Những giả thuyết về nguồn gốc sự sống

Ngay cả định nghĩa về sự sống cũng gây ra nhiều tranh cãi và có nhiều cách phát biểu khác nhau, thậm chí mâu thuẫn với nhau. Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Journal of Biomolecular Structure and Dynamics vào năm 2012, nhà sinh vật Edward N. Trifonov tại Đại học Haifa (Israel) đã thống kê rằng hiện nay có khoảng 123 định nghĩa khác nhau về sự sống, trong đó bao gồm hai yếu tố không thể thiếu là khả năng sinh sản và tiến hóa (sự biến đổi của sinh vật theo hướng hoàn thiện dần cơ thể để thích nghi với điều kiện sống).

Mặc dù các nhà khoa học vẫn chưa đưa ra kết luận cuối cùng nhưng họ đã đề xuất một số giả thuyết nhằm giải thích nguồn gốc của sự sống trên Trái đất.

Sét có khả năng là nguồn cung cấp tia lửa điện cần thiết để sự sống bắt đầu. Trong thí nghiệm Miller-Urey nổi tiếng vào năm 1952, hai nhà hóa học người Mỹ tên là Stanley Miller và Harold Urey đã cố gắng mô phỏng lại quá trình vật chất tạo ra sự sống. Họ phát hiện tia lửa điện có thể giúp hình thành axit amin và phân tử đường từ một bầu khí quyển nguyên thủy chứa đầy nước (H2O), methane (CH4), amoniac (NH3) và hydro (H2), theo Scientific American.

Thí nghiệm Miller-Urey là minh chứng cho thấy sét đã giúp tạo ra các khối xây dựng quan trọng của sự sống trên Trái đất trong những ngày đầu của nó. Qua hàng triệu năm, các phân tử này ngày càng trở nên lớn hơn và phức tạp hơn.

Mặc dù một số nghiên cứu sau này chỉ ra rằng bầu khí quyển nguyên thủy của Trái đất chứa rất ít hydro, nhưng các đám mây bụi thoát ra từ một ngọn núi lửa đang phun trào chứa nhiều khí methane, amoniac, hydro và tia sét. Do đó, các mầm mống đầu tiên của sự sống trên Trái đất có khả năng hình thành từ hiện tượng phun trào nham thạch của núi lửa.

Những phân tử đầu tiên góp phần tạo ra sự sống có thể đã gặp nhau trên đất sét, theo ý tưởng của nhà hóa học hữu cơ Alexander Graham Cairns-Smith tại Đại học Glasgow (Scotland).

Trong cuốn sách gây tranh cãi “Seven Clues to the Origin of Life” (Bảy manh mối về nguồn gốc sự sống) được xuất bản vào năm 1985, Cairns-Smith cho rằng các tinh thể đất sét bảo toàn cấu trúc khi chúng mở rộng và kết dính với nhau. Trong quá trình này, tinh thể đất sét sẽ bẫy các phân tử hữu cơ từ môi trường vào bên trong, sau đó biến đổi chúng thành những cấu trúc giống như gene của chúng ta ngày nay. DNA có nhiệm vụ lưu trữ thông tin di truyền của sinh vật sống, trong đó quan trọng nhất là cách sắp xếp các axit amin của protein.

“Những tinh thể khoáng chất trong đất sét đã giúp sắp xếp các phân tử hữu cơ thành những hệ thống có tính tổ chức, là tiền đề cho sự phát sinh của các sinh vật đầu tiên trên Trái đất”, Cairns-Smith nhận định.

Mặc dù lý thuyết của Cairns-Smith đã tạo ra những cuộc tranh luận sôi nổi trong thập niên 1980, nhưng cho đến nay nó vẫn chưa được cộng đồng khoa học chấp nhận một cách rộng rãi.

Sự sống trên Trái đất có thể đã bắt đầu từ các miệng phun thủy nhiệt, hoặc lỗ thông hơi thủy nhiệt dưới đáy biển – nơi liên tục phun ra các nguyên tố quan trọng đối với sự sống chẳng hạn như carbon và hydro, theo tạp chí Nature Reviews Microbiology.

Miệng phun thủy nhiệt thường xuất hiện ở những vùng sâu nhất của đáy đại dương và nằm trên các mảng lục địa bị phân tách. Chúng phun ra chất lỏng có nguồn gốc từ phần lõi của Trái đất. Trong quá trình di chuyển qua lớp vỏ, dòng chất lỏng này hấp thụ các khí và khoáng chất hòa tan – chẳng hạn như carbon và hydro – đồng thời cung cấp chất xúc tác cho những phản ứng sinh hóa quan trọng.

Vào năm 2019, các nhà khoa học tại Đại học College London đã phát triển thành công tiền tế bào (dạng sớm nhất của tế bào sinh học xuất hiện trong tiến trình phát sinh sự sống) trong điều kiện môi trường nóng, kiềm tương tự như các miệng phun thủy nhiệt.

Ngay cả bây giờ, các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển vẫn rất giàu năng lượng và nhiệt. Đây là nơi sinh sống của nhiều loài sinh vật khác nhau, góp phần tạo ra một hệ sinh thái đa dạng ở những nơi tối tăm nhất của đại dương.

Băng có thể đã bao phủ các đại dương cách đây khoảng 3 tỷ năm và tạo môi trường thuận lợi cho sự sống ra đời.

“Các hợp chất hữu cơ thiết yếu là cơ sở để hình thành sự sống trên Trái đất thường ổn định hơn ở nhiệt độ thấp hơn”, Jeffrey Bada, nhà hóa học tại Đại học California, cho biết. Ở nhiệt độ bình thường, các hợp chất này – chẳng hạn như những axit amin đơn giản – phân bố thưa thớt trong nước, nhưng khi đông lạnh chúng sẽ trở nên cô đặc và tạo điều kiện cho sự sống xuất hiện, theo nghiên cứu của Bada được công bố trên tạp chí Icarus vào năm 2000.

Băng cũng có thể bảo vệ các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước trước những ảnh hưởng của tia cực tím và tác động khác từ vũ trụ. Điều kiện môi trường lạnh giá cũng giúp các phân tử hữu cơ tồn tại lâu hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng quan trọng xảy ra.

Quá trình hình thành DNA trong cơ thể sinh vật cần sự trợ giúp của protein và ngược lại, quá trình hình thành protein cần đến DNA. Vậy ở thời điểm sự sống phát sinh trên Trái đất, làm thế nào chúng hình thành mà không cần đến nhau? Câu trả lời có thể là RNA.

RNA vừa lưu trữ thông tin di truyền giống DNA, vừa đóng vai trò của một enzyme tương tự như protein. Nó cũng giúp tạo ra cả DNA và protein, theo tạp chí Molecular Biology of the Cell.

Ngày nay, RNA vẫn tồn tại và thực hiện một số chức năng trong cơ thể sinh vật, bao gồm hoạt động bật-tắt cho một số gene. Câu hỏi đặt ra là RNA xuất hiện lần đầu tiên như thế nào? Một số nhà khoa học cho rằng phân tử này phát sinh một cách tự nhiên trên Trái đất, trong khi những người khác nói rằng điều này rất khó xảy ra.

Có lẽ sự sống không bắt đầu trên Trái đất mà được đưa đến đây từ một nơi khác trong không gian. Các nhà khoa học gọi ý tưởng này là thuyết tha sinh (panspermia), theo Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA). Sự sống có thể phát tán nhờ bụi vũ trụ, thiên thạch, tiểu hành tinh, sao chổi.

Tuy nhiên, ngay cả khi giả thuyết này là đúng, câu hỏi về nguồn gốc của sự sống trên Trái về cơ bản sẽ chuyển đổi thành câu hỏi về cách thức sự sống bắt đầu ở một nơi khác trong không gian.