Khoa học chưa biết chắc sự sống bắt đầu thế nào. Điều đã khá rõ là sự sống xuất hiện khá sớm trong lịch sử Trái Đất, và các thí nghiệm cho thấy nhiều viên gạch của sự sống có thể tự hình thành từ những hoá chất đơn giản. Nhưng bước nhảy từ một nồi hoá chất tới tế bào đầu tiên biết tự sao chép vẫn là một trong những câu hỏi mở lớn nhất của khoa học.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Tập này hơi khác những tập trước: mình sẽ kể nhiều về những gì chưa biết. Mình nghĩ đó cũng là một phần quan trọng của khoa học, nói rõ chỗ nào mình đang đứng trên đất chắc, chỗ nào đang bước trên cầu treo.
Sự sống xuất hiện sớm tới đâu?
Trái Đất được ước tính hình thành cách đây khoảng bốn tỉ rưỡi năm. Thời kỳ đầu, nó là một nơi rất khắc nghiệt, bị thiên thạch bắn phá dữ dội. Vậy mà dấu vết của sự sống xuất hiện khá sớm sau khi bề mặt nguội đi và có nước.
Những bằng chứng được chấp nhận rộng rãi thuộc loại cổ nhất là các cấu trúc đá phân lớp do những thảm vi khuẩn tạo ra, có tuổi khoảng ba tỉ rưỡi năm. Có những dấu vết được cho là cổ hơn nữa, nhưng còn đang bị tranh luận, vì đá càng cổ thì càng bị biến đổi, khó phân biệt dấu vết sinh học với dấu vết hoá học thông thường.
Sự sống sớm như vậy gợi ý một điều: có thể khi điều kiện phù hợp, sự sống không quá khó để bắt đầu. Nhưng đó chỉ là gợi ý, vì mình mới có một ví dụ duy nhất là Trái Đất.
Và suốt phần lớn lịch sử sau đó, sự sống chỉ là vi sinh vật một tế bào. Những sinh vật nhiều tế bào phức tạp xuất hiện muộn hơn rất nhiều.
Thí nghiệm nồi súp nguyên thuỷ
Vào giữa thế kỷ hai mươi, một nghiên cứu sinh tên Stanley Miller, làm việc với thầy của mình là Harold Urey, đã làm một thí nghiệm nổi tiếng. Họ cho vào bình kín một hỗn hợp nước và các khí mà họ nghĩ có trong khí quyển Trái Đất sơ khai, rồi cho tia lửa điện phóng qua liên tục, giả làm sét.
Sau một thời gian, trong bình xuất hiện một số a xít a min, những viên gạch tạo nên protein. Lần đầu tiên có bằng chứng rằng phân tử của sự sống có thể tự hình thành từ hoá chất vô cơ mà không cần sinh vật nào.
Về sau, người ta cho rằng khí quyển sơ khai có lẽ khác với hỗn hợp Miller dùng. Nhưng các thí nghiệm với những hỗn hợp khác, cùng việc tìm thấy a xít a min trong một số thiên thạch, cho thấy những viên gạch này có thể hình thành khá dễ dàng ở nhiều nơi.
Vấn đề là có gạch chưa phải có nhà. Từ a xít a min rời rạc tới một tế bào biết tự sao chép còn một khoảng cách rất xa.
Thế giới trước ADN: con gà hay quả trứng?
Trong tế bào ngày nay có một vòng luẩn quẩn. ADN chứa công thức làm protein, nhưng cần protein để đọc và sao chép ADN. Cái nào có trước? Giống như câu hỏi con gà và quả trứng.
Một giả thuyết được nhiều người ủng hộ là thế giới ARN. ARN là một phân tử họ hàng của ADN, vừa mang được thông tin, vừa có thể tự làm chất xúc tác cho phản ứng hoá học như một số protein. Người ta đã tìm thấy những phân tử ARN có khả năng xúc tác trong tế bào ngày nay, thậm chí ở ngay trung tâm bộ máy làm protein.
Theo giả thuyết này, ở giai đoạn đầu, ARN vừa là cuốn sổ công thức vừa là đầu bếp. Về sau ADN bền hơn đảm nhận việc lưu trữ, còn protein linh hoạt hơn đảm nhận phần lớn công việc.
Giả thuyết này có nhiều bằng chứng gián tiếp hấp dẫn, nhưng cũng có những khó khăn chưa giải quyết được, như việc ARN khá kém bền và khó tự hình thành trong điều kiện tự nhiên. Nó là một ứng viên mạnh, chưa phải câu trả lời.
Sự sống bắt đầu ở đâu: ao cạn, đáy biển hay từ vũ trụ?
Có nhiều ứng viên cho nơi sự sống bắt đầu. Một là những ao nước nông trên đất liền, nơi nước bốc hơi rồi lại có mưa, làm các phân tử cô đặc lại và kết nối với nhau qua các chu kỳ khô ướt. Các suối nước nóng núi lửa là một phiên bản của ý tưởng này.
Ứng viên thứ hai là các miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy biển sâu, nơi nước nóng giàu khoáng chất phun ra từ lòng đất. Ở đó có năng lượng hoá học dồi dào, và ngày nay vẫn có cả hệ sinh thái sống nhờ nguồn năng lượng này mà không cần ánh sáng Mặt Trời.
Còn có giả thuyết sự sống hoặc những viên gạch của nó đến từ vũ trụ qua thiên thạch. Thiên thạch đúng là có chứa phân tử hữu cơ. Nhưng giả thuyết này chỉ chuyển câu hỏi đi nơi khác: sự sống ở ngoài kia bắt đầu thế nào?
Các nhà khoa học không nhất thiết phải chọn một. Có thể các bước khác nhau xảy ra ở những môi trường khác nhau.
Vì sao câu hỏi này quan trọng?
Hiểu sự sống bắt đầu thế nào giúp trả lời một câu hỏi còn lớn hơn: chúng ta có cô đơn trong vũ trụ không. Nếu sự sống dễ bắt đầu khi có nước và năng lượng, thì những nơi như dưới lớp băng của một số mặt trăng quanh sao Mộc và sao Thổ đáng để tìm kiếm.
Những tàu thăm dò đang và sẽ được gửi tới đó chính là để kiểm tra những ý tưởng này. Tìm được dù chỉ một dạng vi sinh vật có nguồn gốc độc lập ở nơi khác sẽ là một trong những phát hiện lớn nhất của nhân loại.
Còn nếu một ngày nào đó phòng thí nghiệm tạo ra được một hệ hoá học tự sao chép và tiến hoá từ hoá chất đơn giản, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn ranh giới giữa hoá học và sinh học.
Cho tới lúc đó, câu trả lời trung thực nhất vẫn là: chưa biết, nhưng đang đến gần hơn. Bạn có thấy dễ chịu với một câu trả lời như vậy không, hay bạn vẫn mong khoa học phải có đáp án cho mọi thứ?
Câu hỏi thường gặp
Tuổi của Trái Đất được tính bằng cách nào?
Chủ yếu bằng phương pháp đo phóng xạ trong những khoáng vật và thiên thạch cổ nhất, dựa trên tốc độ phân rã ổn định của một số nguyên tố. Các kết quả độc lập cho con số khoảng bốn tỉ rưỡi năm.
Sự sống có thể tự sinh ra từ vật không sống ngày nay không?
Trong điều kiện Trái Đất hiện nay, điều đó gần như không thể quan sát được, vì sinh vật có sẵn sẽ nhanh chóng tiêu thụ mọi phân tử hữu cơ mới hình thành. Môi trường sơ khai không có sự cạnh tranh đó.
Miệng phun thuỷ nhiệt là gì?
Là những khe nứt dưới đáy biển nơi nước được lòng đất đun nóng phun ra, mang theo nhiều khoáng chất hoà tan. Quanh chúng có những cộng đồng sinh vật sống nhờ năng lượng hoá học thay vì ánh sáng.
Đã tìm thấy sự sống ngoài Trái Đất chưa?
Chưa. Có một số tín hiệu gây tò mò đã được nghiên cứu, nhưng chưa có bằng chứng được giới khoa học chấp nhận về sự sống ở nơi khác. Việc tìm kiếm vẫn đang tiếp tục trên sao Hoả và các mặt trăng băng giá.
Có ai tạo ra sự sống trong phòng thí nghiệm chưa?
Chưa ai tạo ra được sự sống hoàn toàn từ hoá chất đơn giản. Các nhà khoa học đã tổng hợp được bộ gen nhân tạo và cấy vào tế bào có sẵn, nhưng vẫn cần tế bào sống để khởi động.
