Nguồn gốc sinh-vật trên địa cầu
19/6/2011NGUỒN GỐC SỰ-SỐNG TRÊN ĐỊA CẦU
Trần Đăng Hồng, PhD
Vũ trụ được thành hình khoảng 13,7 tỹ năm nay. Địa Cầu chúng ta được tạo ra khoảng 4,6 tỹ năm. Sự-sống xuất hiện trên đia cầu lúc nào, và làm sao có sự-sống. Muốn biết, ta phải tìm hiểu môi trường của địa cầu ở thời kỳ nguyên thủy, từ lúc được thành lập cho tới khi sinh-vật đầu tiên xuất hiện.
MÔI TRƯỜNG CỖ ĐẠI CỦA ĐỊA CẦU.
Địa cầu được thành lập từ một khối thiên-vân của mặt trời cách đây khoảng 4,6 tỹ năm.
Trong thời đại (aeon, eon) Hadean, cách nay từ 4,6 tỹ đến 3,8 tỹ năm, địa cầu còn rất nóng, bị các thiên thạch (meteorites) bắn phá và hỏa-diệm-sơn phun dữ dội. Khi mới tạo thành, địa cầu chỉ có một lớp khí mỏng Hydrogen (H2) và Helium (He). Trong vòng 150 triệu năm sau đó lớp đá basalt được tạo thành quanh võ, nhưng còn rất nóng. Tuy nhiên, ở thời đại này đã có mưa, biển và đại dương được thành lập, cách đây khoảng 4,2 tỹ năm, bao phủ quanh các vùng cao. Phần võ cao tạo nên một lục địa lớn, cách nay khoảng 4 tỹ năm. Võ trái đất nguội dần, nhưng vẫn còn rất nóng, khoảng 1600°C cách đây 3 tỹ năm, nhiều vùng võ còn mềm. Vào cuối thời đại này, khí quyển gồm hơi nước (H2O), carbon dioxide (CO 2) và nitrogen (N2) là chính.
Ở thời đại Archaean (từ 3,8 tỹ đến 2,5 tỹ năm) tiếp sau đó, địa cầu nguội dần, nhưng hỏa-diệm-sơn hoạt động mạnh. Khí quyễn lúc này gồm hơi nước, carbon dioxide, nitrogen, methane (CH4), ammonia (NH3), và ít khí khác, nhưng chưa có oxy (O2) và ozone (O3). Vì không có lớp ozone, địa cầu tràn ngập tia-tử-ngoại (Ultra violet, UV). Sự-sống (life) nguyên thủy có lẽ bắt đầu tạo thành trong thời đại này.
Ở thời đại Proterozoic (từ 2,5 tỹ năm đến 542 triệu năm trước đây), Oxy hiện diện trong khí quyển và gia tăng nhanh nhờ hiện tượng quang-tổng-hợp ở các sinh-vật tự dưỡng đơn-bào (autotrophic unicellular). Ozone cũng hiện diện, tạo thành nhờ phản ứng của Oxy với tia-tử-ngoại, tạo lớp ozone trên thượng tầng khí quyển, ngăn chận tia tử-ngoại, bão vệ sự-sống. Thời đại này cũng là thời đại của băng giá trên toàn địa cầu (xảy ra khoảng 2,3 tỹ năm trước) làm gia tăng lượng Oxy và làm giảm lượng methane trong khí quyển, vì oxy phản ứng với methane tạo ra carbon dioxide. Vào cuối thời đại Proterozoic, có thêm 2 thời kỳ băng giá, biển hoàn toàn đóng băng, vào 710 và 640 triệu năm trước đây. Sinh vật tiến hóa từ đơn-bào đến đa-bào (multicellular), bao gồm 3 nhóm: Vi-khuẫn (bacteria), Archaea (tế bào chưa có nhân, nucleus) và Eukarya (tế bào có nhân, mitochondria, bộ Golgi và lục-bào).
Ở thời đại tiếp theo Phanerozoic cho đến nay, sinh vật được tiến hóa từ sinh-vật-đơn-bào đơn giản đến các sinh vật cao đẳng như con người. Tác giả sẽ đề cập trong một bài khác.
SỰ-SỐNG LÀM SAO XUẤT HIỆN VÀ KHI NÀO?
Sự-sống (life) được định nghĩa là một hệ thống sinh học trong đó các proteins và nucleic acids được liên hợp tạo thành một cấu tạo có khã năng tăng trưởng (growth) và sinh sản (reproduction, replicate). Ngoài ra, để sinh tồn (survival) qua thời gian và biến đổi của môi trường, cấu tạo sinh học đó phải có khã năng tiến hóa (evolution) để thích ứng (adaptation) môi trường mới.
Khảo sát cấu tạo giữa động vật tiến hóa nhất, như con người, với sinh vật sơ đẳng đơn bào như amoeba (amibe), giữa động vật và thực vật, với vi khuẩn, v.v., mặc dầu rất khác biệt to lớn về mọi mặt, nhưng có một điểm đồng nhất: tất cả đều cấu tạo bởi tế-bào (cell). Như vậy, mọi sinh vật trên địa cầu bắt nguồn từ một tổ tiên sơ đẳng nhất, một sinh vật có tế-bào.
Chất hóa học căn bản cấu tạo chất hửu cơ của tế bào, như các chất đường, chất béo, amino acids, proteins là Carbon (C), Hydrogen (H), Oxygen (O), và Nitrogen (N). Chất căn bản của sự-sống là phân tử amino acids, phần cấu tạo của RNA và DNA để tế bào sinh sản, truyền giống. Như vậy, trước khi có sự-sống, chất amino acids được tạo thành trước.
May mắn là quả Địa cầu chúng ta hội đủ các điều kiện để có sự-sống mà nhiều hành tinh khác không có. Quả địa cầu có nước, không khí với oxy, dioxide carbon (CO2) cùng nhiều khí hiếm khác, và rất giàu nguồn C, cung cấp các vật liệu cần thiết cấu tạo sự-sống. Ngoài ra, quan trọng nhất, trái đất có nhiệt độ thích hợp cho mọi sinh vật sinh sống và nẫy nỡ. Sao Hôm (còn gọi Sao Mai, Venus) ở gần Mặt Trời, không hội đủ điều kiện yểm trợ sự-sống và có nhiệt độ quá nóng, 460°C. Hỏa tinh (Mars) ở quá xa Mặt Trời, quá lạnh lẻo, tuy nhiên những thăm dò mới đây cho biết có thể có sự-sống.
Có 2 giã thuyết về nguồn gốc sự-sống trên địa cầu.
SỰ-SỐNG BẮT NGUỒN TỪ VŨ TRỤ
Giả thuyết này cho rằng sự-sống bắt nguồn từ không gian ngoài địa cầu, từ một hành-tinh khác hay thiên-hà khác, xâm nhập vào địa cầu qua các thiên-thạch (meteorites), bụi vũ trụ, sao chỗi, v.v. Nhiệt độ không gian rất thấp, càng lên cao càng thấp, -50°C ở tầm bay cao độ 10 km. Các sinh vật đơn-bào có thể sống vĩnh viễn ở nhiệt độ Nitrogen lõng (-190 °C).
Thuyết này được củng cố sau khi NASA năm 2009 tuyên bố đã tìm được chất hửu cơ Glycine, một amino acid, từ bụi của Sao Chỗi Comet Wild-2 xuất hiện năm 2004. Mẫu bụi này được phân tích năm 2006 và cho thấy sự hiện diện của Glycine. Như vậy, sự-sống cũng hiện diện ngoài vũ trụ, không riêng gì ở địa cầu.
Ngoài ra, năm 2010, qua phương pháp phân tích quang phỗ, các khoa học gia còn khám phá ra phân tử hửu cơ PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) hiện diện ở sao chỗi, thiên thạch, thiên vân, và trên thiên hà M81, cách địa cầu 12 triệu năm-ánh-sáng. Phân tử PAH khá phức tạp, là chất tiền căn (precursor) cấu tạo RNA.
SỰ-SỐNG ĐƯỢC TỔNG HỢP TỪ NƯỚC-SÚP NGUYÊN-THỦY (Primordial soup)
Theo giả thuyết Oparin-Haldane, sự-sống là kết quả của một chuổi phản ứng hóa học xảy ra trên địa cầu khi có điều kiện thích ứng.
Chất căn bản của sự-sống là phân tử amino acids, thành phần cấu tạo RNA (Ribonucleic acid) và DNA (Deoxyribonucleic acid) để tế bào sinh sản, truyền giống.
Amino acids là những phân tử chứa một nhóm amine (NH2), một nhóm carboxylic acid (COOH) và một chuổi khác nhau giữa các amino acids, đễ phân biệt amino acid này với amino acid khác. Bốn chất căn bản cấu tạo amino acid là C, H, O, N.
RNA là một chuổi dài chứa nucleotides. Nucleotides là các phân tữ khi nối liền với nhau tạo thành các đơn vị kiến trúc của RNA và DNA. Nucleotides giữ vai trò quan trọng trong biến-dưỡng (metabolism), vì là nguồn cung cấp năng lượng hóa học (Adenosine triphosphate – ATP; guanosine triphosphate – GTP), phát tín hiệu, góp phần vào các phản ứng xúc-tác (Catalyse) của enzymes. RNA giữ nhiệm vụ quan trọng trong tế bào bằng cách xúc-tác các phản ứng sinh học, kiểm soát tín hiệu của gene và truyền tín hiệu. Nhiệm vụ quan trọng nhất của RNA là tổng hợp proteins: mRNA (messenger RNA) mang truyền tín hiệu tổng hợp proteins này đến ribosomes, tRNA (transfer RNA) giao các amino acids cho ribosomes, và rRNA (ribosomal RNA) kết hợp tất cả amino acids lại để tổng hợp. Ribosome là nơi sản xuất amino acids và proteins trong tế bào.
DNA là nucleic acid chứa các đặc tính di truyền. Gene, nơi chứa đặc tính di truyền, là một đoạn nhỏ trên DNA. DNA gồm 2 chuổi dài polymers gồm các đơn vị giản dị gọi là nucleotides. Hai chuổi chạy hướng đối nghịch nhau theo đường xoắn ốc.
RNA (gồm 1 chuổi) DNA (gồm 2 chuổi)
Theo giã thuyết thứ hai này thì:
1. Trái đất thời nguyên thủy có một khí-quyễn-khữ (reducing atmosphere) gồm khí nitrogen (N2), hydrogen (H2), methane (CH4), ammonia (NH3), nước (H2O), hydrogen sulfide (H2S), carbon dioxide (CO2) hay carbon monoxide (CO), và phosphate (PO43-), nhưng không có, hay rất hiếm, oxygen (O2) và ozone (O3).
2. Khi khối không-khí-khữ này giao tiếp với năng lượng, như tia lữa điện của sấm chớp, nhiệt của hỏa-diệm-sơn, hay tia UV, sẽ cho ra một số chất hửu cơ giản dị - hợp-chất-đơn (monomers), như đường glucose (C6H12O6) hay amino acids.
3. Các hợp-chất-đơn hửu cơ này tích tụ chung với nhau như “nước canh - soup”.
4. Các phân tữ hợp-chất-đơn kết hợp với nhau thành đa-hợp-chất hửu cơ (polymers), và cuối cùng cấu tạo sự-sống.
5. Kết hợp các phospholipids tạo thành chất lipid có 2 lớp (lipid bilayers), là thành phần cấu tạo màng tế bào.
Năm 1953, Stanley L. Miller và Harold C. Urey (Đại học Chicago và Đại Học California ở San Diego) làm một thí nghiệm nỗi danh: Trong ống nghiệm gồm các khí methane (CH4), ammonia (NH3), hydrogen (H2) và hơi nước (H2O), nhưng không có Oxy. Khi cho một tia lữa điện, bắt chước sấm sét trong thiên nhiên, vài ngày sau phân tích thấy xuất hiện các amino acids, chất căn bản tạo proteins của sự-sống. Về sau, nhóm Stanley Miller cũng cho biết tỗng hợp adenine và guanine cần điều kiện băng giá, nhưng tổng hợp cytosine và uracil cần điều kiện nóng của nước sôi. Nhóm nghiên cứu này thành công tỗng hợp được 7 amino acids và 11 nucleobases trong nước đá khi ammonia và cyanide được để trong máy làm đông nước đá (freezer) từ 1972 đến 1997.
Kế tiếp là thí nghiệm của Joan Oró I Florensa (NASA, 1959-1962) cho biết tổng hợp được chất nucleobase adenine, thành phần cấu tạo của nucleic acids trong phân tử ATP và GTP, bằng cách đun nóng dung dịch ammonium cyanide.
Để chứng minh rằng trong điều kiện băng giá cũng có thể tổng hợp được s-triazines, pyrimidines (gồm cytosine và uracil), và adenine từ dung dịch urea khi cho dung dịch này qua nhiều chu kỳ kết-đông-nước-đá rồi cho tan (freeze-thaw cycles) trong điều kiện không-khí-khữ với tia lữa điện.
Trong thập niên 1950s và 1960s, thí nghiệm của Sidney W Fox cho thấy chất peptide được cấu tạo ngẫu nhiên trong điều kiện môi trường tương tự của thời Hadean và Archean cách đây trên 2.5 tỹ năm. Ông chứng minh các amino acids kết hợp ngẫu nhiên và tạo thành peptides. Các amino acids và peptides này kết hợp lại thành một màng hình cầu, tương tự màng tế bào (cell membrane) của sinh vật ngày nay.
Năm 2001, Jason Dworkin cho dung dịch đông lạnh gồm nước, methanol, ammonia và carbon monoxide với tia tử ngoại UV. Phản ứng cho ra một số lượng đáng kể chất hửu cơ, các chất này kết hợp lại thành bong bóng hay có hình sợi ở trong nước. Ông cho rằng các màng bong bóng này giống màng tế bào chứa các chất căn bản của sự-sống. Các bong-bóng có kích thước từ 10 đến 40 µ, bằng kích thước của hồng-huyết-cầu. Đặc biết là các bong bóng này phát quang (fluorescence) khi tiếp xúc với UV. Ông cho rằng các bong bóng phát quang này chính là mẫu lục-hóa (photosynthesis) của thời cổ đại.
Năm 2004, mhóm Leslie Orgel, thành công tỗng hợp chất Purine trong môi trường băng giá từ hydrogen cyanide.
Tất cả các thí nghiệm trên đều xử dụng tia lữa điện là nguồn năng lượng, bắt chứơc sấm sét hay tia hồng-tử-ngoại. Ngược lại, Gunster Wächtershäuser, trong thập niên 1980s, xữ dụng năng lượng hóa học từ sulphides sắt, như Pyrite. Năng lượng này không những tổng hợp được các phân tử hửu cơ mà còn tạo được các oligomers và polymers. Thí nghiệm sản xuất được dipeptides (0.4 đến 12.4%) và một ít tripeptides (0.1%).
Mới đây khám phá vi khuẫn Methanosarcina acetivorans ở dưới đáy biển. Vi khuẫn thời cỗ đại này hấp thụ carbon monoxide và nhã ra methane và acetate. James Ferry và Christopher House của Đại học Penn State University khám phá thêm rằng vi khuẫn này lấy năng lượng từ phản ứng giữa acetate và sulphide sắt chỉ nhờ 2 amino acids đơn giản, khác với sư cần tới trên 10 amino acids như hiện nay.
Christof Biebricher, năm 2008, thành công trong việc tạo một RNA mới chứa 400 bases từ một mẩu RNA thiên nhiên trong điều kiện băng giá. Mẩu RNA mới này tăng trưởng bao quanh RNA thiên nhiên.
Nhóm nghiên cứu Đại Học Harvard, năm 2008, cho biết đang nghiên cứu việc tạo tế bào nhân tạo. Nhóm nghiên cứu này cho trộn vài acit béo (fatty acids) với DNA (thiên nhiên) trong một ống nghiệm, kết quả cho thấy thành lập một khối DNA mới chứa nhiều thông-tin-di-truyền. Nếu thêm vào đó nucleotides (thiên nhiên) thì nucleotides chạy vào và DNA tự chia đôi (replicate) trong vòng một ngày. Tuy nhiên, thí nghiệm tạo DNA mới phải dựa vào DNA và nucleotides thiên nhiên trích từ nhiểm thể.
Cho tới nay, chưa có khoa học gia nào tạo được tế bào nhân tạo, ngay cả RNA hay DNA nhân tạo. Năm 2009, Sutherland và nhóm nghiên cứu thuộc Đại Học Manchester (Anh quốc) đã thành công tổng hợp được 2 khối cấu tạo RNA trong số 4 khối căn bản của RNA, và nhóm ông tin tưởng rằng sẽ thành công tổng hợp được RNA nhân tạo từ các dung dịch hóa học. Một khi tổng hợp được RNA nhân tạo thì không khó lắm trong việc tỗng hợp DNA nhân tạo, và dựa theo nghiên cứu của nhóm Harvard, tổng hợp thành tế bào nhân tạo sẽ trong tầm tay.
Một cách tỗng quát, các giã thuyết cho rằng chính nhờ năng lượng của hỏa-diệm-sơn, sấm sét, tia tử ngoại tỗng hợp các khí thời nguyên thủy thành các chất hửu cơ đơn giản (monomers) như amino acids, nucleobases, rồi các chất đơn giản này tổng hợp thành các chất phức tạp hơn (polymers). Chất sét giàu sắt (iron-rch clays) là nơi các phân tử hửu cơ phức tạp tập trung và cô động đậm đặc, trở nên có khả năng sinh sôi nẫy nở bằng cách tách đôi (replicate). Khối sét này hấp thụ carbon dioxide biến thành oxalic và các dicarboxylic acids khác. Trong các suối nước nóng giàu chất sulphides, khối mang chất sống này có khã năng định khí Nitrogen. Phosphate cũng được hấp thụ và tạo thành nucleotides và phospholipids. Đó là giã thuyết giải thích tiến trình tiến tới thành lập tế bào của sinh vật đơn-bào. Sinh vật đầu tiên sống tự dưởng (autotrophic) hay cộng sinh (symbiosis). Sinh vật ký sinh (parasites) xuất hiện về sau.
Trong các giả thuyết về “Nước soup Nguyên Thủy - primordial soup” thì sự-sống bắt nguồn đầu tiên trong nước, như đại dương, biển, bờ biển, các hồ nước, hay trên mặt đất nơi nào có nước.Tuy nhiên, Gold, trong thập niên 1970s, đưa giả thuyết sự-sống có thể bắt đầu trong môi trường nóng của võ trái đất, không trên mặt đất mà ở độ sâu vài km dưới mặt đất. Ở cuối thập niên 1990s, người ta khám phá một số vi sinh vật nhỏ hơn vi trùng có cấu tạo DNA trong lớp đá sâu trong lòng đất. Ngày nay, NASA cũng khám phá thêm thấy rằng dấu vết vi-khuẫn hóa thạch thời nguyên thủy archaea có rất nhiều trong lòng đất, không những của quả địa cầu mà còn thấy ở nhiều hành tinh khác.
SINH VẬT NÀO XUẤT HIỆN ĐẦU TIÊN VÀ KHI NÀO?
Tỗ tiên của sinh vật trên địa cầu, gồm cả thực vật và động vật, là một sinh vật đơn-bào (chỉ một tế bào). Đó là một tiền-tế-bào (prokaryote) chỉ gồm màng tế bào bên trong chứa ribosomes, chưa có nhân (nucleus), mitochondria hay lục lạp (chloroplasts), xuất hiện cách đây 3,5 tỹ năm. Năm 2002, William Schopf ở Đại học UCLA cho biết vi khuẫn cyanobacteria hóa thạch tìm thấy trong địa tầng Siyeth tạo thành cách đây 3,5 tỹ năm. Các nghiên cứu sau này cho biết các vi sinh hóa thạch có chứa lục lạp xuất hiện cách đây 2,5 tỹ năm. Vào thời đại này, thế giới chỉ toàn vi khuẫn (bacteria), chưa có sinh vật nào khác. Ở các thời đại sau, vi khuẩn tiến hóa thành các sinh vật đa-bào (chứa nhiều tế bào), càng ngày càng phức tạp và đa dạng để, với thời gian, thành đa-dạng-sinh-vật phong phú như ngày nay.
Vi khuẫn cyanobacteria hóa thạch cách đây 3,5 tỹ năm
Reading, 6/2011
Trần-Đăng Hồng, PhD