Quá trình tiến hóa từ những tế bào nhân sơ cho đến các sinh vật bậc cao (chim, thú, bò sát, người...) đã khiến không ít người trong chúng ta phải thốt lên kinh ngạc về khả năng diệu kỳ của sự sống. Tuy vậy, việc tìm lời giải thích quá trình trên xem chừng vẫn dễ hơn rất nhiều so với tìm đáp án cho câu hỏi - bằng cách nào mà những phân tử vật chất đơn giản lại có thể tạo thành các phân tử hữu cơ phức tạp?
Có thể nói những "viên gạch" đầu tiên cho sự sống đều có liên quan tới các nucleobase, gồm adenine (A), guanine (G), cytosine (C), và uracil (U), giúp tạo nên chuỗi RNA.
Riêng ở chuỗi xoắn kép DNA, thay thế cho uracil là thymine (T) với tính chất tương tự. Theo đó, C gắn với G liên kết 3 hydrogen hóa trị, còn A gắn U (hoặc T) qua liên kết 2 hydrogen hóa trị. Từ những mạch RNA đơn hoặc DNA kép này mà các sinh vật đã ra đời.
Song ngay cả khi đã phân tích được đến thế, các nhà sinh học vẫn lúng túng với câu hỏi - vậy các nucleobase đã được làm ra như thế nào?
Dù là cực kỳ bé nhỏ và đơn giản trong một tế bào, cấu tạo của nucleobase vẫn rất phức tạp khi nhìn từ góc độ phân tử. Bằng cách nào mà các nguyên tử C, H, O, N rất đơn giản lại "biết" gắn kết với nhau thành những chuỗi acid nucleic cực kỳ phức tạp?
5 loại nucleobase đặt nền tảng cho RNA/DNA
Một trong các cách giải thích được sử dụng rộng rãi tới ngày nay là thí nghiệm Urey-Miller được công bố vào 1953.
Theo đó 2 nhà hóa học Stanley Miller và Harold Urey đã cùng nhau giả lập lại môi trường sơ khai của Trái Đất cách đây hơn 3,5 tỷ năm. Họ đã tiến hành đun một hỗn hợp CH4, NH3, H2O và H2, dẫn qua một quả cầu thủy tinh lớn và đánh tia lửa điện (mô phỏng lại sét) vào chúng.
Hỗn hợp sau đấy được dẫn vòng về chỗ cũ và quá trình trên được lặp đi lặp lại nhiều lần. Sau một ngày mẫu nước chứa các hợp chất được tuần hoàn trên chuyển sang màu hồng sậm và được lấy ra đi phân tích. Chi tiết đáng ngạc nhiên là chỉ từ 4 chất hết sức cơ bản, họ đã tìm thấy 5 mẫu amino acid (hợp chất có chứa nhóm -NH2 và -COOH) khác nhau trong dung dịch thu được.
Thí nghiệm này nổi tiếng đến mức nó đã được lặp lại nhiều lần. Đáng kể nhất là phiên bản 2008 sử dụng những công cụ phân tích tốt hơn thập niên 1950, đã lọc ra được 14 amino acid và 5 mẫu amine (dẫn xuất từ NH3 với các liên kết hydrogen được thay bằng một gốc khác).
Sau đó, trong phiên bản hiện đại hơn vào 2010 - bổ sung thêm H2S, một sinh viên của Miller cho rằng dung dịch thu được có thể chứa tới 40 chất khác nhau!
Ảnh minh họa thí nghiệm Urey-Miller 1953.
Dù thành công là thế, thí nghiệm Urey-Miller vẫn gặp phải một số chỉ trích từ các nhà khoa học khác. Có ý kiến cho rằng bầu khí quyển Trái Đất khoảng 4 tỷ năm không có nhiều loại khí khác nhau đến thế.
Ý kiến khác trung dung hơn khi nói nồng độ của các khí có thể biến động rất nhiều và khả năng xảy ra phản ứng hóa học giữa chúng rất thấp.
Nhưng điều quan trọng nhất là các amino acid mà các lần thí nghiệm tái tạo được đều không phải loại các nhà khoa học cần tìm - các RNA hay thành phần làm nên đặc tính riêng của chúng, nucleobase. Nói cách khác, viên gạch lấp đầy khoảng trống từ các chất cực kỳ đơn giản đến các phân tử hữu cơ có thể khởi mầm cho sự sống vẫn còn bị bỏ ngỏ.
Vậy thiên thạch có vai trò gì trong câu chuyện lần này?
Cũng lấy lại ý tưởng từ thí nghiệm Urey-Miller, nhưng các nhà khoa học Pháp và Cộng Hòa Séc không tìm kiếm các amino acid nêu trên, mà mục tiêu của họ là formamide (CH3NO). Formamide có thể xem là bước trung gian để tạo ra các nucleobase A, G, C, U. Các polymer tổng hợp được nucleobase đều có thể được tạo từ formamide.
Nói cách khác, nhà nghiên cứu không tìm kiếm trực tiếp "món ăn" mà tìm tới các "nguyên liệu làm nên món ăn". Không chỉ thế, họ còn phải tìm ra được cách biến "nguyên liệu" thành "món ăn", tức phải nêu ra được con đường mà formamide tạo nên các gốc RNA.
Mô hình phân tử formamide (CH3NO).
Bản nghiên cứu viết: "Phân tử formamide không đóng vai trò trực tiếp trong việc tạo ra các chất nền cho sự sống, nhưng nó có thể được xem xét một bước trung gian để các phản ứng đi từ các hỗn hợp chất đơn giản tiền sinh học thành các phân tử sinh học".
Cũng tương tự thí nghiệm Urey-Miller, nhóm này dùng một hỗn hợp tiền sinh học gồm CO, H 2 O và NH 3 (bỏ CH 4 và H 2 ). Do đây là các khí "nặng" trong khí quyển nên dễ có điều kiện tiếp xúc lẫn nhau hơn (H 2 quá nhẹ và thường ở tầng thượng quyển), còn CO có tác dụng tương tự CH 4 .
Lặp lại chu trình như Miller từng làm, họ thu được một hỗn hợp có đầy formamide và hydrogen cyanide (HCN).
Nhưng để tiến xa hơn mức formamide, nhóm nghiên cứu cần có thêm một yếu tố xúc tác khác. Họ nghĩ đến những nguồn phát sinh năng lượng cực mạnh ví như tia UV, tia X hoặc các vụ va chạm của sao chổi vào Trái Đất - quá trình va đập tạo một sóng xung kích cực mạnh đi kèm với luồng khí bị plasma hóa ra xung quanh.
Những vụ va chạm hủy diệt như vậy lại có thể đã "thổi hồn" cho sự sống ra đời?
Song tác động một lực cực mạnh như vậy vào các bình thủy tinh làm thí nghiệm là không thể, họ đã thay bằng các hệ thống đốt laser có công suất mạnh tới 1 TW. Kết quả thu được rất ấn tượng: "Chúng tôi phát hiện đủ mọi tiền chất nucleobase tạo ra RNA - uracil, cytosine, adenine và guanine - cùng với urea (CO(NH 2 ) 2 ) và dạng amino acid đơn giản nhất, glycine (C 2 H 5 NO 2 )".
Nhóm nghiên cứu viết: "Các phát hiện này hỗ trợ cho ý tưởng rằng hỗn hợp khí quyển NH 3 + CO + H 2 O có thể thay thế formamide dùng làm môi trường ban đầu cho việc hình thành không chỉ ra các amino acid, mà còn cả các gốc nucleobase của RNA".
Dù hàm lượng các chất cần thiết khá thấp, nhưng thực nghiệm trên cũng đã vạch ra được một hướng đi mới, bổ sung thêm cho thí nghiệm Urey-Miller, rằng chỉ từ các tiền chất đơn giản, RNA vẫn có thể ra đời được trong một môi trường "thiếu thốn" các nguyên liệu.
Ngoài ra, nhóm này còn chỉ ra thêm rằng, các gốc acid nucleic vẫn có thể bị "băm nhỏ" ra thành các tiền chất đơn giản hơn. Những tiền chất này sẽ đóng vai trò "làm giàu" thêm cho môi trường khí quyển "nghèo nàn" của Trái Đất khoảng 4 tỷ năm trước. Sau đó, các quá trình phân rã và tổng hợp trên sẽ lặp lại nhiều lần để ra được các nucleobase hoàn chỉnh.
Từng bước một, sự sống phức tạp đã ra đời từ những nguyên tử đơn giản nhất.
Nhìn rộng hơn, bản nghiên cứu này còn vạch ra một cái nhìn lạc quan hơn về sự sống ở các hành tinh khác.
Nếu nucleobase có thể ra đời trên Trái Đất trong bầu khí quyển "nghèo nàn" như vậy, thì chúng cũng có thể xuất hiện trên những tinh cầu tương tự, ví như vệ tinh Titan của sao Mộc.
Tương tự sự sống có thể đã nảy mầm ở rất nhiều nơi trong vũ trụ, chỉ là khoảng cách quá xa và mức độ tiến hóa đến mức nào thì chúng ta vẫn chưa giải đáp được.
Toàn bộ chi tiết bản nghiên cứu đã được đăng tải trên trang Học viện Khoa học Quốc gia Mỹ (PNAS) .
