Làm thế nào mà những sinh vật có khả năng tự duy trì sự sống và chuyển hóa các phân tử để thu nhận năng lượng lại có thể xuất hiện trên Trái Đất nguyên thủy của chúng ta? Trong giới sinh học, có lẽ ít có câu hỏi nào lại gây tranh luận gay gắt như câu hỏi về nguồn gốc của sự sống.
Các nhà khoa học cho rằng, trước khi những tế bào đầu tiên xuất hiện, các phản ứng hóa học đã diễn ra xung quanh những miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu. Tại đây, nhiệt độ và áp suất cao đã tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học tự phát xảy ra, trong khi các kim loại trong lớp vỏ Trái Đất đóng vai trò chất xúc tác, giúp những phản ứng này diễn ra nhanh hơn. Theo thời gian, những phản ứng địa hóa tương đối đơn giản này dần phát triển thành các phản ứng có khả năng tạo ra những thành phần cơ bản cấu tạo nên sự sống, theo một giả thuyết của các nhà khoa học.
Miệng phun thủy nhiệt. Ảnh: Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ
Ngày nay, các sinh vật sống dựa vào một mạng lưới gồm khoảng 400 phản ứng trao đổi chất, được xúc tác bởi các protein là enzyme. Hệ thống này, được gọi là "trao đổi chất cốt lõi", vừa tạo ra năng lượng, vừa sản xuất những vật chất thiết yếu cho tế bào như axit nucleic, axit amin và vitamin.
Mới đây, một nhóm các nhà khoa học đã lần ngược lại quá trình hình thành của mạng lưới trao đổi chất thiết yếu này và phát hiện ra: các tế bào có khả năng sống độc lập trên Trái Đất có thể đã xuất hiện theo hai con đường tiến hóa độc lập chứ không phải chỉ một như chúng ta tưởng.
"Phát hiện này mở ra hàng loạt câu hỏi: Thế nào được coi là sống? Sự sống thực sự là gì? Những dạng sống nào có thể tồn tại? Và chúng ta có thể tìm thấy điều gì ở những nơi khác ngoài Trái Đất?", William Martin, đồng tác giả của nghiên cứu và là nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Düsseldorf (Đức) chia sẻ với tờ Smithsonian.
Bước chuyển độc lập từ một tổ tiên nguyên thủy
Nếu có một cỗ máy thời gian đưa chúng ta trở về thời điểm những tế bào đầu tiên xuất hiện khoảng 4 tỷ năm trước, "ta sẽ thấy có hai loại tế bào rất khác nhau xuất hiện: những vi khuẩn tiên phong và cổ khuẩn tiên phong, lần đầu tiên tìm cách sống bên ngoài môi trường giới hạn của một miệng phun thủy nhiệt", Natalia Mrnjavac, nhà sinh vật học tại Đại học Düsseldorf và là tác giả chính của bài báo mới được công bố trên tạp chí Science Advances, cho biết.
Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học cho rằng, vi khuẩn và cổ khuẩn - hai nhánh đầu tiên trên cây sự sống - đã hình thành một cách độc lập. Tổ tiên chung gần nhất của chúng, được gọi là LUCA (last universal common ancestor - tổ tiên chung cuối cùng của mọi dạng sống), trên thực tế có thể chưa phải là một sinh vật sống hoàn chỉnh mà vẫn phụ thuộc vào các kim loại lắng đọng tại những miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển để thực hiện quá trình trao đổi chất.
Qua thời gian và vô số tổ hợp phản ứng hóa học, vi khuẩn và cổ khuẩn tiến hóa từ LUCA dần phát triển cách tự tạo ra các enzyme để xúc tác những phản ứng hóa học cần thiết cho sự sống, theo William Martin - đồng tác giả của nghiên cứu và là nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Heinrich Heine Düsseldorf (Đức).
Nghiên cứu này giúp "chúng ta hiểu rõ hơn về một giai đoạn tiến hóa mà những ‘tiền sinh vật’ vô cùng nguyên thủy bắt đầu tạo ra các enzyme, giúp cho chúng thoát khỏi sự phụ thuộc vào lớp vỏ Trái Đất và trở thành những tế bào có khả năng sống độc lập," Martin nói với tờ Scientific American.
Dữ liệu di truyền cho thấy LUCA tồn tại khoảng 4,2 tỷ năm trước, trong liên đại Hỏa thành (Hadean), khi bề mặt Trái Đất vẫn còn rất nóng. Theo các nhà nghiên cứu, chỉ có một nhóm đá ở Canada mới có thể có độ tuổi tương tự trong lịch sử Trái Đất, tuy nhiên nguồn gốc và niên đại của chúng vẫn còn gây nhiều tranh luận trong giới khoa học. Ngoài những mẫu đá này, các bằng chứng địa chất khác từ thời kỳ đó cực kỳ ít ỏi.
Những hóa thạch sự sống cổ xưa nhất được giới khoa học công nhận rộng rãi hiện nay là các thảm vi sinh vật hóa thạch stromatolite, có niên đại khoảng 3,5 tỷ năm, tiến hóa từ những tổ tiên đơn giản hơn.
Một số nhà nghiên cứu từng cho rằng LUCA là một tế bào tương đối phức tạp, thậm chí còn sở hữu một hệ miễn dịch nguyên thủy có khả năng chống lại virus. Tuy nhiên, Martin cho rằng những nghiên cứu như vậy đã sử dụng các phương pháp di truyền lần ngược lại hơn 4 tỷ năm tiến hóa, do đó có thể đã dẫn đến những kết quả sai lệch.
Vì vậy, ông và các cộng sự quyết định tiếp cận vấn đề theo một cách khác, từ một góc độ trao đổi chất, tập trung xác định những gene nào cần thiết để biến các thành phần có sẵn trên Trái Đất sơ khai - như hydro, amoniac, carbon dioxide, nước, hydro sulfide và phosphate - thành 20 axit amin, 5 loại base nucleotide tự nhiên và 20 đồng yếu tố cần thiết để duy trì hoạt động của tế bào. "Có 420 phản ứng hóa học như vậy", Martin nói.
Khi so sánh các bộ gene đại diện cho tất cả các nhóm vi khuẩn và cổ khuẩn, Martin và các cộng sự phát hiện ra rằng hai nhánh sự sống này chỉ có chung các gene mã hóa ở khoảng một nửa số enzyme cần thiết cho những phản ứng cơ bản nói trên. Một nửa số enzyme còn lại chỉ xuất hiện ở vi khuẩn hoặc cổ khuẩn.
Hình minh họa về vi khuẩn. Ảnh: Shutterstock
Theo Natalia Mrnjavac - nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Martin và là tác giả thứ nhất của bài báo, điều này cho thấy hai dạng sống này đã "đi trên những con đường riêng biệt để trở thành những tế bào có khả năng sống độc lập". Nói cách khác, bước chuyển kỳ diệu từ hóa học sang sinh học có thể đã xảy ra tới tận hai lần chứ không phải một lần.
Thêm vào đó, vi khuẩn và cổ khuẩn có thể đã không tách thành hai nhánh từ một tế bào hoàn chỉnh mà từ những cụm gồm RNA, DNA và enzyme, nằm trong các khe đá tại những miệng phun thủy nhiệt và phụ thuộc vào kim loại ở đó để tạo ra axit amin. Các gene từ những cụm khác nhau có thể lan truyền qua các khe đá, tạo nên một dạng "thí nghiệm tiến hóa" tự nhiên và cuối cùng có thể đã dẫn đến sự sống, khi các cụm này dần thay thế những phản ứng vốn được kim loại xúc tác bằng các phản ứng do chính enzyme của chúng đảm nhiệm.
Sự sống sơ khai lấy năng lượng từ đâu?
Trước đây, phòng thí nghiệm của Martin đã chứng minh rằng kim loại có thể thay thế các enzyme sinh học trong nhiều quá trình trao đổi chất cơ bản, do đó những kết quả nghiên cứu cũ cũng góp phần củng cố thêm giả thuyết mới của nhóm nghiên cứu.
Nhưng dù là enzyme hay chất xúc tác vô cơ, các chất xúc tác vẫn cần năng lượng để các quá trình trao đổi chất diễn ra. Ngày nay, năng lượng này thường được một phân tử gọi là ATP cung cấp. Nhưng vào thời kỳ sơ khai, ATP là một phân tử phức tạp, được tạo ra nhờ enzyme, nên khó có thể là nguồn năng lượng ban đầu trước khi các hệ thống enzyme xuất hiện.
Câu hỏi này đã thôi thúc các nhà sinh học đi tìm kiếm một nguồn năng lượng đơn giản hơn và phát hiện ra kim loại palladium có thể đã xúc tác một phản ứng quan trọng chuyển phosphite (chất có nhiều tại các miệng phun thủy nhiệt) thành phosphate (thành phần thiết yếu đối với hoạt động của tế bào). Phản ứng này giải phóng năng lượng và có thể đã cung cấp nguồn năng lượng cho các phản ứng trao đổi chất của LUCA.
Tuy nhiên, Betül Kaçar - giám đốc một trung tâm sinh học thiên văn của NASA và là phó giáo sư tại Đại học Wisconsin - Madison cho rằng, tổ tiên chung cuối cùng của mọi dạng sống hiện đại không đồng nghĩa với việc nó cũng là nguồn gốc của sự sống. Hiện nay, chúng ta vẫn chưa biết chính xác các quá trình hóa học và địa chất ban đầu đã chuyển thành các quá trình sinh học như thế nào. Vì vậy, vẫn cần phải có thêm các thí nghiệm tiếp theo để kiểm chứng những giả thuyết mà nghiên cứu này đưa ra.
"Các nhà sinh học vẫn còn một nhiệm vụ rất lớn phía trước," Kaçar nói. "Chúng ta còn rất nhiều việc phải làm để hiểu được bản chất của tổ tiên của sự sống, cũng như vai trò của vi khuẩn và cổ khuẩn."
Kim Dung tổng hợp
---
Tài liệu tham khảo:
Life on Earth may have emerged not once but twice. Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/life-on-earth-emerged-twice-study/
A New Study Points to Two Origins of Life on Earth by Tracing Early Chemical Reactions in Single-Celled Organisms. Smithsonian Magazine. https://www.smithsonianmag.com/science-nature/a-new-study-points-to-two-origins-of-life-on-earth-by-tracing-early-chemical-reactions-in-single-celled-organisms-180989260/
Scientists find evidence for two origins of life on Earth. Heinrich Heine University Düsseldorf. https://www.hhu.de/en/news-article/two-origins-of-life
Life On Earth Appeared Not Once But Twice, Both Times Evolving From A Common Genetic Code. IFL Science. https://www.iflscience.com/life-on-earth-appeared-not-once-but-twice-both-times-evolving-from-a-common-genetic-code-84332