Một hòn đá stromatolites ( một các loại đá trầm tích cổ, thường chứa những loại vi trùng hóa thạch ) tìm thấy ở khu vui chơi giải trí công viên vương quốc Glacier, Mỹ. Vào năm 2002, William Schopf của UCLA đã cho rằng mẫu đá này đã có đến từ 3.5 tỉ năm trước. Xem thêm ở Is this life ?. Nếu đúng, đây hoàn toàn có thể là hình thái sự sống tiên phong ở trên Trái Đất .
Cội nguồn sự sống chính là quá trính phát triển tự nhiên từ vật chất vô cơ thông qua sự phức tạp hóa các hợp chất cacbon, hình thành các đại phân tử protein và các nucleic thực hiện thành một hệ tương tác có nguy cơ tự nhân bản , và tự đổi mới.
Nghiên cứu về nguồn gốc sự sống là một trong những lĩnh vực đã được biết đến rất nhiều hạn chế mặc dầu hầu hết những hiểu biết của con người về bộ môn sinh học , và thế giới tự nhiên là dựa trên nó. Mặc dù công việc nghiên cứu về lĩnh vực này rất chậm nhưng nó luôn luôn thu hút sự chú ý của nhiều người bởi vì đây là một câu hỏi rất lớn và rất nhiều khó. Một số những sự kiện đã cho chúng ta biết một phần điều kiện tạo nên sự sống, nhưng cơ chế bên trong tạo nên sự sống vẫn chính là một điều bí ẩn.
Những tư tưởng về sự sống tiên phong : Aristotle, Pasteur, Darwin, Oparin
Bạn đang đọc: Cội nguồn sự sống – Wikipedia tiếng ViệtVào thế kỉ thứ 4 trước Công nguyên, Aristotle đã trình bày dựa ở trên những điều mà con người thời đó biết được, ít số 1 chính là ở châu u, rằng những vật thể sống phát sinh từ những vật thể không sống. Ví dụ như bọ chét , chuột phát sinh đến từ những đống rác cũ hay là bột mì, những con giòi , và ruồi trong thịt thối, rệp trong sương. Cuộc sống, nói ngắn gọn hơn, là bắt nguồn từ sự phát triển tự nhiên.
Cội nguồn sự sống – Wikipedia tiếng Việt
Những nhà khoa học đầu thế kỉ 18 đã lật đổ những học thuyết của Aristotle, nhưng phải đến những thí nghiệm của Louis Pasteur vào năm 1862 người ta mới chắc chắn rằng một nơi đã được vô trùng thì cũng sẽ vĩnh viễn chưa có bất cứ sinh vật nào phát sinh trong nó được nữa. Ngoài ra ông cũng cho rằng sự sống chỉ có thể phát sinh từ những cơ thể sống phức tạp khác. Các công trình của Pasteur có thể được tóm tắt trong một định luật mà ngày nay chính là nền tảng của thuyết tiến hóa hiện đại: Định luật phát sinh sinh vật: “Mọi cuộc sống đều bắt đầu từ trứng” (nguyên bản tiếng Latinh omne vivum ex ovo). Và thực tế thuyết tiến hóa sinh học không hề có nhiệm vụ chứng minh sự sống đến từ đâu ra (cũng giống như thuyết vạn vật hấp dẫn không có nhiệm vụ chứng minh trọng lực từ đâu xuất hiện), nó chỉ có nhiệm vụ giải thích sự đa dạng mà thống nhất , và thống nhất trong sự đa dạng của sự sống. Tuy vậy sự sống hoàn toàn có thể bắt nguồn từ các chất hữu cơ đơn giản (abiogenesis).Trong tiếng Việt gọi chính là tiến hóa hóa học
Ngành khoa học sinh vật hiện đại đang phải đương đầu với một câu hỏi cao hơn: sự sống bắt nguồn “đầu tiên” ở đâu? Pasteur đã triệu chứng minh rằng những sinh vật bậc cao chưa thể phát sinh một cách tự nhiên. Lý thuyết về tiến hóa của Charles Darwin đã đưa ra một cơ chế để giải thích điều này: sinh vật phải mất hàng triệu năm để tiến hóa từ những dạng cơ bản, nhưng nó cũng sẽ chưa mang những đặc điểm như lúc trước nữa, nhưng những sinh vật cơ bản ấy sẽ đến từ đâu ra? Darwin rất nhiều quan tâm đến vấn đề này. Trong một lá thư gửi cho Joseph Dalton Hooker ngày 1 tháng 2 năm 1871, Darwin đã cho rằng sự sống bắt nguồn từ “một cái hồ nước ấm áp có chứa đầy các loại muối ammonia và phosphat, ánh sáng, nhiệt độ, điện,… để các hợp chất protein có thể hình thành , trải qua những biến đổi phức tạp”. Tiếp theo đó, Darwin tìm cách lý giải luận điểm của mình “vào bây giờ, những điều kiện như thế nếu tồn tại sẽ bị biến mất ngay lập tức, ngoại trừ trước khi tất cả các sinh vật sống đã được sinh ra”. Nói một cách khác, sự khai sinh các dạng sống phức tạp có thể một phần nào ngăn cản sự tạo thành những hợp chất hữu cơ cơ bản ở trên Trái Đất, một điều kiện khiến cho việc đi tìm câu trả lời cho câu hỏi trên nằm trong phòng thí nghiệm.
Câu vấn đáp cho câu hỏi của Darwin vẫn nằm ngoài tầm hiểu biết của khoa học tân tiến, , hầu hết chưa có một tân tiến nào trong nghành nghề dịch vụ này vào thế kỉ 19. Năm 1936, Aleksandr Ivanovich Oparin, trong cuốn sách nổi tiếng của mình ” The Origin of Life on Earth ” ( Nguồn gốc của sự sống trên Trái Đất ), đã cho thấy rằng sự hiện hữu của chưa khí chứa oxy và những hình thái sống phức tạp đã ngăn cản những chuỗi phản ứng hoàn toàn có thể tạo nên sự sống. Oparin còn cho rằng, một ” món súp nguyên thủy ” với những hợp chất hữu cơ chỉ hoàn toàn có thể tạo thành ở những nơi thiếu oxy, qua ánh sáng Mặt Trời. Sau đó, ông cho rằng chính những hợp chất hữu cơ cao phân từ hòa tan trong nước thành những dung dịch keo, những dung dịch keo này hoàn toàn có thể hòa tan vào nhau tạo thanh những giọt rất nhiều nhỏ gọi là coacervate. Những giọt này hoàn toàn có thể lớn lên nhờ hấp thụ những giọt khác, hoàn toàn có thể sinh sản khi có những tác động ảnh hưởng cơ giới chia nó ra thực hiện những hạt nhỏ hơn, do đó nó có những đặc thù cơ bản của một tế bào nguyên thủy. Tất cả những học thuyết văn minh đều khởi đầu từ những vấn đề của Oparin .
Những thuyết hình thành sự sống tân tiến
Trong thực tiễn không có một thuyết chuẩn nào về nguồn gốc sự sống. Tuy nhiên, những thuyết đã được người ta gật đầu nhiều nhất đều được kiến thiết xây dựng trên một số ít những phát hiện về cấu trúc phân tử , và tế bào. Chúng gồm có những vấn đề sau :
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 triệu chứng minh qua thí nghiệm Urey-Miller do Stanley L. Miller , Harold C. Urey vào năm 1953.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.Quá trình trùng hợp của nucleotide trở thành những mạch RNA ngẫu nhiên dẫn đến sự nhân đôi các ribozyme (giả thuyết về “Thế giới RNA” của Carl Woesoe).Những thúc đẩy thiên nhiên về tính xúc tác tốt , 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 RNA tạo thành những chất xúc tác tốt hơn hình thành. Do đó sinh ra các hạt ribosome, thực hiện cho sự hình thành các protein đã được dễ dàng hơn.Protein đã vượt qua ribozhyme về nguy cơ 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 những tế bào, trong khi không đã được rõ ràng, hoàn toàn có thể tạo ra tranh cãi về mức độ quan trọng , và thứ tự của bước 2 , và 3. Các hợp chất vô cơ , và hữu cơ cơ bản nhất tạo nên sự sống là methane ( CH4 ), ammonia ( NH3 ), nước ( H2O ), hydro sulfide ( H2S ), carbon dioxide ( CO2 ) , và phosphat ( PO43 – ). Cho đến năm 2006, không có một ai đã điều chế tự tạo đã 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 những monomerBước 2 : Sự hình thành những polymerBước 3 : Sự tiến hóa đến từ những Lever phân tử lên đến tế bàoBernal còn cho rằng : sự tinh lọc tự nhiên như Darwin hoàn toàn có thể khởi đầu đến từ rất sớm, có khi từ giữa quá trình tiến độ 1 , 2 .
Nguồn gốc của những chất hữu cơ : Miller, Eigen , và Wächtershäuser
Thí nghiệm Miller ( do Harold Urey và học trò của mình chính là Stanley Miller ) triển khai vào năm 1953 nhằm mục đích tái tạo lại những điều kiện kèm theo đã được cho rằng có từ lúc Trái Đất Open. Thí nghiệm sử dụng một hỗn hợp những chất khí như : methane, ammonia , và hydro. Tuy nhiên, tỉ lệ của những chất khí trong khí quyển Trái Đất cổ đại vẫn chính là một điều gây tranh cãi. Đã có thời người ta nghĩ rằng một lượng oxy đáng kể trong bầu khí quyển, nhưng chính oxy lại ngăn cản sự hình thành những hợp chất hữu cơ .
Thí nghiệm nhận 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 không có sự sống nào hình thành trước thì các chất hữu cơ này sẽ đã được tích trữ lại , đến một lúc nào đó cũng sẽ có một sự tiến hóa hóa học. Hơn nữa, sự hình thành các polymer phức tạp đến từ các monomer dưới những điều kiện như thế chưa 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 biểu hiện địa lý 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, mọi người nên hi vọng sẽ tìm đã được một nơi nào đó trên Trái Đất mà trầm tích 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, mọi người ít số 1 cũng phải tìm đã được những hợp chất nitơ. Thực tế chính là những chất như thế vẫn còn không được tìm thấy trên Trái Đất.
Một số nguồn khác tạo thành các hợp chất hữu cơ phức tạp được công nhận: thí 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 hydrocarbon thơm đa vòng (PAH, viết tắt của polycyclic aromatic hydrocarbon) đã được tìm thấy khi quan sát các tinh vân. Sự hiện diện của PAH là nguồn gốc của “thế giới RNA” trong giả thuyết “thế giới PAH”.
Có 1 số ít tranh cãi rằng yếu tố hầu hết vẫn không đã được vấn đáp bằng thuyết này chính là làm cách nào mà những phân tử hữu cơ đơn thuần lại hoàn toàn 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 thiên nhiên và môi trường nước, sự thủy phân những polymer tạo thành những monomer có lợi thế hơn sự ngưng tụ những monomer thành polymer. Thí nghiệm Miller cũng đã tạo thành những chất chắc như đinh phải phản ứng với amino acid, đến từ đó, chấm hết chuỗi peptide .Vào đầu thập kỉ 1970, một yếu tố lớn được phát hiện về nguồn gốc sự sống được phát hiện bởi một nhóm nhà khoa học tại Thương Hội Max Planck. Họ tìm những xem xét những bước trong thời điểm tạm thời trong phản ứng giữa những chất trong ” món súp nguyên thủy ” , và những bước trong thời điểm tạm thời trong những bước nhân đôi những mạch carbon vòng. Kết quả là, trong phân tử carbon mạch vòng, bộ phận tàng trữ thông tin ( hoàn toàn có thể chính là RNA ) đã tiết ra một chất enzyme, giúp cho cho sự tạo nên một mạng lưới hệ thống thông tin mới, cứ liên tục như vậy cho đến khi một mạng lưới hệ thống thông tin sau cuối tương hỗ cho mạng lưới hệ thống tiên phong. Hệ thống đó được gọi là quasispecies, trải qua quy trình tinh lọc tự nhiên rồi trở thành một sinh vật. Một trong những dẫn triệu chứng của thuyết carbon vòng là sự mày mò ra RNA, trong 1 số ít trường hợp hoàn toàn có thể chuyển hóa thành ribozymes, một dạng enzyme tạo thành RNA .
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 là nguồn gốc của sự sống. Hơn nữa, ông ta đã đưa ra một hệ thống rõ ràng về những triệu chứng cứ sinh hóa từ những phản ứng khác gây nên chất hữu cơ đến từ những chất khí cơ bản. Trái với những thí nghiệm của Miller, đòi hỏi rất nhiều nhiều những nguồn năng lượng khác như tia UV, sấm sét,… hệ thống Wächtershäuser bao gồm nguồn năng lượng khác: sắt sulfide , một số khoáng chất khác (ví dụ: khoáng pyrite). Năng lượng này đã được giải phóng đến từ những quá trình oxy hóa-khử những sulfide kim loại , là nguồn năng lượng chính để gây nên những phân tử hữu cơ cơ bản , 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 những 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 ở 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 chuyên gia khác cho là sẽ phản ứng với nhau hay là bền. Sửa đổi mới số 1 trong lý thuyết “thế giới sắt – lưu huỳnh” được đưa ra bởi William Martin , Michael Russell vào năm 2002. Theo như nghiên cứu của họ thì, phân tử đầu tiên của sự sống có thể được hình thành trong những mạch khoáng dưới đáy biển. Đây là một nơi có rất nhiều nhiều những khoáng chất có gốc sulfide đã được phun ra rồi đóng rắn lại tạo thành một hệ thống các hang động ngầm rất nhiều nhỏ. Do đó, hệ thống này có thể giải quyết những điểm yếu trong học thuyết Wächtershäuser.
Những hang động nhỏ được gây nên chính là một cách để tập trung các chất được tổng hợp thành, do đó có nhiều khả năng tạo đã được các chất hữu cơ cấp cao.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 tốt nhất hơn những vùng khác (monomer ở vùng nóng, polymer ở vùng lạnh).Dòng hải lưu qua vùng mạch khoáng khi đi ngang qua những hang động nhỏ cũng một phần thực hiện sạch những nguồn nguyên liệu đã hết , cung cấp thêm nguồn nguyên liệu mới.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, RNA, ribonucleoprotein, ADM) trong một cấu trúc nhỏ làm dễ dàng thay đổi giữa những bước phát triển.Sự tạo thành lipid có nghĩa chính 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 tăng trưởng tiếp nối chính là sự tổng hợp những màng lipid sau cuối được cho phép những khung hình sống, ở đầu cuối được cho phép những vật sống di chuyển dời khỏi những mạng lưới hệ thống hang động nhỏ để khởi đầu đời sống của riêng mình .
Sự bất đối xứng của sự sống
Một trong những yếu tố còn không xử lý được đó chính là ” tính hướng “. Ví dụ : toàn bộ những monomer đều có quay về một phía ( amino acid đa phần thuận tay trái, phân tử đường cấu trúc nên acid nucleic thì thuận tay phải ). Tính hướng rất nhiều thiết yếu cho cấu trúc những ribozyme ( , ngay cả protein ). Nguồn gốc của tính hướng có lẽ rằng chỉ đơn thuần đã được lý giải bằng tính không đối xứng của những phân tử tiên phong theo ngẫu nhiên , toàn bộ những phân tử sau đều giống như thế. Một số khảo sát và khảo sát năm 2003 của những chuyên gia tại Đại học Perdue nhận thấy serine ( một amino acid ) hoàn toàn có thể là nguồn gốc của tính chưa đối xứng của những phân tử hữu cơ. Serine tạo thành một link mạnh những phân tử amino acid khác khiến chúng đều quay theo một hướng khiến 8 phân tử amino acid tiếp theo sẽ cùng quay trái hay cùng quay phải. Tuy nhiên, làm cách nào mà lại có nhiều phân tử serine quay trái như thế thì vẫn còn chính là một điều huyền bí : thực hiện cách nào mà phân tử tạo bởi sinh vật hầu hết chỉ quay về một phía trong khi hầu hết chúng chính là chưa đối xứng .Vi khuẩn được biết sử dụng amino acid dạng D ( tay phải ) trong một vài kháng sinh peptide, trong đó những amino acid được xem như thể ” sai ” : D-glutamate, D-phenylalanine, D-aspartate, và D-valine đã được thấy phối hợp với nhau. Lưu ý quan trọng chính là con đường sinh tổng hợp thường thì, trong đó DNA mã hóa cho 20 amino acid dạng L ( tay trái ), không hề tạo ra những amino acid dạng D. Ngược lại, những peptide chứa amino acid dạng D đã được tạo ra chỉ bằng những con đường sinh tổng hợp chuyên biệt , chưa tương quan gì đến sinh tổng hợp protein thường thì. Vi khuẩn sử dụng D – α – alanine , và D-glutamate không riêng gì trong những peptide chuyên biệt mà còn trong lớp peptidoglycan của vách tế bào “Hai dạng L và D, tức chính là tay trái , tay phải của amio acid luôn sống sót cùng một lúc. Trong đó, dạng L đã được mã hóa từ DNA và tham gia vào quy trình tổng hợp peptide ( protein ). Mặt khác, dạng D lại tham gia tạo những peptide của vách tế bào , và tạo những kháng sinh peptide, là một dạng nội độc tố của vi trùng. Từ đó, ta thấy rằng 2 dạng tay trái , tay phải của amino acid cùng sống sót và tham gia vào quy trình khác nhau : dạng tay Trái tham gia vào quá trình sinh trưởng của tế bào ; còn dạng tay Phải tham gia vào bảo vệ tế bàoNhư vậy, dạng tay phải của amino acid sống sót khắp chung quanh ta, song song cùng một lúc với dạng tay trái của amino acid .
Ngoài ra còn có sự xuất hiện của các amino acid dạng D, dạng tay phải trong các hợp chất thiên nhiên thông thường như mật ong, trà, hạt cacao. D-aspartic đã được thấy trong não của chuột, gà , người. Ở đây, nồng độ của D-aspartic dường như liên quan đến các giai đoạn phát triển vì nồng độ tăng , và sau đó giảm nhanh xuống tới số lượng thấy được lập lại trong các mô trưởng thành. D-serine, D- α -alanine, and D-proline được thấy hiện diện trong huyết thanh người với tỷ lệ D/L chính là 0,24 và còn trong thận của chuột với tỷ lệ D/L lên tới 0,035. Các tỷ lệ ở trên nhận thấy số lượng của dạng tay phải, dạng D, luôn nhỏ hơn số lượng của dạng tay trái, dạng L (vì con số tỷ lệ nhỏ hơn 1). Tuy nhiên, vẫn có sự xuất hiện của dạng tay phải song song với dạng tay trái chứ chưa bao giờ là 100% dạng tay trái.
Như vậy, như Pasteur đã nói rằng phân tử tham gia sự sống là bất đối xứng. Vì vậy, phân tử đó luôn luôn tồn tại cùng một lúc ở hai dạng tay phải , tay trái. Tuy nhiên, không ai biết chắc rằng cùng một phân tử thì có bao nhiêu tay trái , và bao nhiêu tay phải vì điều này còn phải phụ thuộc vào điều kiện tồn tại của phân tử đó. Ví dụ như tỷ lệ tay trái/tay phải của D-serine, D- α -alanine, and D-proline trong huyết thanh người chính là 0,24. Nhưng trong các cơ quan khác thì chưa chắc đúng, mọi người phải làm thực nghiệm mới biết được.