Thứ Hai, ngày 17 tháng 9 năm 2007

Nguồn gốc sự sống

Những thuyết hình thành sự sống hiện đại

Trong thực tế không có một thuyết chuẩn nào về nguồn gốc sự sống. Tuy nhiên, những thuyết được người ta chấp nhận nhiều nhất đều được xây dựng trên một số những phát hiện về cấu trúc phân tửtế bào. Chúng bao gồm những luận điểm sau:

  1. Ở những điều kiện thích hợp, những vật chất không sống có thể tạo nên những phần cấu tạo nên tế bào sống, như amino acid. Điều này đã được chứng minh qua thí ngiệm Urey-Miller do Stanley L. MillerHarold C. Urey vào năm 1953.
  2. Những hợp chất phospholipid với độ dài thích hợp có thể tạo nên màng lipid, một trong hai thành phần chủ yếu của màng tế bào.
  3. Quá trình trùng hợp của nucleotide trở thành những mạch ARN ngẫu nhiên dẫn đến sự nhân đôi các ribozyme (giả thiết "Thế giới ARN" của Carl Woesoe).
  4. Những thúc đẩy tự nhiên về tính xúc tác tốt và tính đa dạng đã tạo nên các ribozyme có khả năng chuyển hóa peptide thành các hạt protein nhỏ. Từ đó, các oligopeptide cùng với ARN tạo thành những chất xúc tác tốt hơn hình thành. Do đó sinh ra các hạt ribosome, làm cho sự hình thành các protein được dễ dàng hơn.
  5. Protein đã vượt qua ribozhyme về khả năng xúc tác, và trở thành một lớp màng sinh học cơ bản nhất. Acid nucleic chỉ còn tìm thấy trong các gen tế bào.

Nguồn gốc của các tế bào, trong khi chưa được rõ ràng, có thể gây ra tranh cãi về mức độ quan trọng và thứ tự của bước 2 và 3. Những hợp chất vô cơ và hữu cơ cơ bản nhất tạo nên sự sống là methane (CH4), ammonia (NH3), nước (H2O), hydro sulfua (H2S), carbon dioxit (CO2) và phosphate (PO43-). Cho đến năm 2006, chưa có một ai đã điều chế nhân tạo được một tế bào nguyên mẫu từ những chất cơ bản. Nhà sinh vật học John Desmond Bernal, đã đưa ra ba quá trình mà qua đó sự sống hình thành:

Bước 1: Sự hình thành các monomers

Bước 2: Sự hình thành các polymers

Bước 3: Sự tiến hóa từ các cấp độ phân tử lên đến tế bào

Bernal còn cho rằng: sự chọn lọc tự nhiên như Darwin có thể bắt đầu từ rất sớm, có khi từ giữa giai đoạn 1 và 2.

Nguồn gốc của các chất hữu cơ: Miller, Eigen và Wächtershäuser

Thí nghiệm Miller-Urey nhằm tái tạo điều kiện tự nhiên của Trái Đất vào thời nguyên thủy nhằm tìm sự sống trong phòng thí nghiệm
Thí nghiệm Miller-Urey nhằm tái tạo điều kiện tự nhiên của Trái Đất vào thời nguyên thủy nhằm tìm sự sống trong phòng thí nghiệm

Thí nghiệm Miller (do Harold Urey và học trò của mình là Stanley Miller) thực hiện vào năm 1953 nhằm tái tạo lại những điều kiện được cho rằng có từ lúc Trái Đất xuất hiện. Thí nghiệm sữ dụng một hỗn hợp các chất khí như: methane, ammonia và hidro. Tuy nhiên, tỉ lệ của các chất khí trong khí quyển Trái Đất cổ đại vẫn là một điều gây tranh cãi. Đã có thời người ta nghĩ rằng một lượng ôxy đáng kể trong bầu khí quyển, nhưng chính ôxy lại ngăn cản sự hinh thành các hợp chất hữu cơ.

Thí nghiệm cho thấy với những mắt xích hữu cơ đơn giản như amino acid có thể trùng hợp tạo thành một khối vật chất sống. Những chất hữu cơ cơ bản dĩ nhiên là khác xa so với những tế bào có thể tự sinh sản được. Tuy nhiên, trong một môi trường mà chưa có sự sống nào hình thành trước thì các chất hữu cơ này sẽ được tích trữ lại và đến một lúc nào đó sẽ có một sự tiến hóa hóa học. Hơn nữa, sự hình thành các polymer phức tạp từ các monomer dưới những điều kiện như thế không phải là một quá trình dễ dàng. Bên cạnh những monomer cần thiết, những hỗn hợp có tác dụng ngăn cản sự hình thành các polymer. Hơn nữa, theo như Brooks và Shaw trong cuốn Origins and Development of Living Systems (Nguồn gốc và sự phát triên của các hệ thống sống), không có một dáu hiệu địa lí nào cho thấy tồn tại sự tích tụ các chất hữu cơ như trên:

"Nếu có sự tích tụ nào của các chất hữu cơ, chúng ta nên hi vọng sẽ tìm được một nơi nào đó trên Trái Đất mà trầm tich chứa đầy nhưng hợp chất hữu cơ chứa nitơ, acid, chất khử, khoáng lưu huỳnh hay những thứ gì đó tương tự như thế; hay trong những trầm tích đã biến đổi, chúng ta ít nhất cũng phải tìm được những hợp chất nitơ. Thực tế là những chất như thế vẫn còn chưa được tìm thấy trên Trái Đất.

Một số nguồn khác tạo thành các hợp chất hữu cơ phức tạp đã được công nhận: ví dụ như những yếu tố từ ngoài Trái Đất như các thiên thạch. Ví dụ như trong phân tích quang phổ, các hợp chất hữu cơ đã được tìm thấy trong các thiên thạch và cả sao chổi. Vào 2004, một số hợp chất hữu cơ thơm mạch vòng (PAH, viết tắt của polycyclic aromatic hydrocarbon) đã được tìm thấy khi quan sát các tinh vân. Sự hiện diện của PAH chính là nguồn gốc của "thế giới ARN" trong thuyết "thế giới PAH".

Có một số tranh cãi rằng vấn đề chủ yếu vẫn chưa được trả lời bằng thuyết này là làm cách nào mà những phân tử hữu cơ đơn giản lại có thể hình thành nên những hợp chất hữu cơ phức tạp, tương tác với nhau như thế nào để tạo thành một tế bào. Ví dụ, trong một môi trường nước, sự thủy phân các polymer tạo thành các monomer có ưu thế hơn sự ngưng tụ các monomer thành polymer. Thí nghiệm Miller cũng đã tạo thành những chất chắc chắn phải phản ứng với amino acid, từ đó, chấm dứt chuỗi peptide.

Vào đầu thập kỉ 1970, một vấn đề lớn được phát hiện về nguồn gốc sự sống đã được phát hiện bởi một nhóm nhà khoa học tại Học viện Max Planck. Họ tìm các xem xét những bước tạm thời trong phản ứng giữa những chất trong "món súp nguyên thủy" và những bước tạm thời trong các bước nhân đôi các mạch carbon vòng. Kết quả là, trong phân tử carbon mạch vòng, bộ phận lưu trữ thông tin (có thể là ARN) đã tiết ra một chất enzyme, giúp cho sự tạo nên một hệ thống thông tin mới, cứ liên tục như thế cho đến khi một hệ thống thông tin cuối cùng hỗ trợ cho hệ thống đầu tiên. Hệ thống đó được gọi là quasispecies, trải qua quá trình chọn lọc tự nhiên rồi trở thành một sinh vật. Một trong những bằng chứng của thuyết carbon vòng là sự khám phá ra ARN, trong một số trường hợp có thể chuyển hóa thành ribozymes, một dạng enzyme tạo thành ARN.

Một câu trả lời cho sự biến hóa hóc búa này được đưa ra vào thập kỉ 1980 bởi Günter Wächtershäuser, trong một học thuyết mang tên "thế giới sắt – lưu huỳnh". Trong lý thuyết này, ông ta đã đưa ra một lý thuyết mới về sự tiến hóa sinh hóa học chính là nguồn gốc của sự sống. Hơn nữa, ông ta đã đưa ra một hệ thống rõ ràng về những chứng cứ sinh hóa từ những phản ứng khác tạo ra chất hữu cơ từ những chất khí cơ bản. Trái với những thí nghiệm của Miller, đòi hỏi rất nhiều những nguồn năng lượng khác như tia UV, sấm sét,... hệ thống Wächtershäuser bao gồm nguồn năng lượng khác: sắt sulfide và một số khoáng chất khác (ví dụ: khoáng pyrite). Năng lượng này được giải phóng từ những quá trình ôxi hóa-khử những sulfide kim loại và là nguồn năng lượng chính để tạo ra những phân tử hữu cơ cơ bản và cả polymer. Vì vậy, có thể cho rằng một hệ thống như thế đã từng tồn tại và đã có một ảnh hưởng đến sự tự nhân đôi, chuyển hóa một cách tích cực tạo thành nhựng thực thể, tiền thân của những sinh vật ngày nay. Cuốn sách Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life (Peptide bởi sự hoạt hóa với carbon oxide trên bề mặt (Ni,Fe)S: sự liên quan đến nguồn gốc sự sống) của ông xuất bản năm 1998 đã được đánh giá là thiếu tính khách quan do không đưa vào những chất hữu cơ mà những nhà khoa học khác cho là sẽ phản ứng với nhau hay bền. Sửa đổi mới nhất trong lý thuyết "thế giới sắt – lưu huỳnh" đã được đưa ra bởi William Martin và Michael Russell vào năm 2002. Theo như nghiên cứu của họ thì, phân tử đầu tiên của sự sống có thể đã được hình thành trong những mạch khoáng dưới đáy biển. Đây là một nơi có rất nhiều những khoáng chất có gốc sulfide được phun ra rồi đóng rắn lại tạo thành một hệ thống các hang động ngầm rất nhỏ. Do đó, hệ thống này có thể giải quyết những yếu điểm trong học thuyết Wächtershäuser.

  1. Những hang động nhỏ được tạo ra là một cách để tập trung các chất được tổng hợp thành, do đó có nhiều khả năng tạo được các chất hữu cơ cấp cao.
  2. Nhiệt độ trong những mạch khoáng cao chênh lệch với nhiệt độ thấp bên ngoài cho phép tạo nên một số nơi những vùng mà phản ứng thực hiện hiệu quả hơn những vùng khác (monomer ở vùng nóng, polymer ở vùng lạnh).
  3. Dòng hải lưu qua vùng mạch khoáng khi đi ngang qua những hang động nhỏ cũng một phần làm sạch những nguồn nguyên liệu đã hết và cung cấp thêm nguồn nguyên liệu mới.
  4. Mô hình đó cho phép một chuỗi bước tiến liên tiếp nhau nhằm tạo nên sự tiến hóa ở mức độ tế bào (hóa học, monomer, oligomer, peptide, protein, ARN, ribonucleoprotein, ADM) trong một cấu trúc nhỏ làm dễ dàng thay đổi giữa những bước phát triển.
  5. Sự tạo thành lipid có nghĩa là đã "đóng cửa" các tế bào khỏi những tác nhân bất lợi, không cần thiết từ môi trường, cho đến khi tất cả những chức năng cơ bản của tế bào được thiết lập.

Bước phát triển kế tiếp là sự tổng hợp các màng lipid cuối cùng cho phép các cơ thể sống, cuối cùng cho phép các vật sống di chuyển dời khỏi những hệ thống hang động nhỏ để bắt đầu cuộc sống của riêng mình.

Nguồn: http://vi.wikipedia.org/wiki/Ngu%E1%BB%93n_g%E1%BB%91c_s%E1%BB%B1_s%E1%BB%91ng

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét