Sự sống đầu tiên trên Trái Đất đã hình thành như thế nào? Tại sao toàn bộ sinh vật chỉ cấu thành từ 20 amino axit?

Sự sống đầu tiên trên Trái Đất đã xuất hiện như thế nào? Đó là điều mà chúng ta đã tự hỏi bản thân trong suốt hàng ngàn năm. Từ các phân tích khoa học, con người bây giờ đã có thể biết khá chắc về thời điểm sự sống nguyên thủy đầu tiên hình thành.

Nhưng trả lời cho câu hỏi tại sao và như thế nào sự sống ấy xuất hiện thì không một nhà khoa học nào chắc chắn. Làm thế nào mà các axit amin, các khối xây dựng hóa học của sự sống, lại kết hợp với nhau ở thời điểm bốn tỷ năm về trước để tạo ra một phân tử protein đầu tiên?

Khi câu hỏi vẫn chưa được trả lời, các nhà khoa học đang thực hiện những khám phá mới có thể giúp họ khoanh vùng đáp án. 

Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Tiến hóa Hóa học (CCT) của Viện Công nghệ Georgia gần đây đã tiến hành một nghiên cứu cho thấy: Một số tiền thân sớm nhất của phân tử protein có thể tự liên kết với nhau để tạo thành chuỗi.

Điều này ủng hộ giả thuyết cho rằng hóa học thuần túy có thể biến các phân tử vô cơ thành phân tử sinh học. Nó làm yếu các thuyết cho rằng sự sống trên Trái Đất được "gieo mầm". Nếu có bất cứ hành tinh nào trong vũ trụ hội tụ được các điều kiện như Trái Đất 4 tỷ năm về trước, ở đó cũng có thể có sự sống.

Sự sống đầu tiên trên Trái Đất đã hình thành như thế nào? Tại sao toàn bộ sinh vật chỉ cấu thành từ 20 amino axit?

Trải qua nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học đã từng xây dựng được một giả thuyết giải thích cách các axit amin đầu tiên kết hợp lại với nhau để tạo thành phân tử protein. Thật không may, tất cả các nỗ lực để xác minh những giả thuyết này cho đến nay đều thất bại.

Như Tiến sĩ Kuke Leman, phó giáo sư hóa học tại Viện nghiên cứu Scripps Research giải thích:

Bằng cách nào mà hóa học có thể phát triển thành các dạng sự sống phức tạp là một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất nhân loại từng suy ngẫm. Có rất nhiều lý thuyết về nguồn gốc của protein, nhưng không có nhiều thực nghiệm trong phòng thí nghiệm chứng minh những ý tưởng này.

Bởi vậy, trong nghiên cứu của mình, tiến sĩ Leman và các đồng nghiệp đã tiến hành một thí nghiệm. Họ đưa vào đó các axit amin (lysine, arginine và histidine) cùng với ba axit amin đối thủ không có đặc tính sinh học. Các axit amin sau đó phải chịu các điều kiện tương tự như những gì được cho là đã tồn tại trên Trái Đất trong Liên đại Hỏa thành (khoảng 4 tỷ năm trước).

Các điều kiện này bao gồm việc đưa các axit amin vào nước có chứa axit hydroxy, một yếu tố tạo thuận lợi cho các phản ứng axit amin, cũng từng xuất hiện phổ biến trong thời kỳ tiền sinh học của Trái Đất. Hỗn hợp này sau đó được làm nóng đến 85°C, giúp nước bay hơi và làm tăng tốc độ phản ứng.

Các nhà khoa học sau đó sẽ theo dõi và phân tích các phản ứng hóa học diễn ra. Và đây chính là lúc điều bất ngờ xuất hiện.

Các axit amin được đưa vào điều kiện tương tự như những gì được cho là đã tồn tại trên Trái Đất trong Liên đại Hỏa thành

Các axit amin sinh học đã tự liên kết lại với nhau và hình thành các phân đoạn ngắn gọi là nhóm ?-amine. Những nhóm này là dạng chuỗi phân tử được cấu thành từ nitơ và hydro. Chúng cũng là một phần của lõi axit amin.

Tiến sĩ Frenkel-Pinter, trưởng nhóm thí nghiệm tại Viện Công nghệ Georgia cho biết:

Một điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là hóa học tạo điều kiện cho các kết nối dạng ?-amine được tìm thấy trong protein, mặc dù các nguyên tắc hóa học có thể khiến chúng tôi tin rằng kết nối phi protein sẽ được ưa chuộng. Phần trăm liên kết giống protein xuất hiện trên liên kết phi protein là khoảng bảy trên một.

Vậy là các axit amin sinh học đã đánh bại những hợp chất phi sinh học về khả năng phản ứng. Sự ưu tiên này là cơ sở cho các nhà nghiên cứu dự đoán các axit amin sẽ tiến được tới mức tạo ra các protein mới.

Ngoài ra, việc các axit amin sinh học thể hiện khả năng phản ứng cao hơn cũng có thể giải thích lý do tại sao toàn bộ sự sống trên Trái Đất rốt cục chỉ hình thành từ 20 trong số hơn 500 axit amin có mặt trên Trái Đất 4 tỷ năm về trước.

Như Loren Williams, giáo sư hóa sinh tại Viện Công nghệ Georgia giải thích:

Ý tưởng của chúng tôi là sự sống đã bắt đầu với nhiều khối xây dựng (axit amin) và chọn lọc tự nhiên đã tìm ra được một tập hợp con của chúng, nhưng chúng tôi không biết hóa học thuần túy đã chọn ra bao nhiêu trong số chúng và mất bao nhiêu quá trình sinh học mới hoàn thành.

Ở một nơi nào đó trong vũ trụ, khi các điều kiện hội tụ giống như Trái Đất, sự sống cũng có thể hình thành.

Tóm lại , thế giới tiền sinh học đã từng có một bộ axit amin lớn hơn ngày nay nhiều. Có điều gì đặc biệt về 20 axit amin đang cấu thành sự sống của chúng ta, hay là chúng đã bị đóng băng tại một thời điểm nào đó bởi quá trình tiến hóa?

Trả lời một phần những câu hỏi này, thí nghiệm mới của Viện Công nghệ Georgia đã cho thấy các loại axit amin cấu thành protein ngày nay có nhiều khả năng liên kết với nhau, vì chúng phản ứng cùng nhau hiệu quả hơn và có ít phản ứng phụ so với axit amin phi sinh học.

Ngoài ra, nó cũng cho thấy hóa học thuần túy có thể làm nảy sinh sự sống từ những phân tử phi sinh học. Điều này cũng củng cố giả thuyết cho rằng ở một nơi nào đó trong vũ trụ, khi các điều kiện hội tụ giống như Trái Đất, sự sống cũng có thể hình thành.

Nghiên cứu mới vừa được đăng trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.

Tham khảo Universetoday