Trong 90 năm, lời giải thích yêu thích của khoa học về nguồn gốc của sự sống là món súp nguyên thủy của người Hồi giáo. Nhưng nghiên cứu gần đây thêm trọng lượng cho một ý tưởng thay thế.
Hình ảnh qua NOAA.
Tác giả Arunas L Radzvilavicius, UCL
Trong gần chín thập kỷ, lời giải thích yêu thích của khoa học về nguồn gốc của sự sống là món súp nguyên thủy của người Hồi giáo. Đây là ý tưởng cho rằng sự sống bắt đầu từ một loạt các phản ứng hóa học trong một cái ao ấm trên bề mặt Trái đất, được kích hoạt bởi một nguồn năng lượng bên ngoài như sét đánh hoặc tia cực tím (UV). Nhưng nghiên cứu gần đây làm tăng thêm sức nặng cho một ý tưởng khác, rằng sự sống trỗi dậy sâu trong đại dương trong các cấu trúc đá ấm áp gọi là lỗ thông thủy nhiệt.
Một nghiên cứu được công bố vào tháng trước trên tạp chí Nature Microbiology cho thấy tổ tiên chung cuối cùng của tất cả các tế bào sống được nuôi dưỡng bằng khí hydro trong môi trường giàu chất sắt, giống như trong lỗ thông hơi. Những người ủng hộ lý thuyết thông thường đã hoài nghi rằng những phát hiện này sẽ thay đổi quan điểm của chúng ta về nguồn gốc của sự sống. Nhưng giả thuyết lỗ thông thủy nhiệt, thường được mô tả là kỳ lạ và gây tranh cãi, giải thích cách các tế bào sống phát triển khả năng thu được năng lượng, theo cách mà chỉ có thể có trong một món súp nguyên thủy.
Theo lý thuyết thông thường, sự sống được cho là bắt đầu khi tia sét hoặc tia cực tím khiến các phân tử đơn giản kết hợp với nhau thành các hợp chất phức tạp hơn. Điều này lên đến đỉnh điểm trong việc tạo ra các phân tử lưu trữ thông tin tương tự như DNA của chúng ta, được đặt trong các bong bóng bảo vệ của các tế bào nguyên thủy. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm xác nhận rằng dấu vết của các khối xây dựng phân tử tạo nên protein và các phân tử lưu trữ thông tin thực sự có thể được tạo ra trong các điều kiện này. Đối với nhiều người, món súp nguyên thủy đã trở thành môi trường hợp lý nhất cho nguồn gốc của các tế bào sống đầu tiên.
Nhưng cuộc sống không chỉ là về việc sao chép thông tin được lưu trữ trong DNA. Tất cả các sinh vật sống phải sinh sản để tồn tại, nhưng sao chép DNA, lắp ráp protein mới và xây dựng các tế bào từ đầu đòi hỏi một lượng năng lượng rất lớn. Cốt lõi của sự sống là các cơ chế lấy năng lượng từ môi trường, lưu trữ và liên tục chuyển nó vào các tế bào Phản ứng trao đổi chất quan trọng.
Có phải cuộc sống phát triển xung quanh lỗ thông thủy nhiệt biển sâu? Hình ảnh thông qua Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ / Wikimedia Commons.
Năng lượng này đến từ đâu và làm thế nào nó có thể cho chúng ta biết rất nhiều về các nguyên tắc phổ quát chi phối sự phát triển và nguồn gốc của cuộc sống. Các nghiên cứu gần đây ngày càng cho thấy rằng súp nguyên thủy không phải là loại môi trường phù hợp để thúc đẩy năng lượng của các tế bào sống đầu tiên.
Nó có kiến thức cuốn sách kinh điển rằng tất cả sự sống trên Trái đất được cung cấp năng lượng từ mặt trời và được thực vật bắt giữ, hoặc được chiết xuất từ các hợp chất đơn giản như hydro hoặc metan. Ít được biết đến là thực tế là tất cả sự sống khai thác năng lượng này theo cùng một cách khá đặc biệt.
Quá trình này hoạt động hơi giống như một đập thủy điện. Thay vì trực tiếp cung cấp năng lượng cho các phản ứng trao đổi chất cốt lõi của chúng, các tế bào sử dụng năng lượng từ thực phẩm để bơm các proton (nguyên tử hydro tích điện dương) vào một bể chứa phía sau màng sinh học. Điều này tạo ra cái được gọi là gradient nồng độ của người Viking với nồng độ proton cao hơn ở một bên của màng so với bên kia. Các proton sau đó chảy ngược lại qua các tua-bin phân tử được nhúng trong màng, giống như nước chảy qua đập. Điều này tạo ra các hợp chất năng lượng cao, sau đó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các hoạt động còn lại của tế bào.
Sự sống có thể đã tiến hóa để khai thác bất kỳ nguồn năng lượng nào trong số vô số nguồn năng lượng có sẵn trên Trái đất, từ sự thải nhiệt hoặc điện đến quặng phóng xạ tự nhiên. Thay vào đó, tất cả các dạng sống được điều khiển bởi sự khác biệt nồng độ proton trên các màng tế bào. Điều này cho thấy rằng các tế bào sống sớm nhất thu hoạch năng lượng theo cách tương tự và chính sự sống phát sinh trong một môi trường trong đó độ dốc của proton là nguồn năng lượng dễ tiếp cận nhất.
Giả thuyết thông hơi
Các nghiên cứu gần đây dựa trên các bộ gen có khả năng đã có mặt trong các tế bào sống đầu tiên theo dõi nguồn gốc của sự sống trở lại các lỗ thông thủy nhiệt dưới biển sâu. Đây là những cấu trúc địa chất xốp được tạo ra bởi các phản ứng hóa học giữa đá rắn và nước. Các chất lỏng kiềm từ lớp vỏ Trái đất chảy lên lỗ thông hơi về phía nước biển có tính axit cao hơn, tạo ra sự khác biệt nồng độ proton tự nhiên tương tự như các nguồn cung cấp năng lượng cho tất cả các tế bào sống.
Các nghiên cứu cho thấy rằng trong giai đoạn đầu tiên của sự tiến hóa của cuộc sống, các phản ứng hóa học trong các tế bào nguyên thủy có khả năng được điều khiển bởi các gradient proton không sinh học này. Các tế bào sau đó đã học được cách tạo ra độ dốc của riêng mình và thoát khỏi các lỗ thông hơi để xâm chiếm phần còn lại của đại dương và cuối cùng là hành tinh.
Trong khi những người ủng hộ lý thuyết súp nguyên thủy cho rằng việc phóng tĩnh điện hoặc bức xạ tia cực tím Sun Sun đã thúc đẩy sự sống của các phản ứng hóa học đầu tiên, thì cuộc sống hiện đại không được cung cấp bởi bất kỳ nguồn năng lượng dễ bay hơi nào. Thay vào đó, cốt lõi của sự sống Sản xuất năng lượng là các gradient ion trên màng sinh học. Thậm chí không có gì tương tự từ xa có thể xuất hiện trong các ao ấm của nước dùng nguyên sinh trên bề mặt Trái đất. Trong các môi trường này, các hợp chất hóa học và các hạt tích điện có xu hướng bị pha loãng thay vì hình thành độ dốc hoặc trạng thái không cân bằng vốn là trung tâm của sự sống.
Các lỗ thông thủy nhiệt ở biển sâu đại diện cho môi trường duy nhất được biết có thể tạo ra các phân tử hữu cơ phức tạp với cùng loại máy móc khai thác năng lượng như các tế bào hiện đại. Tìm kiếm nguồn gốc của sự sống trong món súp nguyên thủy có ý nghĩa khi ít ai biết về các nguyên tắc phổ biến của năng lượng cuộc sống. Nhưng khi kiến thức của chúng ta mở rộng, đã đến lúc nắm lấy các giả thuyết thay thế nhận ra tầm quan trọng của dòng năng lượng thúc đẩy các phản ứng sinh hóa đầu tiên. Những lý thuyết này liên tục thu hẹp khoảng cách giữa năng lượng của tế bào sống và các phân tử không sống.
Arunas L Radzvilavicius, UCL
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers. Đọc bài viết gốc.