Các thí nghiệm cho thấy quá trình trao đổi chất có thể đã bắt đầu một cách tự phát trên hành tinh nguyên thuỷ của chúng ta, và có lẽ các nhà khoa học cần phải suy nghĩ lại về cách ta định nghĩa sự sống.
Miệng phun hoạt động dưới đáy biển, như miệng phun cao khoảng 100 ft này ở Vùng Thuỷ nhiệt Thành phố bị mất (Lost City) của Đại Tây Dương, nhanh chóng tạo ra những phân tử hữu cơ đơn giản có thể là chìa khoá dẫn tới sự xuất hiện của sự sống trên Trái Đất. Ảnh: D. Kelley & M. Elend.
Markus Ralser chưa từng muốn nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Những nghiên cứu của ông chủ yếu tập trung vào quá trình tự dưỡng của tế bào và sự chệch hướng của những quá trình đó ở những sinh vật bị căng thẳng hoặc bị bệnh. Nhưng khoảng 10 năm trước, rất tình cờ, Ralser và nhóm của ông đã có một phát hiện gây sốc.
Nhóm ông, thời đó làm việc tại Đại học Cambridge, đang nghiên cứu về đường phân, một quá trình phá vỡ đường theo nhiều phản ứng hoá học, giải phóng năng lượng mà tế bào có thể sử dụng. Khi dùng công nghệ cảm biến để theo dõi nhiều bước trong quá trình này, họ rất ngạc nhiên khi phát hiện ra một số phản ứng dường như đang “xảy ra tự phát”, Ralser kể, hiện ông đang làm việc tại Viện Francis Crick ở London. Trong các thí nghiệm đối chứng bị thiếu một số phân tử cần thiết cho phản ứng, các bước của quá trình đường phân vẫn xảy ra.
“Chuyện đó là không thể nào,” Ralser hồi tưởng lại lúc các nhà khoa học khác bảo ông.
Các nhà khoa học cho rằng những hồ giàu cacbonat và photpho, như hồ Mono ở California, đã từng rất phổ biến trên Trái Đất thuở sơ khai, có lẽ chúng đã cung cấp môi trường cho sự sống hình thành. Ảnh: Robert Harding Picture Library, Nat Geo Image Collection.
Mỗi tế bào sống về bản chất có một kiểu bộ máy hoá học. Điều này đúng ở tế bào thần kinh trong não người cũng như vi khuẩn giản đơn nhất. Những bộ máy hoá học này điều khiển quá trình trao đổi chất, là những quá trình chuyển hoá nguồn năng lượng như thức ăn thành những chất hữu ích và cấu tạo nên tế bào. Người ta bảo, quá trình trao đổi chất, kể cả đường phân, cần nhiều bộ máy vi mô tinh vi để vận hành. Nhưng nhóm của Ralser đã phát hiện ra một bộ máy có thể tự vận hành, không cần những phân tử phức tạp mà các nhà khoa học từng đinh ninh.
Kể từ phát hiện tình cờ ấy, một làn sóng hào hứng đã lan rộng khắp các nhà nghiên cứu chuyên nghiên cứu nguồn gốc sự sống. Rốt cuộc thì, nếu điều này có thể xảy trong ống nghiệm, có lẽ nó cũng có thể đã xảy ra hàng tỷ năm trước trong một miệng núi lửa biển thẳm, hoặc trong những bể nhiệt trên đất liền, hoặc đâu đó khác có nhiều hoạt động hoá học và vật chất hữu cơ. Thậm chí nó có thể là những phản ứng trao đổi chất bắt đầu chuỗi sự kiện dẫn đến sự sống khai sinh.
Một vài nhóm hiện đang tái hiện những bộ máy hoá học này từ con số không. Ngoài đường phân, các nhà khoa học đã tái tạo các bước của những quá trình tế bào căn bản khác, bao gồm chu kỳ axit citric nghịch, hay chu kỳ Krebs nghịch. Người ta tin những chu kỳ ấy đã lần đầu xuất hiện trong những tế bào rất cổ xưa.
Kỷ nguyên nghiên cứu mới đầy hứng khởi này đã khiến các nhà khoa học suy ngẫm lại con đường đã dẫn tới sinh vật sống đầu tiên, và một lần nữa buộc họ phải đối mặt với câu hỏi còn tồn đọng: Làm thế nào chúng ta định nghĩa được sự sống ngay từ đầu?
Nguồn gốc bí ẩn
Sự sống bắt đấu thế nào là một trong những bí ẩn nổi bật nhất của khoa học. Chúng ta đều biết nó xảy ra vào thời kỳ đầu trong lịch sử hành tinh vì có những hoá thạch vi sinh vật trong đá đã xuất hiện từ 3,5 tỷ năm trước, đúng một tỷ năm sau khi Trái Đất hình thành. Nhưng nó xảy ra như thế nào và ở đâu thì vẫn chưa biết chắc.
Vấn đề quan trọng là sinh vật sống rất phức tạp. Ngay cả tế bào vi khuẩn đơn giản nhất cũng có hàng trăm gen và hàng ngàn phân tử khác nhau. Tất cả những viên gạch này kết hợp với nhau theo một điệu vũ phức tạp, thoăn thoắt đưa thức ăn vào tế bào và đẩy ra chất thải, chữa lành thương tổn, sao chép gen và v.v…
Quy mô của tính phức tạp này được thể hiện trong nghiên cứu công bố năm 2021, so sánh DNA của 1089 vi khuẩn, là những vi sinh đơn giản nhất. Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu là kỹ sư sinh học Joana C. Xavier tại Đại học Düsseldorf, Đức lúc bấy giờ, đã tìm kiếm những họ protein chung ở các loài vi khuẩn, vì những họ này có khả năng là những họ rất cổ xưa, từ hơn 3 tỷ năm trước đến tổ tiên chung cuối cùng của mọi loài vi khuẩn. Họ phát hiện 146 họ protein như vậy, cho thấy ngay cả vi khuẩn sơ khai nhất cũng phức tạp phi thường và là sản phẩm của một quá trình tiến hoá lâu dài.
Mọi giả thuyết về nguồn gốc sự sống đều cố gạt đi tính phức tạp này và tưởng tượng một cái gì đó đơn giản hơn nhiều có thể đã tự phát sinh. Việc khó là quyết định hình hài của sự sống nguyên sơ này. Bộ phận nào của tế bào sống ta thấy ngày nay là bộ phận đầu tiên hình thành?
Nhiều ý kiến đã được đưa ra, như một phân tử có thể tự sao chép như một chuỗi RNA, hay một “bong bóng” hoặc “giọt” béo có thể sắm vai như cấu trúc tế bào nền tảng. Nhưng một nhóm các nhà khoa học ngày càng nhiều lại tin rằng trước khi có gen và thành tế bào, thứ đầu tiên mà sự sống cần là một bộ máy.
Quá trình trao đổi chất đầu tiên
Sự sống về cơ bản là chủ động. Ngay cả ở những sinh vật dường như cố định như cây cối vẫn có hoạt động năng nổ ở quy mô hiển vi.
Xavier, hiện đang làm việc tại Đại học London, so sánh một tế bào sống với một cốc nước có lỗ ở đáy và một vòi nước chảy vào. Nếu cả hai chảy như nhau, thể tích nước trong cốc sẽ không đổi, “nhưng sự chuyển đổi vẫn tiếp diễn.”
Tương tự, mọi sinh vật sống đều lấy vào dưỡng chất và dùng chúng để cấu tạo và chữa lành cơ thể. Đối với con người, điều đó nghĩa là ăn thức ăn và rồi dùng hệ tiêu hoá để phân huỷ chúng thành những chất hoá học đơn giản mà cơ thể có thể sử dụng.
Các sinh vật khác lấy năng lượng từ ánh sáng mặt trời, hoặc từ những hoá chất như metan, nhưng vẫn áp dụng cùng nguyên tắc. Hàng ngàn phản ứng liên tục chuyển đổi một chất thành chất khác và đưa đón các chất đến nơi cần chúng. Tất cả các quá trình này tạo nên sự trao đổi chất của một sinh vật. Nếu sự trao đổi chất dừng lại, sinh vật sẽ chết.
Hoá học của trao đổi chất là trung tâm của sự sống đến nỗi các nhà nghiên cứu tin nó phải nằm ở cốt lõi của những tế bào sống đầu tiên. Khi bộ máy trao đổi chất xuất hiện và vận hành, nó có thể tạo ra hoá chất khác mà sự sống cần, và dần dần các tế bào sẽ tự tổng hợp, Joseph Moran cho biết.
Song, mọi giả thuyết về quá trình trao đổi chất đầu tiên của nguồn gốc sự sống đều đối mặt với cùng vấn đề: Quá trình trao đổi chất, như chính sự sống, rất phức tạp. Ở nghiên cứu của Xavier về tổ tiên chung cuối cùng của vi khuẩn, cô ước tính các gen của những sinh vật cổ xưa này có thể sản sinh 243 chất hoá học qua quá trình trao đổi chất, cũng như chuyển đổi chất hoá học thành một chất khác.
Ngay cả những đường lối riêng ở trao đổi chất cũng phức tạp. Lấy chu trình axit citric làm ví dụ, hoặc chu trình Krebs, là một trong các cách tế bào chiết xuất năng lượng từ chất dinh dưỡng. Như cái tên, chu trình bắt đầu từ axit citric, loại hoá chất mang lại cho trái cây họ cam chanh vị chua. Chất này được chuyển thành một chất thứ hai gọi là cis-aconitate, và sau đó thành bảy hoá chất nữa trước khi tái tạo ra axit citric ở bước cuối cùng. Trong quá trình đó, nhiều hoá sinh chất được tạo ra và phân phối đến phần còn lại của tế bào.
Khó hình dung nổi một quá trình phức tạp như vậy có thể tự mình bắt đầu. Cụ thể hơn, mỗi bước lại được kiểm soát bởi một phân tử gọi là enzyme. Enzym làm tăng tốc độ phản ứng hoá học đang diễn ra. Để một quá trình như chu trình Krebs hoạt động cần có enzym. Nhưng enzym là những phân tử phức hợp chỉ có thể được tạo ra thông qua quá trình trao đổi chất, dưới sự kiểm soát của gen.
Do đó, các nhà khoa học phải đối mặt với song đề con gà hay quả trứng trong sinh học: Cái nào có trước, bộ máy hoá học để cấu tạo tế bào, hay cơ chế tế bào cần có để xây dựng bộ máy?
Khởi động bộ máy sự sống
Sau khi Ralser và nhóm ông thực hiện khám phá đầu tiên vào đầu những năm 2010, họ quyết định sẽ nghiên cứu sâu hơn về các phản ứng trao đổi chất có thể tự vận hành. Họ hoà tan vào nước cất 12 hoá chất được dùng trong quá trình đường phân một cách riêng biệt. Sau đó đun nóng mẫu tới 70 độ C trong 5 giờ, mô phỏng điều kiện gần một núi lửa dưới biển. 17 phản ứng hoá học, từ quá trình đường phân hoặc từ một con đường trao đổi chất có liên quan, đã bắt đầu xảy ra trong các thí nghiệm.
Tiếp đến Ralser liên lạc Alexandra Turchyn, một nhà địa hoá học tại Đại học Cambridge để hỏi xin một bàn danh sách các hoá chất được cho là đã hoà tan trong đại dương nguyên thuỷ, bao gồm những kim loại như sắt và natri. Nhóm đã thêm những chất này vào hỗn hợp để xem liệu chúng có khiến phản ứng diễn ra dễ hơn hay không.
“Chúng tôi thành công mỹ mãn ở sắt,” Ralser kể. Năm 2014 họ có 28 phản ứng xảy ra, bao gồm một chu trình trao đổi chất hoàn chỉnh. Nhóm tiếp tục trên kết quả ban đầu, năm 2017 họ tạo ra được một phiên bản chu trình axit citric xúc tác bởi sunphat, và tạo ra được đường từ các hoá chất đơn giản trong quá trình sinh gluco, dù phải thực hiện trong nước đá.
Ý tưởng về chu trình trao đổi chất không cần enzym về sau được Moran kế thừa, ông hợp tác với học trò cũ Kamila Muchowska. Họ đã đột phá với những quá trình trao đổi chất khác như quá trình acetyl-CoA, chuyển cacbon dioxit thành acetyl-CoA, một trong những hoá chất quan trọng nhất trong trao đổi chất.
Nhưng trong số nhiều cơ chế của sự sống, các nhà khoa học đã thực hiện nhiểu lần chu trình axit citric nghịch. Quá trình này cơ bản là chu trình axit citric ngược chiều, được một số vi khuẩn sử dụng để tạo ra các hợp chất cacbon dạng phức từ cacbon dioxit và nước. Và có bằng chứng cho thấy quá trình ấy cực kỳ cổ xưa.
Tương tự Ralser, Moran và Muchowska cũng dùng những kim loại như sắt để xác tác phản ứng hoá học trong phòng thí nghiệm. Năm 2017, họ đã kích hoạt được 6/11 phản ứng trong chu trình axit citric nghịch, và hai năm sau họ phát hiện ra thêm những phản ứng khác.
“Chúng tôi chưa tạo được toàn bộ chu trình,” Moran cho biết. Nhưng họ đang đến rất gần.
Không hẳn là sinh học
Dù hào hứng là thế, nhưng các nhà khoa học vẫn bán tín bán nghi liệu toàn bộ các chu trình tế bào có thực sự xảy ra mà không cần enzyme để xúc tác quá trình hay không. Đối với Ramanarayanan Krishnamurthy của Viện Nghiên cứu Scripps, việc tạo ra chỉ một phần của chu trình chẳng mấy thuyết phục.
“Nó giống như đập vỡ tan tành một lọ thuỷ tinh, và sau đó nói: Những mảnh này đến từ cái lọ đó, nên tôi có thể ghép lại cái lọ đó,” ông nhận định.
Krishnamurthy và đồng nghiệp đang thử cách khác. “Chúng tôi đang tự tách mình khỏi sinh học,” ông nói, vì những gì xảy ra trong tế bào ngày nay là một chỉ dẫn khuyết thiếu cho những gì đã xảy ra hàng tỷ năm trước. “Tôi chỉ muốn để hoá học chỉ đường cho mình.”
Năm 2018, nhóm của Krishnamurthy đã chứng minh có một bộ máy trao đổi chất mới gồm hai chu trình và hoạt động không cần enzyme. “Chúng tôi bỏ qua một vài phân tử không ổn định nhất, một vài bước khó nhất mà sinh học có thể làm tốt nhờ enzyme đã tiến hoá phức tạp,” Krishnamurthy cho biết. Ông cho rằng quá trình này có thể là một tiền thân cổ xưa của chu trình Krebs nghịch.
Gần đây hơn, nhóm ông đã thêm vào cyanid để thử nghiệm, vì chất này được cho là đã từng rất dồi dào trên Trái Đất nguyên thuỷ. Các nghiên cứu trước đây cho thấy cyanide có thể tạo ra nhiều sinh chất vì nó rất hoạt động, nhưng không rõ liệu cyanide có đóng vai trò gì trong nguồn gốc sự sống hay không vì nó rất độc với sinh vật. Dẫu sao thì nhóm của Krishnamurthy cũng chứng minh được cyanide có thể kích hoạt bộ máy trao đổi chất tương tự một số chức năng của sự sống.
Moran hoài nghi về phương pháp này vì những bộ máy thay thế này không tạo ra một số hoá chất quan trọng của sự sống. “Tôi không hiểu tại sao anh muốn làm vậy,” ông thắc mắc.
Vẫn còn phải quan sát xem phiên bản hoàn chỉnh của mọi chu trình trao đổi chất ngày nay có thể được sinh ra để vận hành mà không cần enzyme hay không, hay liệu sự sống đầu tiên có phải sinh ra bằng những phiên bản khác đơn giản như thí nghiệm của Krishnamurthy hay không.
Bộ máy sống?
Khả năng bắt chước các quá trình của sự sống ở dạng đơn giản hoá đã dẫn tới một câu hỏi sâu sắc: Ở mức độ nào chúng ta có thể gọi những hệ thống hoá học này là “sự sống”? Nếu một bộ máy trao đổi chất đang o o trong một lọ thuỷ tinh thì nó có đang sống không?
Hầu hết các nhà khoa học sẽ bảo là không. Với một vật đang sống, “chúng ta cần phải có một hệ thống đủ phức tạp để nó có thể trao đổi chất và nhân đôi,” Ralser cho biết. Một bộ máy trao đổi chất tự nó không làm vậy được, nhưng nó là một bước đi trên con đường tiến tới một thứ có thể làm được.
“Chưa ai thực sự định nghĩa được sự sống,” Krishnamurthy nói, và có quá nhiều ngoại lệ. Ví dụ, nhiều định nghĩa về sự sống nêu rằng một sinh vật phải sinh sản được, nhưng động vật đơn tính không thể sinh sản mà không có bạn tình, nên với những định nghĩa khắt khe này, một con thỏ đơn độc không phải sinh vật sống.
“Mọi thứ ở giữa sống và không sống đều biến động,” Muchowska cho biết. Bộ máy trao đổi chất không hoàn toàn vô sinh như đất đá, cũng không hoàn toàn hữu sinh như vi khuẩn.
Sự sống theo một nghĩa nào đó là một kiểu sự cố hoá học, một điệu vũ quay cuồng chưa dừng lại trong 3,5 tỷ năm. Bất kể chúng ta định nghĩa sự sống thế nào, điệu vũ đó vẫn tiếp diễn, chầm chậm mài giũa bộ máy sinh học đã tạo dựng nên những hình thái vô tận trên Trái Đất xinh đẹp nhất và tuyệt vời nhất.
(Theo National Geographic)
Miệng phun hoạt động dưới đáy biển, như miệng phun cao khoảng 100 ft này ở Vùng Thuỷ nhiệt Thành phố bị mất (Lost City) của Đại Tây Dương, nhanh chóng tạo ra những phân tử hữu cơ đơn giản có thể là chìa khoá dẫn tới sự xuất hiện của sự sống trên Trái Đất. Ảnh: D. Kelley & M. Elend.
Markus Ralser chưa từng muốn nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Những nghiên cứu của ông chủ yếu tập trung vào quá trình tự dưỡng của tế bào và sự chệch hướng của những quá trình đó ở những sinh vật bị căng thẳng hoặc bị bệnh. Nhưng khoảng 10 năm trước, rất tình cờ, Ralser và nhóm của ông đã có một phát hiện gây sốc.
Nhóm ông, thời đó làm việc tại Đại học Cambridge, đang nghiên cứu về đường phân, một quá trình phá vỡ đường theo nhiều phản ứng hoá học, giải phóng năng lượng mà tế bào có thể sử dụng. Khi dùng công nghệ cảm biến để theo dõi nhiều bước trong quá trình này, họ rất ngạc nhiên khi phát hiện ra một số phản ứng dường như đang “xảy ra tự phát”, Ralser kể, hiện ông đang làm việc tại Viện Francis Crick ở London. Trong các thí nghiệm đối chứng bị thiếu một số phân tử cần thiết cho phản ứng, các bước của quá trình đường phân vẫn xảy ra.
“Chuyện đó là không thể nào,” Ralser hồi tưởng lại lúc các nhà khoa học khác bảo ông.
Các nhà khoa học cho rằng những hồ giàu cacbonat và photpho, như hồ Mono ở California, đã từng rất phổ biến trên Trái Đất thuở sơ khai, có lẽ chúng đã cung cấp môi trường cho sự sống hình thành. Ảnh: Robert Harding Picture Library, Nat Geo Image Collection.
Mỗi tế bào sống về bản chất có một kiểu bộ máy hoá học. Điều này đúng ở tế bào thần kinh trong não người cũng như vi khuẩn giản đơn nhất. Những bộ máy hoá học này điều khiển quá trình trao đổi chất, là những quá trình chuyển hoá nguồn năng lượng như thức ăn thành những chất hữu ích và cấu tạo nên tế bào. Người ta bảo, quá trình trao đổi chất, kể cả đường phân, cần nhiều bộ máy vi mô tinh vi để vận hành. Nhưng nhóm của Ralser đã phát hiện ra một bộ máy có thể tự vận hành, không cần những phân tử phức tạp mà các nhà khoa học từng đinh ninh.
Kể từ phát hiện tình cờ ấy, một làn sóng hào hứng đã lan rộng khắp các nhà nghiên cứu chuyên nghiên cứu nguồn gốc sự sống. Rốt cuộc thì, nếu điều này có thể xảy trong ống nghiệm, có lẽ nó cũng có thể đã xảy ra hàng tỷ năm trước trong một miệng núi lửa biển thẳm, hoặc trong những bể nhiệt trên đất liền, hoặc đâu đó khác có nhiều hoạt động hoá học và vật chất hữu cơ. Thậm chí nó có thể là những phản ứng trao đổi chất bắt đầu chuỗi sự kiện dẫn đến sự sống khai sinh.
Một vài nhóm hiện đang tái hiện những bộ máy hoá học này từ con số không. Ngoài đường phân, các nhà khoa học đã tái tạo các bước của những quá trình tế bào căn bản khác, bao gồm chu kỳ axit citric nghịch, hay chu kỳ Krebs nghịch. Người ta tin những chu kỳ ấy đã lần đầu xuất hiện trong những tế bào rất cổ xưa.
Kỷ nguyên nghiên cứu mới đầy hứng khởi này đã khiến các nhà khoa học suy ngẫm lại con đường đã dẫn tới sinh vật sống đầu tiên, và một lần nữa buộc họ phải đối mặt với câu hỏi còn tồn đọng: Làm thế nào chúng ta định nghĩa được sự sống ngay từ đầu?
Nguồn gốc bí ẩn
Sự sống bắt đấu thế nào là một trong những bí ẩn nổi bật nhất của khoa học. Chúng ta đều biết nó xảy ra vào thời kỳ đầu trong lịch sử hành tinh vì có những hoá thạch vi sinh vật trong đá đã xuất hiện từ 3,5 tỷ năm trước, đúng một tỷ năm sau khi Trái Đất hình thành. Nhưng nó xảy ra như thế nào và ở đâu thì vẫn chưa biết chắc.
Vấn đề quan trọng là sinh vật sống rất phức tạp. Ngay cả tế bào vi khuẩn đơn giản nhất cũng có hàng trăm gen và hàng ngàn phân tử khác nhau. Tất cả những viên gạch này kết hợp với nhau theo một điệu vũ phức tạp, thoăn thoắt đưa thức ăn vào tế bào và đẩy ra chất thải, chữa lành thương tổn, sao chép gen và v.v…
Quy mô của tính phức tạp này được thể hiện trong nghiên cứu công bố năm 2021, so sánh DNA của 1089 vi khuẩn, là những vi sinh đơn giản nhất. Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu là kỹ sư sinh học Joana C. Xavier tại Đại học Düsseldorf, Đức lúc bấy giờ, đã tìm kiếm những họ protein chung ở các loài vi khuẩn, vì những họ này có khả năng là những họ rất cổ xưa, từ hơn 3 tỷ năm trước đến tổ tiên chung cuối cùng của mọi loài vi khuẩn. Họ phát hiện 146 họ protein như vậy, cho thấy ngay cả vi khuẩn sơ khai nhất cũng phức tạp phi thường và là sản phẩm của một quá trình tiến hoá lâu dài.
Mọi giả thuyết về nguồn gốc sự sống đều cố gạt đi tính phức tạp này và tưởng tượng một cái gì đó đơn giản hơn nhiều có thể đã tự phát sinh. Việc khó là quyết định hình hài của sự sống nguyên sơ này. Bộ phận nào của tế bào sống ta thấy ngày nay là bộ phận đầu tiên hình thành?
Nhiều ý kiến đã được đưa ra, như một phân tử có thể tự sao chép như một chuỗi RNA, hay một “bong bóng” hoặc “giọt” béo có thể sắm vai như cấu trúc tế bào nền tảng. Nhưng một nhóm các nhà khoa học ngày càng nhiều lại tin rằng trước khi có gen và thành tế bào, thứ đầu tiên mà sự sống cần là một bộ máy.
Quá trình trao đổi chất đầu tiên
Sự sống về cơ bản là chủ động. Ngay cả ở những sinh vật dường như cố định như cây cối vẫn có hoạt động năng nổ ở quy mô hiển vi.
Xavier, hiện đang làm việc tại Đại học London, so sánh một tế bào sống với một cốc nước có lỗ ở đáy và một vòi nước chảy vào. Nếu cả hai chảy như nhau, thể tích nước trong cốc sẽ không đổi, “nhưng sự chuyển đổi vẫn tiếp diễn.”
Tương tự, mọi sinh vật sống đều lấy vào dưỡng chất và dùng chúng để cấu tạo và chữa lành cơ thể. Đối với con người, điều đó nghĩa là ăn thức ăn và rồi dùng hệ tiêu hoá để phân huỷ chúng thành những chất hoá học đơn giản mà cơ thể có thể sử dụng.
Các sinh vật khác lấy năng lượng từ ánh sáng mặt trời, hoặc từ những hoá chất như metan, nhưng vẫn áp dụng cùng nguyên tắc. Hàng ngàn phản ứng liên tục chuyển đổi một chất thành chất khác và đưa đón các chất đến nơi cần chúng. Tất cả các quá trình này tạo nên sự trao đổi chất của một sinh vật. Nếu sự trao đổi chất dừng lại, sinh vật sẽ chết.
Hoá học của trao đổi chất là trung tâm của sự sống đến nỗi các nhà nghiên cứu tin nó phải nằm ở cốt lõi của những tế bào sống đầu tiên. Khi bộ máy trao đổi chất xuất hiện và vận hành, nó có thể tạo ra hoá chất khác mà sự sống cần, và dần dần các tế bào sẽ tự tổng hợp, Joseph Moran cho biết.
Song, mọi giả thuyết về quá trình trao đổi chất đầu tiên của nguồn gốc sự sống đều đối mặt với cùng vấn đề: Quá trình trao đổi chất, như chính sự sống, rất phức tạp. Ở nghiên cứu của Xavier về tổ tiên chung cuối cùng của vi khuẩn, cô ước tính các gen của những sinh vật cổ xưa này có thể sản sinh 243 chất hoá học qua quá trình trao đổi chất, cũng như chuyển đổi chất hoá học thành một chất khác.
Ngay cả những đường lối riêng ở trao đổi chất cũng phức tạp. Lấy chu trình axit citric làm ví dụ, hoặc chu trình Krebs, là một trong các cách tế bào chiết xuất năng lượng từ chất dinh dưỡng. Như cái tên, chu trình bắt đầu từ axit citric, loại hoá chất mang lại cho trái cây họ cam chanh vị chua. Chất này được chuyển thành một chất thứ hai gọi là cis-aconitate, và sau đó thành bảy hoá chất nữa trước khi tái tạo ra axit citric ở bước cuối cùng. Trong quá trình đó, nhiều hoá sinh chất được tạo ra và phân phối đến phần còn lại của tế bào.
Khó hình dung nổi một quá trình phức tạp như vậy có thể tự mình bắt đầu. Cụ thể hơn, mỗi bước lại được kiểm soát bởi một phân tử gọi là enzyme. Enzym làm tăng tốc độ phản ứng hoá học đang diễn ra. Để một quá trình như chu trình Krebs hoạt động cần có enzym. Nhưng enzym là những phân tử phức hợp chỉ có thể được tạo ra thông qua quá trình trao đổi chất, dưới sự kiểm soát của gen.
Do đó, các nhà khoa học phải đối mặt với song đề con gà hay quả trứng trong sinh học: Cái nào có trước, bộ máy hoá học để cấu tạo tế bào, hay cơ chế tế bào cần có để xây dựng bộ máy?
Khởi động bộ máy sự sống
Sau khi Ralser và nhóm ông thực hiện khám phá đầu tiên vào đầu những năm 2010, họ quyết định sẽ nghiên cứu sâu hơn về các phản ứng trao đổi chất có thể tự vận hành. Họ hoà tan vào nước cất 12 hoá chất được dùng trong quá trình đường phân một cách riêng biệt. Sau đó đun nóng mẫu tới 70 độ C trong 5 giờ, mô phỏng điều kiện gần một núi lửa dưới biển. 17 phản ứng hoá học, từ quá trình đường phân hoặc từ một con đường trao đổi chất có liên quan, đã bắt đầu xảy ra trong các thí nghiệm.
Tiếp đến Ralser liên lạc Alexandra Turchyn, một nhà địa hoá học tại Đại học Cambridge để hỏi xin một bàn danh sách các hoá chất được cho là đã hoà tan trong đại dương nguyên thuỷ, bao gồm những kim loại như sắt và natri. Nhóm đã thêm những chất này vào hỗn hợp để xem liệu chúng có khiến phản ứng diễn ra dễ hơn hay không.
“Chúng tôi thành công mỹ mãn ở sắt,” Ralser kể. Năm 2014 họ có 28 phản ứng xảy ra, bao gồm một chu trình trao đổi chất hoàn chỉnh. Nhóm tiếp tục trên kết quả ban đầu, năm 2017 họ tạo ra được một phiên bản chu trình axit citric xúc tác bởi sunphat, và tạo ra được đường từ các hoá chất đơn giản trong quá trình sinh gluco, dù phải thực hiện trong nước đá.
Ý tưởng về chu trình trao đổi chất không cần enzym về sau được Moran kế thừa, ông hợp tác với học trò cũ Kamila Muchowska. Họ đã đột phá với những quá trình trao đổi chất khác như quá trình acetyl-CoA, chuyển cacbon dioxit thành acetyl-CoA, một trong những hoá chất quan trọng nhất trong trao đổi chất.
Nhưng trong số nhiều cơ chế của sự sống, các nhà khoa học đã thực hiện nhiểu lần chu trình axit citric nghịch. Quá trình này cơ bản là chu trình axit citric ngược chiều, được một số vi khuẩn sử dụng để tạo ra các hợp chất cacbon dạng phức từ cacbon dioxit và nước. Và có bằng chứng cho thấy quá trình ấy cực kỳ cổ xưa.
Tương tự Ralser, Moran và Muchowska cũng dùng những kim loại như sắt để xác tác phản ứng hoá học trong phòng thí nghiệm. Năm 2017, họ đã kích hoạt được 6/11 phản ứng trong chu trình axit citric nghịch, và hai năm sau họ phát hiện ra thêm những phản ứng khác.
“Chúng tôi chưa tạo được toàn bộ chu trình,” Moran cho biết. Nhưng họ đang đến rất gần.
Không hẳn là sinh học
Dù hào hứng là thế, nhưng các nhà khoa học vẫn bán tín bán nghi liệu toàn bộ các chu trình tế bào có thực sự xảy ra mà không cần enzyme để xúc tác quá trình hay không. Đối với Ramanarayanan Krishnamurthy của Viện Nghiên cứu Scripps, việc tạo ra chỉ một phần của chu trình chẳng mấy thuyết phục.
“Nó giống như đập vỡ tan tành một lọ thuỷ tinh, và sau đó nói: Những mảnh này đến từ cái lọ đó, nên tôi có thể ghép lại cái lọ đó,” ông nhận định.
Krishnamurthy và đồng nghiệp đang thử cách khác. “Chúng tôi đang tự tách mình khỏi sinh học,” ông nói, vì những gì xảy ra trong tế bào ngày nay là một chỉ dẫn khuyết thiếu cho những gì đã xảy ra hàng tỷ năm trước. “Tôi chỉ muốn để hoá học chỉ đường cho mình.”
Năm 2018, nhóm của Krishnamurthy đã chứng minh có một bộ máy trao đổi chất mới gồm hai chu trình và hoạt động không cần enzyme. “Chúng tôi bỏ qua một vài phân tử không ổn định nhất, một vài bước khó nhất mà sinh học có thể làm tốt nhờ enzyme đã tiến hoá phức tạp,” Krishnamurthy cho biết. Ông cho rằng quá trình này có thể là một tiền thân cổ xưa của chu trình Krebs nghịch.
Gần đây hơn, nhóm ông đã thêm vào cyanid để thử nghiệm, vì chất này được cho là đã từng rất dồi dào trên Trái Đất nguyên thuỷ. Các nghiên cứu trước đây cho thấy cyanide có thể tạo ra nhiều sinh chất vì nó rất hoạt động, nhưng không rõ liệu cyanide có đóng vai trò gì trong nguồn gốc sự sống hay không vì nó rất độc với sinh vật. Dẫu sao thì nhóm của Krishnamurthy cũng chứng minh được cyanide có thể kích hoạt bộ máy trao đổi chất tương tự một số chức năng của sự sống.
Moran hoài nghi về phương pháp này vì những bộ máy thay thế này không tạo ra một số hoá chất quan trọng của sự sống. “Tôi không hiểu tại sao anh muốn làm vậy,” ông thắc mắc.
Vẫn còn phải quan sát xem phiên bản hoàn chỉnh của mọi chu trình trao đổi chất ngày nay có thể được sinh ra để vận hành mà không cần enzyme hay không, hay liệu sự sống đầu tiên có phải sinh ra bằng những phiên bản khác đơn giản như thí nghiệm của Krishnamurthy hay không.
Bộ máy sống?
Khả năng bắt chước các quá trình của sự sống ở dạng đơn giản hoá đã dẫn tới một câu hỏi sâu sắc: Ở mức độ nào chúng ta có thể gọi những hệ thống hoá học này là “sự sống”? Nếu một bộ máy trao đổi chất đang o o trong một lọ thuỷ tinh thì nó có đang sống không?
Hầu hết các nhà khoa học sẽ bảo là không. Với một vật đang sống, “chúng ta cần phải có một hệ thống đủ phức tạp để nó có thể trao đổi chất và nhân đôi,” Ralser cho biết. Một bộ máy trao đổi chất tự nó không làm vậy được, nhưng nó là một bước đi trên con đường tiến tới một thứ có thể làm được.
“Chưa ai thực sự định nghĩa được sự sống,” Krishnamurthy nói, và có quá nhiều ngoại lệ. Ví dụ, nhiều định nghĩa về sự sống nêu rằng một sinh vật phải sinh sản được, nhưng động vật đơn tính không thể sinh sản mà không có bạn tình, nên với những định nghĩa khắt khe này, một con thỏ đơn độc không phải sinh vật sống.
“Mọi thứ ở giữa sống và không sống đều biến động,” Muchowska cho biết. Bộ máy trao đổi chất không hoàn toàn vô sinh như đất đá, cũng không hoàn toàn hữu sinh như vi khuẩn.
Sự sống theo một nghĩa nào đó là một kiểu sự cố hoá học, một điệu vũ quay cuồng chưa dừng lại trong 3,5 tỷ năm. Bất kể chúng ta định nghĩa sự sống thế nào, điệu vũ đó vẫn tiếp diễn, chầm chậm mài giũa bộ máy sinh học đã tạo dựng nên những hình thái vô tận trên Trái Đất xinh đẹp nhất và tuyệt vời nhất.
(Theo National Geographic)