặc tính hoặc hành xử tương tự nhau), chọn lọc tự nhiên và những giới hạn bắt buộc của một sinh quyển. Đó là cơ hội để nhóm nghiên cứu tìm thấy các quy định nhất định với mọi dạng thức sống. 

Tại sao họ lại chọn cách tiếp cận phức tạp như vậy? Chúng ta đều biết rằng thách thức lớn nhất của quá trình đi tìm sự sống trong vũ trụ này là hiểu về bản chất của chính sự sống. Trên Trái đất, các nhà sinh học đã ghi nhận sự sống được hình thành trên những khối cơ bản như các vật chất di truyền DNA, RNA, và các amino acids. Các hồ sơ hóa thạch đã tiết lộ, sự sống đã tuân theo vô số con đường tiến hóa khác nhau, qua đó đem đến sự đa dạng và vô cùng phong phú các sinh vật. Các bằng chứng cho thấy các khả thể tiến hóa không phải vĩnh viễn; sự hội tụ và ràng buộc đã định hình một cách đáng kể và giới hạn các hình thức của sự sống.

Đó là lý do mà sau khi xuất bản công bố trên Interface Focus, giáo sư Solé đã trao đổi trên University Today rằng “Khi xem xét ở mức độ cơ bản nhất, chúng tôi nhận thấy dường như logic của sự sống không thể vượt qua được các đường biên của thông tin, vật lý, hóa học…”. Ví dụ, ông và cộng sự kiểm tra các hệ sống như các động cơ nhiệt động lực học với quan điểm, mỗi sinh vật sống trên Trái đất đều được vận hành như một động cơ nhiệt động lực học bởi nó cũng đòi hỏi năng lượng tự do từ môi trường và sử dụng nó cho các chức năng sinh học thiết yếu. Khi nhìn sâu vào sự tồn tại của những sinh vật thuở ban sơ như vi khuẩn cổ, sinh vật nguyên sinh sống tại các miệng phun thủy nhiệt, người ta thấy các sinh vật hóa dưỡng này cần đến sự thúc đẩy của nguồn nhiệt động lực học và nguồn nhiệt động lực học này cần được kết hợp với hydro để duy trì thêm nhiều điều kiện ô xy hóa ở lớp phủ Trái đất so với lớp bên trong ở thời điểm trái đất chưa tạo ra được các chất ô xy hóa từ quá trình quang hợp. Không có sự tồn tại nào ngẫu nhiên, chúng cần được tiếp sức bởi các điều kiện, hay nói cách khác, cần có những ràng buộc để khởi sinh.  

Việc tập trung vào các cấu trúc logic mà bỏ qua khía cạnh thiết yếu của sự sống đa bào: sự đa dạng đáng ngạc nhiên của những thích ứng về hình thái logic, kết cấu và sinh lý để phản hồi với môi trường sống. Nếu những ràng buộc mà chúng tôi đề xuất mang tính phổ quát thì logic của sự sống ở nơi nào cũng có thể tương tự nhau

Những ràng buộc của sự sống cũng nằm trong các phân tử DNA. Vào năm 1927, Nikolai Koltsov đã kết luận, cơ sở của di truyền ở cấp độ phân tử và tế bào sẽ được tìm thấy ở một số đại phân tử sợi kép có thể tự sao chép theo một cách bán bảo toàn. 17 năm sau, một đề xuất khác trong cuốn sách của Erwin Schrödinger, What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell? (Sự sống là gì? Khía cạnh vật lý của tế bào sống): phân tử mã hóa thông tin phải là một cấu trúc cân đối tuần hoàn (giống như một ‘tinh thể’) trong khi vẫn cho phép sự tồn tại của một ‘sự mất trật tự’ ở bên trong mà các nguyên tử đóng vai trò riêng biệt. 

Tầm nhìn của Koltsov và Schrödinger rút cục được kiểm chứng trong khám phá về cấu trúc DNA của Watson, Crick và Frankli: chuỗi xoắn thuận tay phải được tạo bằng hai sợi đối song quấn lấy nhau, hình thành một trục xoắn của nhóm phân tử đường – phốt phát với các cặp nitơ ở lõi. Để lưu trữ thông tin di truyền và chuyển giao trong các cơ thể sống, cần cơ chế nền tảng như Koltsov dự đoán, đó là cơ chế sao chép bán bảo toàn. Năm 1969, nhà sinh học Mỹ Howard Pattee nói rằng “Một lớp vô cùng lớn của các cấu trúc tự nhiên có những xác suất hình thành gần như tương đương nhau bởi vì chúng là một chiều và có các mức năng lượng gần tương đương nhau. Chúng đều là các copolymers (chất đồng trùng hợp) tuyến tính, giống như các polynucleotides và polypeptides. Sự sống và tiến hóa phụ thuộc vào lớp đồng trùng hợp này để hình thành một không gian chuỗi vô hạn mà ngay cả các quy luật cũng không chi phối được […] Không gian chuỗi vô hạn này là hợp phần đầu tiên của thứ tự do nằm ngoài các quy luật cần thiết cho tiến hóa”.

Những ràng buộc hạn chế logic của sự sống trên mọi quy mô, giới hạn sâu sắc không gian thiết kế của các hệ thống sống có thể có. Sự đột sinh của những tiến hóa quan trọng cần đến những chuyển pha, những điểm quan trọng trong lịch sử của sự sống trên Trái đất, nơi các cấp độ mới của tổ chức sinh học (tế bào, đa tế bào hoặc ngôn ngữ…) và sự phức tạp xuất hiện. Đó là điểm báo hiệu của mầm mống của bất đối xứng, dẫn đến việc phá vỡ trật tự cũ, đối xứng cũ. Rất nhiều ví dụ về những đổi mới trong tiến hóa liên quan đến sự kiện phá vỡ đối xứng, ví dụ như sự chuyển đổi từ tiền tiến hóa đến tiến hóa, chọn lọc tự nhiên, sự phổ quát của cơ chế chuyển hóa trung gian… như một cơ chế ưa thích một trong hai giải pháp khả thi thông qua một hiện tượng khuếch đại: lựa chọn cuối cùng có thể là một tình cờ lịch sử. Một chuyển pha bao gồm cả bước nhảy sang những đặc tính mới làm gia tăng sự kết nối của mạng lưới, ví dụ hành xử thu thập của mã di truyền có thể được tạo ra từ một chuyển pha. 

Cùng với sự kết nối khả thi giữa các đổi mới trong tiến hóa và các chuyển pha, những điểm tới hạn – trạng thái giữa hai chuyển pha – cũng đóng vai trò quan trọng, kể cả trong những hệ sống, như các mã hóa di truyền, sự tiến hóa của virus, sự đồng tiến hóa của hệ thống miễn dịch – virus: việc chuyển giao thông tin chỉ đạt tới mức tối ưu tại điểm tới hạn và độ nhạy với tín hiệu bên ngoài đạt mức tối đa.

Manfred Eigen, nhà hóa lý sinh Đức được trao Giải Nobel Hóa học 1967, đề xuất là chọn lọc tự nhiên tự nó là một chuyển pha và một số nhà nghiên cứu khác cho rằng có thể điều này là một nguyên tắc phổ quát. Nhìn chung, những ràng buộc sâu sắc giới hạn các dạng khả thi của quy luật tiến hóa chi phối sinh quyển. Cùng với nhiệt động lực học, nó bao gồm (i) một điều kiện tất yếu của sự tự xúc tác như cơ chế khuếch đại số lượng, (ii) sự không đồng nhất về phân tử đột sinh như điều kiện tiên quyết của động lực tăng số lượng, và (iii) sự chuyển pha để tiến hóa từ sinh quyển phi Darwin sang sinh quyển Darwin khi đạt được một số ngưỡng tương tác nhất định. 

Vậy khái niệm của các ràng buộc cơ bản của sự sống có loại trừ khả năng tạo ra sự bất ngờ không? “Dĩ nhiên là không. Việc tập trung vào các cấu trúc logic mà bỏ qua khía cạnh thiết yếu của sự sống đa bào: sự đa dạng đáng ngạc nhiên của những thích ứng về hình thái logic, kết cấu và sinh lý để phản hồi với môi trường sống. Nếu những ràng buộc mà chúng tôi đề xuất mang tính phổ quát thì logic của sự sống ở nơi nào cũng có thể tương tự nhau”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo.

Kết luận này đã nhen lên một hy vọng về khả năng phát hiện sự sống trong vũ trụ cũng như làm chúng ta thêm kinh ngạc về sự sống ngay trên Trái đất này, vốn hội tụ rất nhiều điều kiện tiên quyết và những ràng buộc tiến hóa để có được sự phong phú và đa dạng như ngày nay từ những sinh vật nhân sơ quãng 3,5 tỷ năm trước.□

——-

Tài liệu tham khảo

1. “Fundamental constraints to the logic of living systems”. Interface Focus

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2024.0010

2. Is There a Fundamental Logic to Life?

https://www.universetoday.com/170221/is-there-a-fundamental-logic-to-life/

Bài đăng Tia Sáng số 3/2025