150 năm trước, Charles Darwin đã suy đoán rằng sự sống có thể bắt nguồn từ một ao nước nhỏ ấm áp, nơi các phản ứng hóa học kết hợp với một tia sét có lẽ đã tạo ra một chuỗi những axit amin, mà theo thời gian, ngày càng trở nên phức tạp cho đến khi sự sống đầu tiên xuất hiện.
Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã truy tìm loại hóa chất “khởi đầu cho sự sống”, cố gắng tìm ra cách thức hóa học nào mà có thể biến một ao nhỏ chứa đầy axit amin đơn giản thành vi khuẩn, rồi tiếp tục thành cây gỗ đỏ, và rồi thành con người như chúng ta ngày nay. Sau một loạt những thí nghiệm, nghiên cứu sinh tiến sỹ kỹ thuật hóa học Hayley Boigenzahn của Đại học Wisconsin-Madison và John Yin, giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học đồng thời là thành viên sáng lập của Viện khám phá Wisconsin, có thể giải thích cách thức mà một trong những bước đầu tiên, có khả năng rất quan trọng trong sự hình thành sự sống, đã diễn ra. Họ đã công bố những phát hiện của mình trong số phát hành tháng 12 năm 2022 của tạp chí Nguồn gốc của sự sống và Sự tiến hóa của sinh quyển (Origins of Life and Evolution of Biosphere)
Trong một nghiên cứu nổi tiếng năm 1952, có tên là thí nghiệm Miller-Urey, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng các điều kiện được cho là có mặt trên Trái đất thời tiền sinh học (trước khi có sự sống), bao gồm những tỷ lệ nhất định của nước, khí metan, hydro, và các nguyên tố khác. Khi các yếu tố được kích hoạt bằng điện, nhằm mô phỏng tia sét, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng phản ứng này đã tạo ra các axit amin. Nghiên cứu đã gợi ý cho chúng ta biết một điều rằng các phân tử axit amin đã tồn tại khắp nơi trên Trái đất thời tiền sinh học.
Giáo sư Yin chia sẻ: “Chúng ta biết axit amin là thành phần cấu tạo nên protein và protein là chất rất cần thiết cho sự sống. Trong hóa học tiền sinh học, từ lâu đã tồn tại một câu hỏi đặt ra là: làm thế nào để khiến những axit amin này hình thành các liên kết và chuỗi để sau đó có thể tạo ra một tế bào sống?
Trong thí nghiệm của mình, Boigenzahn đã điều tra xem liệu có khả năng nào các axit amin này có thể kết hợp với nhau trong giai đoạn môi trường biến đổi hay không, ví dụ như khi mà nước trong ao bay hơi chẳng hạn. Với sự hiện diện của các chất kích hoạt hóa học, các axit amin này có thể liên kết với nhau tạo thành pép-tít, hoặc những chuỗi axit amin ngắn.
Để nghiên cứu cách các axit amin có thể hình thành liên kết trong quá trình nước bay hơi, Boigenzahn đã tạo ra các dung dịch chứa axit amin glycine và trimetaphotphat, một chất kích hoạt hóa học tự nhiên được tạo ra trong quá trình núi lửa (một quá trình bao gồm các hiện tượng diễn ra trước, trong và sau sự phun trào của núi lửa). Khi dùng mấy sấy để làm bay hơi dung dịch, Boigenzahn đã quan sát những gì diễn ra với các axit amin trong vòng 24 giờ.
Những gi cô ấy phát hiện ra là một quá trình gồm 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên, khi độ pH của dung dịch vẫn ở mức kiềm, glycine kết hợp thành các đơn vị 2 phân tử gọi là dimer, các đơn vị này cũng tạo ra proton, làm cho độ pH trong dung dịch trở nên trung tính. Giai đoạn tiếp theo, khi quá trình bay hơi diễn ra, các dimer bắt đầu liên kết với nhau để tạo thành chuỗi pep-tít dài hơn, được gọi là oligoglycine.
Chúng ta bắt đầu dễ dàng hình dung ra một kịch bản, mà trong đó, các axit amin nằm trong suối nước nóng (được làm nóng bằng núi lửa), chứa các chất kích hoạt, đầu tiên kết hợp với nhau tạo thành các dimer. Sau đó, khi nước bắt đầu bay hơi, và tính chất hóa học của nó thay đổi, các dimer liên kết lại và bắt đầu hình thành nên các chuỗi axit amin dài hơn.
Boigenzahn nói: “Những gì mà thí nghiệm cho thấy không có nghĩa tất cả các phản ứng phải xảy ra trong cùng một môi trường. Chúng có thể xảy ra ở các môi trường khác nhau, miễn là các phản ứng đang xảy ra sẽ giúp tạo ra một môi trường có lợi cho các bước tiếp theo.
Qua nhiều chu kỳ “đầy nước – bay hơi”, có khả năng chuỗi pép-tít sẽ càng ngày càng dài hơn. Cuối cùng, chúng có thể tự gấp xếp lại với nhau, tạo thành các enzyme, hoặc protein xúc tác các phản ứng hóa học. Điều đó có thể tạo tiền đề cho các protein phức tạp hơn và khởi đầu cho quá trình trao đổi chất.
Boigenzahn và Yin đều nói rằng sẽ còn rất lâu nữa các nhà nghiên cứu mới tìm ra được cách mà sự sống hình thành, khởi nguồn từ “chiếc ao nhỏ ấm áp của Darwin” cho đến những giai đoạn bắt đầu hình thành sự sống. Tuy nhiên, đối với những kỹ sư hóa học, nỗ lực nghiên cứu hóa học tiền sinh học có thể mang lại những kết quả to lớn.
Yin cho biết: “Nếu bạn thực sự hiểu về hóa học tiền sinh học, bạn có thể tạo ra các hệ thống hóa học có khả năng lưu trữ thông tin, thích nghi và tiến hóa. DNA lưu trữ thông tin với mật độ gấp hàng nghìn lần so với mật độ của một con chip máy tính. Nếu chúng ta có những hệ thống làm được điều này mà không nhất thiết phải là một tế bào sống, lúc đó bạn có thể bắt đầu nghĩ về các thể loại chức năng và quy trình mới diễn ra ở cấp độ phân tử.”
Tác giả: Jason Daley
Trả lời