Nhà sinh học người Hungary này là một nhân vật ít người biết đến. Giờ đây, hơn một thập kỷ sau khi ông qua đời, những ý tưởng đột phá của ông về khởi nguồn của sự sống trên Trái đất mới được giới khoa học ghi nhận.

Tibor Gánti (1933 - 2009). Ảnh: László Gulyás.
Tibor Gánti (1933 - 2009). Ảnh: László Gulyás.

Tibor Gánti sinh ra tại thành phố Vác, Hungary vào năm 1933. Tuổi thơ của ông từng chứng kiến những cuộc xung đột lớn, khi Hungary liên minh với Đức Quốc xã trong cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ hai. Chiến tranh đã chia rẽ châu Âu trong nhiều năm, làm cản trở mọi quá trình trao đổi thông tin và khiến những công trình nghiên cứu của Tibor Gánti không được các nhà khoa học đương thời biết đến rộng rãi. Nếu không, hiện tại ông đã nổi danh là một trong những nhà sinh học sáng tạo nhất của thế kỷ 20. Bởi vì ông đã nghĩ ra một mô hình cơ thể sống đơn giản nhất, thứ mà ông gọi là “chemoton”.

Đối với các nhà khoa học đang cố gắng tạo lại “sinh vật đầu tiên” trên Trái đất, chemoton là một mục tiêu hấp dẫn cho các thí nghiệm. Nếu các hóa chất có thể tự lắp ráp thành chemoton, điều đó cho thấy một con đường thú vị mà sự sống có thể hình thành.

Khi còn trẻ, Ganti rất thích nghiên cứu về bản chất của các sinh vật sống. Ông học ngành kỹ thuật hóa học trước khi trở thành một nhà hóa sinh công nghiệp. Năm 1966, ông xuất bản một cuốn sách về sinh học phân tử mang tên “Forradalom az Élet Kutatásában” (Cuộc cách mạng trong Nghiên cứu Sự sống). Đây là cuốn sách giáo khoa đại học phổ biến ở Hungary trong nhiều năm. Cuốn sách đặt câu hỏi liệu giới khoa học đã hiểu rõ về nguồn gốc của sự sống hay chưa, và ông kết luận là chưa.

Năm 1971, Gánti đã giải quyết vấn đề này trong cuốn sách xuất bản bằng tiếng Hungary “Az Élet Princípiuma” (Nguồn gốc của Sự sống). Cuốn sách này đề cập đến phiên bản đầu tiên về mô hình chemoton, thứ mà ông mô tả là đơn vị cơ bản của sự sống. Tuy nhiên, mô hình ban đầu của sinh vật này vẫn chưa hoàn thiện, và ông phải mất thêm ba năm nữa để công bố phiên bản chemoton chính thức trong một bài báo hiện nay không có sẵn trên mạng.

Trên toàn cầu, năm 1971 cũng là năm quan trọng với nhiều nghiên cứu mới về nguồn gốc của sự sống. Ngoài công trình của Gánti, các nhà khoa học còn đưa ra hai mô hình lý thuyết quan trọng khác.

Ý tưởng đầu tiên đến từ nhà sinh học lý thuyết người Mỹ Stuart Kauffman, người cho rằng các sinh vật sống phải có khả năng sao chép chính mình. Khi suy đoán về quá trình này trước khi tế bào hình thành, ông tập trung vào hỗn hợp các chất hóa học. Ông lập luận, giả sử rằng hóa chất A thúc đẩy sự hình thành hóa chất B, sau đó thúc đẩy sự hình thành hóa chất C,…vv, cho đến khi một chất nào đó trong chuỗi tạo ra một phiên bản mới của hóa chất A. Sau một chu kỳ, hai bản sao của mỗi bộ hóa chất sẽ tồn tại. Nếu cung cấp đủ nguyên liệu thô, một chu trình khác sẽ tạo ra bốn bản sao và tiếp tục theo cấp số nhân.

Kauffman gọi một nhóm như trên là “bộ hóa chất tự xúc tác”, và ông lập luận rằng những nhóm hóa chất như vậy có thể là nền tảng cho sự sống đầu tiên. Các nhóm ngày càng phức tạp hơn cho đến khi chúng tạo ra và sử dụng một loạt các phân tử phức tạp, chẳng hạn như DNA.

Trong ý tưởng thứ hai, nhà hóa học người Đức Manfred Eigen đã mô tả cái mà ông gọi là “siêu vòng tròn”, trong đó một số bộ hóa chất tự xúc tác đã kết hợp lại để tạo thành một bộ hóa chất lớn hơn. Ý tưởng của Eigen có một số điểm khác biệt quan trọng. Trong một siêu vòng tròn, các hóa chất dần liên kết với nhau để tạo thành DNA [hoặc một axit nucleic khác], và cuối cùng các thông tin mã hóa trong DNA tổng hợp ra protein. Hệ thống này có thể phát triển dựa trên những thay đổi trong gene, hoặc đột biến gene, một chức năng mà mô hình của Kauffman còn thiếu.

Gánti đã độc lập đi đến một khái niệm tương tự, nhưng ông còn đưa nó đi xa hơn. Ông cho rằng có hai quá trình quan trọng bắt buộc phải diễn ra trong mọi cơ thể sống. Đầu tiên, nó phải xây dựng và duy trì cơ thể của mình, nghĩa là nó cần một quá trình trao đổi chất. Thứ hai, nó phải có một số loại hệ thống lưu trữ thông tin, chẳng hạn như gene, có thể sao chép và truyền lại cho thế hệ con cháu.

Phiên bản đầu tiên của Gánti về mô hình chemoton về cơ bản là hai bộ hóa chất tự xúc tác với các chức năng riêng biệt kết hợp với nhau để tạo thành một bộ hóa chất tự xúc tác lớn hơn – không quá khác biệt so với ý tưởng “siêu vòng tròn” của Eigen. Tuy nhiên, vào năm sau, một nhà báo đã chỉ ra lỗ hổng quan trọng trong phiên bản chemoton đầu tiên. Gánti giả định rằng hai hệ thống này dựa trên các chất hóa học trôi nổi trong nước. Nhưng nếu không có gì giữ chúng lại, các hóa chất sẽ trôi dạt khắp nơi và chemoton sẽ “chết”.

Giải pháp duy nhất là thêm một hệ thống thứ ba: một rào chắn bên ngoài để chứa các chất hóa học. Trong các tế bào sống, hàng rào này là một lớp màng được tạo ra từ lipid. Gánti kết luận, chemoton phải có một hàng rào như vậy để giữ bản thân không bị phân tách. Nó cũng phải tự xúc tác để duy trì và phát triển. Nói tóm lại phiên bản chemoton đầy đủ, hay cơ thể sống đơn giản nhất, bao gồm ba yếu tố liên kết với nhau: gene, quá trình trao đổi chất và màng.

Quá trình trao đổi chất tạo ra các khối xây dựng cho gene và màng. Đến lượt mình, các gene cũng có khả năng tác động đến màng. Chúng cùng nhau tạo thành một đơn vị tự tái tạo: một tế bào đơn giản đến mức không chỉ có thể phát sinh tương đối dễ dàng trên Trái đất, nó thậm chí có thể giải thích cho các quá trình sinh hóa diễn ra trên các hành tinh khác.

Thách thức lớn nhất đối với mô hình chemoton xuất hiện vào cuối thế kỷ 20. Khi đó, các nhà khoa học có xu hướng tiếp cận loại bỏ sự phức tạp của những dạng sống đầu tiên để chuyển sang các phương pháp tiếp cận tối giản hơn. Ví dụ, một trong những giả thuyết nổi bật nhất vẫn còn thịnh hành đến ngày nay là sự sống bắt nguồn từ RNA. Bởi vì RNA có thể hoạt động như một enzyme và thúc đẩy các phản ứng hóa học, khiến nhiều chuyên gia lập luận rằng sự sống đầu tiên chỉ cần RNA để bắt đầu. Tuy nhiên, giả thuyết này chưa được chứng minh, đặc biệt là khi các nhà khoa học chưa tìm ra loại RNA có thể tự sao chép mà không cần sự trợ giúp từ yếu tố bên ngoài. Một số nhà nghiên cứu khác lập luận sự sống cũng có thể bắt đầu từ protein hoặc lipid. Những ý tưởng như vậy tồn tại nhiều hạn chế so với mô hình chemoton của Gánti.

Đến thế kỷ 21, các nhà nghiên cứu có xu hướng quay trở lại cách tiếp cận tổng hợp của Gánti. Năm 2003, Jack Szostak và cộng sự tại Đại học Harvard đã chế tạo các tế bào nguyên mẫu ngày càng giống thật, chứa nhiều loại hóa chất. Các tế bào nguyên mẫu này có thể phát triển và phân chia. Đến năm 2013, Szostak đã khiến RNA tự sao chép trong tế bào nguyên mẫu. Hơn nữa, các gene và màng có thể tương tác với nhau: khi RNA hình thành bên trong, nó tạo áp lực lên màng ngoài và khuyến khích tế bào nguyên mẫu phát triển lớn hơn.

“Sự sống đầu tiên không phải chỉ là các protein, RNA, hay lớp kép lipid. Nó là tất cả những thứ đó kết hợp với nhau trong một hệ thống phù hợp”, James Griesemer, nhà nghiên cứu tại Đại học California, Davis, nhận định.