Sinh học — khi "đống hoá học" tự dưng biết sống

Ở bài hoá học mình đã nói: hoá học là chuyện các nguyên tử gặp nhau, kết hợp, tạo ra những phân tử ngày càng phức tạp. Nhưng tới một lúc nào đó, câu chuyện rẽ sang một hướng hoàn toàn khác: đống phân tử đó bắt đầu... tự sao chép, tự duy trì, tự thay đổi qua các thế hệ. Tức là nó bắt đầu sống. Sinh học, nói gọn nhất, là hoá học cộng thêm thời gian — rất nhiều thời gian — và một nguyên tắc: cái gì sao chép được tốt hơn thì còn lại. Bài này kể về quá trình đó, từ một Trái Đất chưa có gì sống, tới lúc muôn loài xuất hiện.

Trước hết, phải có nguyên liệu

Trái Đất hình thành cách đây khoảng 4,54 tỉ năm. Lúc đầu nó là một quả cầu đá nóng chảy, không có đại dương, không có khí quyển như bây giờ, và chắc chắn không có sự sống. Vậy sự sống bắt đầu từ đâu? Từ những năm 1920, nhà hoá sinh người Nga Aleksandr Oparin và nhà sinh lý học người Anh J.B.S. Haldane đã độc lập đưa ra cùng một ý tưởng: khí quyển Trái Đất thời sơ khai giàu mê-tan, amoniac, hi-đrô và hơi nước — và dưới tác động của sấm sét hay bức xạ, những khí đơn giản đó có thể tự kết hợp thành phân tử hữu cơ, rồi rơi xuống đại dương tạo thành một thứ "canh nguyên thuỷ" (primordial soup) đầy nguyên liệu cho sự sống. Ý tưởng này chỉ là giả thuyết — cho tới năm 1953. Khi đó Stanley Miller, một nghiên cứu sinh ở Đại học Chicago, dưới sự hướng dẫn của Harold Urey, cho nước, mê-tan, amoniac và hi-đrô vào một hệ thống ống thuỷ tinh kín, đun sôi nước và phóng điện liên tục để giả lập sấm sét. Sau một tuần, nước trong bình chuyển màu nâu đỏ, và phân tích cho thấy trong đó có amino acid — những "viên gạch" tạo nên protein của mọi sinh vật, trong đó có glycine và alanine. Kết quả được đăng trên tạp chí Science. Thí nghiệm Miller-Urey không tạo ra sự sống. Nó chỉ chứng minh một điều nhỏ nhưng quan trọng: từ vật chất vô cơ, hoàn toàn có thể tạo ra các phân tử hữu cơ mà sự sống cần, mà không cần tới bàn tay của sinh vật nào. Dĩ nhiên, bức tranh ngày nay đã phức tạp hơn — khí quyển sơ khai có thể không "khử" mạnh như Miller giả định, và một phần nguyên liệu có thể đến từ thiên thạch. Nhưng kết luận cốt lõi không đổi: nguyên liệu của sự sống có thể xuất hiện tự nhiên, từ hoá học thuần tuý.

Bài toán con gà và quả trứng

Có nguyên liệu rồi, nhưng vẫn còn một câu hỏi hóc búa. Trong tế bào ngày nay, thông tin di truyền được lưu trong DNA, mà muốn sao chép DNA thì cần protein (là các enzyme). Muốn tạo protein thì lại cần DNA chỉ dẫn. Vậy cái nào có trước — DNA hay protein? Đây là kiểu bài toán "con gà hay quả trứng" phiên bản sinh học. Câu trả lời được nhiều nhà khoa học ủng hộ nhất là: có một phân tử thứ ba đi trước cả hai — RNA. Giả thuyết này gọi là "thế giới RNA" (RNA world). Ý tưởng được Alexander Rich nêu ra lần đầu năm 1962, và thuật ngữ "RNA world" do Walter Gilbert đặt ra năm 1986. Vì sao RNA là ứng cử viên sáng giá? Vì nó làm được cả hai việc cùng lúc: giống như DNA, RNA có thể lưu trữ thông tin di truyền (nhờ quy tắc bắt cặp A-U, G-C); và giống như protein, một số phân tử RNA có thể xúc tác phản ứng hoá học — chúng được gọi là ribozyme. Bằng chứng sống còn tới ngày nay: nhân của ribosome — cái "máy" sản xuất protein trong mọi tế bào — thực chất là một ribozyme, một hoá thạch phân tử của thời đại RNA. Cần nói thẳng: giả thuyết thế giới RNA vẫn là giả thuyết — mô hình được ủng hộ nhiều nhất, nhưng chưa có bằng chứng dứt khoát, và vẫn có các giả thuyết cạnh tranh khác. Khoa học chưa giải quyết xong câu hỏi này — và đó chính là điều làm nó thú vị.

Khi nào thì một đống phân tử được gọi là "sống"?

Có phân tử hữu cơ, có RNA biết tự sao chép — vẫn chưa phải là sự sống. Cần thêm một thứ nữa: một cái "nhà" để nhốt tất cả lại với nhau. Đó là màng tế bào. Hãy tưởng tượng những phân tử hữu cơ trôi nổi trong đại dương sơ khai. Nếu chúng cứ trôi tự do, mọi phản ứng tốt sẽ bị pha loãng và mất đi. Nhưng các phân tử lipid — chất béo — có một tính chất đặc biệt: trong nước, chúng tự xếp thành những túi nhỏ. Những túi lipid này, gọi là protocell (tiền tế bào), có thể bao bọc lấy RNA và các phân tử khác bên trong, để phản ứng hoá học tập trung hơn, nhanh hơn. Tới đây thì ranh giới "sống hay không sống" trở nên mờ. Các nhà khoa học thường không định nghĩa sự sống bằng một dấu hiệu duy nhất, mà bằng một bộ ba: tự sao chép (thông tin di truyền được truyền lại), trao đổi chất (lấy năng lượng và nguyên liệu từ môi trường) và tiến hoá (thông tin di truyền thay đổi qua các thế hệ, và chọn lọc tự nhiên giữ lại cái nào tốt hơn). Một hệ thống có đủ cả ba thì coi như đã sống — dù nó đơn giản tới mức nào. Dấu vết của những sinh vật đầu tiên vẫn còn: stromatolite — những cấu trúc đá phân lớp do thảm vi sinh vật tạo ra — trong hệ tầng Dresser ở Tây Úc, khoảng 3,48 tỉ năm tuổi, là bằng chứng hoá thạch sớm nhất được công nhận rộng rãi. Một số bằng chứng địa hoá gợi ý sự sống bắt đầu sớm hơn, khoảng 3,7 tỉ năm trước, nhưng vẫn còn tranh cãi. Nói cách khác: sự sống xuất hiện ít nhất 3,5 tỉ năm trước — chỉ khoảng 1 tỉ năm sau khi Trái Đất hình thành. So với tuổi của Trái Đất thì nhanh một cách đáng ngạc nhiên.

Vi khuẩn đã thay đổi cả một hành tinh

Hơn 3 tỉ năm đầu tiên, sự sống trên Trái Đất chỉ toàn vi sinh vật đơn bào, không nhân. Nghe thì nhàm chán, nhưng chính đám vi sinh vật đó đã làm một việc vĩ đại nhất trong lịch sử sinh học: chúng thay đổi khí quyển của cả hành tinh. Một nhóm vi khuẩn lam (cyanobacteria) bắt đầu quang hợp — dùng ánh sáng Mặt Trời, nước và CO₂ để tạo năng lượng, thải ra oxy. Ban đầu, lượng oxy này bị "nuốt" hết bởi sắt hoà tan trong đại dương. Nhưng tới khoảng 2,4 tỉ năm trước, oxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển — sự kiện gọi là Great Oxidation Event. Với nhiều sinh vật yếm khí thời đó, oxy là chất độc, và sự kiện này được coi là một cuộc tuyệt chủng hàng loạt đầu tiên. Nhưng với sự sống nói chung, oxy mở ra một con đường mới: hô hấp hiếu khí cho năng lượng gấp nhiều lần lên men — chính nguồn năng lượng dồi dào đó sau này cho phép sự sống trở nên phức tạp.

Tế bào "ăn" tế bào

Một bước ngoặt khác đến từ một ý tưởng nghe hơi kỳ lạ: tế bào phức tạp ra đời vì một tế bào... nuốt một tế bào khác, rồi thay vì tiêu hoá nó, lại giữ nó lại làm "nhân viên" trong nhà. Đó là thuyết nội cộng sinh (endosymbiotic theory), được Lynn Margulis trình bày có hệ thống trong bài báo "On the Origin of Mitosing Cells" năm 1967. Theo đó, ti thể — "nhà máy năng lượng" trong tế bào của chúng ta — vốn là một vi khuẩn hiếu khí bị một tế bào lớn hơn nuốt vào; còn lục lạp trong tế bào thực vật vốn là một vi khuẩn lam biết quang hợp. Bằng chứng rất thuyết phục: cả ti thể và lục lạp đều có DNA riêng dạng vòng giống DNA vi khuẩn, tự phân chia bằng cách nhân đôi giống vi khuẩn, và DNA của chúng gần gũi với vi khuẩn hơn là với DNA trong nhân tế bào chủ. Khoảng 2,2 tỉ năm trước, vụ "sáp nhập" đầu tiên tạo ra tế bào nhân thực — tổ tiên của mọi động vật, thực vật, nấm và cả chúng ta. Khoảng 1,6 tỉ năm trước, vụ sáp nhập thứ hai mang lục lạp vào, mở đường cho giới thực vật. Cơ thể chúng ta, nhìn ở góc độ này, là một cộng đồng: mỗi tế bào mang trong mình hai, ba "gia đình" sự sống khác nhau.

Vụ nổ Cambri: từ đơn bào tới muôn loài

Suốt gần 90% lịch sử Trái Đất, sự sống chủ yếu vẫn là vi sinh vật, rồi những sinh vật đa bào đơn giản. Rồi khoảng 541 triệu năm trước, trong thời gian ngắn theo thang địa chất, gần như mọi ngành động vật lớn đều xuất hiện trong hoá thạch: chân khớp, thân mềm, dây sống (tổ tiên của động vật có xương sống, trong đó có chúng ta)... Sự kiện này gọi là vụ nổ Cambri (Cambrian explosion). Vì sao nó xảy ra đúng lúc đó vẫn còn là đề tài tranh luận — có lẽ là nhiều nguyên nhân cộng lại: oxy đã đủ cao, mắt và khả năng săn mồi xuất hiện, các gene điều khiển phát triển cơ thể đã "chín" đủ. Nhưng ý nghĩa thì rõ: từ đây, sự sống không còn là chuyện của vi khuẩn nữa — nó trở thành câu chuyện của muôn loài, trong đó có một loài vượn biết tò mò về nguồn gốc của chính mình.

Vậy sinh học là gì?

Quay lại câu hỏi đầu bài. Hoá học cho ta nguyên liệu. Nhưng sinh học bắt đầu khi đống nguyên liệu đó, qua thời gian dài và hoàn toàn ngẫu nhiên, lắp ráp thành những hệ thống biết tự sao chép, biết lấy năng lượng, và biết thay đổi để thích nghi. Không cần một bàn tay nào sắp đặt, không cần một bản thiết kế có sẵn — chỉ cần hoá học, thời gian, và chọn lọc tự nhiên làm phần còn lại. Và điều đẹp nhất: mọi sinh vật đang sống hôm nay — từ vi khuẩn trong ruột bạn tới chính bạn — đều là hậu duệ trực tiếp, không đứt đoạn, của tế bào đầu tiên cách đây hơn 3,5 tỉ năm. ---

Nguồn tham khảo

• Encyclopaedia Britannica — "Miller-Urey experiment" (thí nghiệm Miller-Urey 1953, amino acid, Oparin/Haldane): https://www.britannica.com/science/Miller-Urey-experiment
• Nature, Scientific Reports (2015) — "Primordial soup was edible: abiotically produced Miller-Urey mixture supports bacterial growth" (phân tích lại mẫu gốc của Miller, 22 amino acid): https://www.nature.com/articles/srep14338.pdf?error=cookies_not_supported&code=3327cada-d0c8-497a-a5e5-121ac51ba9f4
• Wikipedia — "RNA world" (giả thuyết thế giới RNA, Rich 1962, Gilbert 1986, ribozyme): https://en.wikipedia.org/wiki/Rna_world
• Life (2014), PMC — "RNA Catalysis, Thermodynamics and the Origin of Life" (RNA world, ribozyme, hoá thạch phân tử trong ribosome): https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4187163/
• Natural History Museum, London (2022) — "The oldest evidence of life on Earth could help us discover ancient life on Mars" (stromatolite hệ tầng Dresser, 3,48 tỉ năm): https://www.nhm.ac.uk/discover/news/2022/november/oldest-evidence-life-earth-could-help-discover-ancient-life-mars.html
• PMC — "Lynn Margulis and the endosymbiont hypothesis: 50 years later" (thuyết nội cộng sinh, bài báo 1967, ti thể/lục lạp): https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5426843/
• OpenStax, Concepts of Biology — "13.2 Eukaryotic Origins" (nội cộng sinh, bằng chứng DNA ti thể/lục lạp): https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/13-2-eukaryotic-origins
• Wikipedia — "Earliest known life forms" (Trái Đất 4,54 tỉ năm, sự sống ít nhất 3,5 tỉ năm, mốc 3,7–4,1 tỉ năm còn tranh cãi): https://en.wikipedia.org/wiki/Earliest_life
• Fiveable — "The geologic time scale and major events in Earth's history" (Great Oxidation Event ~2,4 tỉ năm, vụ nổ Cambri 541 triệu năm, Tiền Cambri ~88% lịch sử Trái Đất): https://fiveable.me/introduction-geology/unit-8/geologic-time-scale-major-events-earths-history/study-guide/TJirOBaLEBqR3yja