Khoáng chất trong suối nước nóng tham gia vào phản ứng tạo nên sự sống
Một trong những điều bí ẩn nhất mà khoa học tìm kiếm là sự sống trên Trái Đất đã bắt đầu từ đâu.
Dưới đáy đại dương, các miệng phun thủy nhiệt – những cấu trúc giống như miệng núi lửa trên đất liền – có thể bơm ra hỗn hợp chất hữu cơ và vô cơ, trong đó có sắt sulfide. Các nhà khoa học tin rằng khoáng chất này đã thúc đẩy các phản ứng hóa học ban đầu tạo ra sự sống.
Người ta đã tìm thấy những chất tương tự trong các suối nước nóng ngày nay, như suối Grand Prismatic ở vườn quốc gia Yellowstone (Mỹ). Suối nước nóng là các khối nước ngầm được làm nóng nhờ hoạt động của núi lửa dưới bề mặt Trái Đất.
Nghiên cứu mới “Iron sulfide-catalyzed gaseous CO2 reduction and prebiotic carbon fixation in terrestrial hot springs”, đăng trên tạp chí Nature Communications, đã bổ sung thêm bằng chứng cho thấy các suối nước nóng nguyên thủy có vai trò then chốt trong hình thành sự sống trên Trái đất và thu hẹp các giả thuyết về nơi sự sống bắt nguồn.
Từ địa hóa học đến sinh học
Cố định carbon là quá trình các sinh vật sống chuyển đổi khí cacbonic trong không khí hoặc nước thành phân tử hữu cơ.
Nhiều dạng sống, bao gồm thực vật, vi khuẩn và vi sinh vật (cổ khuẩn), thực hiện quá trình này qua những cách khác nhau, chẳng hạn như quang hợp. Mỗi cách đều cần đến một loạt enzym và protein làm xúc tác, trong đó có những loại có lõi sắt và lưu huỳnh.
Chúng ta có thể tìm thấy protein chứa liên kết sắt- sulfur ở mọi dạng thức sống. Thực tế, nhiều nhà khoa học đề xuất rằng các protein này có niên đại từ Tổ tiên chung phổ quát cuối cùng (Last Universal Common Ancestor) – một tế bào tổ tiên cổ đại được cho là nguồn gốc của sự sống như chúng ta có hiện nay.
Sắt sulfide là khoáng chất hình thành khi sắt hòa tan phản ứng với hydro sunfide — khí núi lửa khiến suối nước nóng có mùi trứng thối.
Nếu nhìn kỹ vào cấu trúc của sắt sulfide, bạn sẽ thấy một số phân tử trông rất giống với sắt sulfur.
Mối quan hệ giữa sắt sulfide và cố định carbon khiến một số nhà khoa học cho rằng các khoáng chất này đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển từ địa hóa học sơ khai sang sinh học của Trái đất.
Nghiên cứu mới được công bố đã đóng góp cho giả thuyết này qua khảo sát hoạt động hóa học của sắt sulfide trong các suối nước nóng cổ, có địa hóa học tương tự với các miệng phun thủy nhiệt.
Buồng tùy chỉnh
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một buồng nhỏ, mô phỏng môi trường suối nước nóng cổ.
Sau đó, họ rải các mẫu sắt sulfide tổng hợp vào buồng. Một số mẫu tinh khiết, một số mẫu khác pha thêm các kim loại thường gặp ở suối nước nóng. Họ cũng lắp nhiều chiếc đèn khác nhau ở trên để mô phỏng ánh sáng mặt trời với lượng bức xạ cực tím khác nhau ở Trái đất sơ khai.
Khí carbon dioxide và hydro được bơm liên tục qua buồng. Các khí này đóng vai trò quan trọng trong quá trình cố định carbon trong các thí nghiệm về miệng phun thủy nhiệt.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy các mẫu sắt sulfide tổng hợp đều tạo ra methanol – một sản phẩm sau quá trình cố định carbon. Điều này cho thấy sắt sulfide không chỉ xúc tác cho quá trình cố định carbon ở các miệng phun thủy nhiệt mà còn ở các suối nước nóng trên đất liền. Lượng methanol sẽ tăng lên nếu được chiếu dưới ánh sáng khả kiến (ánh sáng có thể nhìn được bằng mắt thường) và dưới nhiệt độ cao.
Nhiều thử nghiệm ở điều kiện nhiệt độ, ánh sáng và lượng hơi nước khác nhau chứng minh rằng sắt sulfide có khả năng tạo điều kiện cho quá trình cố định carbon trong các suối nước nóng cổ.
Một cách thức sơ khai
Các khảo sát và tính toán cho thấy methanol sản sinh ra thông qua cơ chế dịch chuyển ngược nước- khí.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy phản ứng tương tự trong cách một số vi khuẩn và cổ khuẩn biến carbon dioxide thành thức ăn. Quá trình này được gọi là “acetyl-CoA” hay “Wood-Ljungdahl”. Các nhà khoa học cho rằng quá trình này là hình thức cố định carbon xuất hiện sớm nhất.
Nghiên cứu này chứng minh methanol có thể được sản sinh từ các suối nước nóng cổ. Các kết quả từ đó mở rộng các điều kiện mà sắt sulfide thúc đẩy quá trình cố định carbon, cả ở dưới biển sâu và trên đất liền, thông qua các cơ chế khác nhau.
Diễm Quỳnh lược dịch từ UNSW Sydney
