Giới khoa học bao lâu nay vẫn cho rằng sự sống trên Trái Đất xuất hiện khoảng 4 tỷ năm trước từ một lớp bùn nguyên thủy, trước khi phân nhánh thành các dạng sinh vật phức tạp. Tuy nhiên, một công tác nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Science Advances đang mang đến một góc nhìn đầy tính đột phá: bước chuyển dịch kỳ diệu giữa hóa học và sinh học có thể đã diễn ra hai lần riêng biệt chứ không phải chỉ một lần.
Theo nghiên cứu này, vi khuẩn (bacteria) và cổ khuẩn (archaea) – hai nhánh đầu tiên trên cây sinh giới – đã nảy mầm độc lập ra khỏi một tổ tiên chung cuối cùng được gọi tên là LUCA (Last Universal Common Ancestor). Điểm đặc biệt nằm ở chỗ: LUCA thực chất chưa chắc đã là một tế bào sống hoàn chỉnh. Nó tồn tại như một nhóm bao gồm RNA, DNA cùng các enzym mắc kẹt trong các khe đá thuộc hệ thống ống thủy nhiệt dưới đáy biển, duy trì các hoạt động nhờ khoáng chất kim loại đọng lại tại đây.
Sinh vật có thể tồn tại khi chưa thực sự “sống”?
Chúng ta có thể hình dung LUCA như một dạng “tiền sinh vật” chưa thể di chuyển tự do hoặc tự vận hành bộ máy trao đổi chất nếu thiếu đi sự trợ lực của môi trường địa chất xung quanh.
Giáo sư William Martin, nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Heinrich Heine (Düsseldorf, Đức) và là tác giả chính của công tác này, cho biết qua vô số lần kết hợp hóa học, các dòng vi khuẩn cùng cổ khuẩn phát triển ra khỏi LUCA đã dần tự tổng hợp enzym nội bào. Những enzym này đóng vai trò thay thế các kim loại địa chất, giúp chúng tách rời khỏi lớp vỏ Trái Đất để trở thành các tế bào sống tự do.
Dữ liệu di truyền chỉ ra LUCA từng tồn tại khoảng 4,2 tỷ năm trước trong kỷ Hỏa thành (Hadean), thời điểm bề mặt hành tinh còn rất nóng rực. Dấu vết hóa thạch cổ nhất không còn gây tranh cãi hiện giờ là các thảm vi sinh vật stromatolite 3,5 tỷ năm tuổi, vốn đã tiến hóa ra khỏi các tiền thân đơn giản hơn.
Góc nhìn qua lăng kính chuyển hóa
Thay vì dựa hoàn toàn vào việc phân tích chuỗi gen vốn dễ phát sinh sai lệch khi ngược dòng thời gian hơn 4 tỷ năm, nhóm nghiên cứu chọn hướng tiếp cận thông qua tiến trình chuyển hóa. Họ xem xét 420 phản ứng hóa học căn bản cần thiết để biến đổi các thành phần nguyên thủy của Trái Đất (như hydro, amoniac, cacbon dioxit, nước, hydro sunfua và phosphat) thành 20 axit amin, 8 bazơ nơclêôtit cùng 20 yếu tố hỗ trợ duy trì tế bào.
Khi đối chiếu bộ gen đại diện cho toàn bộ các nhóm vi khuẩn và cổ khuẩn, nhóm tác giả phát hiện hai nhánh sinh học này chỉ chia sẻ chung mã gen cho khoảng một nửa số enzym phục vụ các phản ứng căn bản. Phần còn lại là đặc hữu của riêng từng nhánh.
Nghiên cứu sinh Natalia Mrnjavac, tác giả thứ nhất của công trình, chia sẻ rằng kết quả này cho thấy hai dạng sống đã “bước đi trên con đường trở thành tế bào tự do một cách độc lập, ít nhất là một phần”.
Thực nghiệm phòng thí nghiệm cũng chứng minh các kim loại như palladi có thể thay thế enzym sinh học để xúc tác cho phản ứng quan trọng chuyển biến phosphit thành phosphat – nguồn năng lượng căn bản duy trì hoạt động cho LUCA.
Câu hỏi mở dành cho khoa học vũ trụ và sinh học
Tiến sĩ Betül Kaçar, Giám đốc Trung tâm Sinh học Vũ trụ NASA tại Đại học Wisconsin-Madison (không thuộc nhóm nghiên cứu), đánh giá giả thuyết môi trường địa chất cung cấp những yếu tố mà sinh học chưa kịp tạo ra là vô cùng hợp lý. Dù vậy, bà nhắc nhở rằng tổ tiên chung cuối cùng của sinh giới hiện đại không hoàn toàn đồng nhất với điểm khởi đầu ban đầu của sự sống.
Liệu địa chất đã chuyển giao “gậy tiếp sức” cho sinh học ra sao vẫn là bí ẩn đòi hỏi thêm nhiều chuỗi thực nghiệm kiểm chứng trong tương lai.
Nguồn tham khảo:
- Science Advances Journal (Nghiên cứu gốc):https://www.science.org/journal/sciadv
- Scientific American Article:https://www.scientificamerican.com/article/life-on-earth-may-have-emerged-not-once-but-twice/
- NASA Astrobiology Program:https://astrobiology.nasa.gov/
- Heinrich Heine University Düsseldorf:https://www.hhu.de/
- Thảo luận & Truyền thông X (Twitter):https://x.com/SciAm | https://x.com/ScienceMagazine
