Một chiến lược mới để hiểu nguồn gốc sự sống

“Những đặc điểm cơ bản nhất của sinh học, rằng các sinh vật cấu thành từ các tế bào, chúng truyền lại thông tin di truyền qua ADN, chúng sử dụng các enzyme protein để chuyển hóa, tất cả đều xuất hiện thông qua các quá trình cụ thể trong lịch sử tiến hóa vô cùng sơ khai. Việc hiểu được những hệ thống sinh học cơ bản nhất này ban đầu định hình ra sao không chỉ giúp chúng ta hiểu thêm về hoạt động của sự sống ở mức độ cơ bản nhất, mà còn cho biết sự sống lúc đầu thực sự là thế nào và làm sao chúng ta có thể tìm nó bên ngoài Trái đất”, theo phó giáo sư sinh học Aaron Goldman tại Trường Oberlin (Hoa Kỳ).

Câu hỏi “Sự sống ban đầu xuất hiện thế nào?” thường được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Chúng mô phỏng các môi trường ban đầu trên Trái đất và tìm kiếm những chất hóa học có thể tạo ra cùng những loại phân tử sinh học và các phản ứng chuyển hóa mà chúng ta thấy trong sinh vật ngày nay. Đây là phương pháp tiếp cận “từ dưới lên” vì nó làm việc với những vật chất chắc hẳn đã xuất hiện trên Trái đất tiền sinh học. Những nghiên cứu như vậy được gọi là “hóa học tiền sinh”. Tuy một số nghiên cứu đã thành công trong chứng minh sự sống “có thể” đã hình thành như thế nào song vẫn không thể cho biết, sự sống “thực sự” bắt đầu ra sao.

Trong khi đó, một nghiên cứu khác đã sử dụng các kỹ thuật từ sinh học tiến hóa để tái dựng lại hình dạng khả thi của những sự sống sơ khai dựa trên dữ liệu từ sự sống ngày nay. Đây là phương pháp tiếp cận “từ trên xuống” và có thể cho chúng ta biết về lịch sử sự sống trên Trái đất.

Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể nhìn xa tới các gene còn được bảo tồn trong sinh vật ngày nay, do vậy nó không thể đi tới tận cùng nguồn gốc của sự sống. Dù có những hạn chế riêng, song cả hai dạng nghiên cứu này đều hướng tới mục tiêu chung là khám phá ra nguồn gốc của sự sống, và lý tưởng là kết quả của chúng nên đồng quy về một loạt điều kiện chung.

Trong một bài báo mới, các nhà khoa học Goldman, Laurie Barge cùng đồng nghiệp đã cố gắng bắc cầu cho khoảng cách giữa hai phương pháp này. Họ cho rằng việc kết hợp hai phương pháp nêu trên có thể giúp khám phá ra sự sống thực sự bắt đầu như thế nào trên Trái đất thuở sơ khai. 

Họ đã công bố kết quả này trong bài báo “Electron Transport Chains as a Window into the Earliest Stages of Evolution” trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, trong đó mô tả một hiện tượng trung tâm của sự sống ngày nay: các chuỗi vận chuyển electron.

Đây là một loại hệ thống chuyển hóa mà sinh vật trên cây sự sống sử dụng, từ vi khuẩn cho tới con người, để sản sinh ra những dạng hóa năng khả dụng. Từng kiểu chuỗi vận chuyển electron khác nhau lại chuyên biệt với từng dạng sự sống và chuyển hóa năng lượng mà chúng sử dụng. Ví dụ, ty thể chứa một chuỗi chuyển electron liên quan tới chuyển hóa năng lượng dị dưỡng (tiêu hóa thức ăn); thực vật có chuỗi chuyển electron hoàn toàn khác liên quan tới quang hợp (tạo năng lượng từ ánh nắng).

Các sinh vật sử dụng rất nhiều chuỗi chuyển electron liên kết với nhiều loại chuyển hóa năng lượng khác nhau. Song, bất chấp những khác biệt này, bằng cách nghiên cứu từ trên xuống, các tác giả đưa ra bằng chứng cho thấy những dạng sống sơ khai nhất đã sử dụng chiến lược chuyển hóa này, và họ trình bày một số mô hình về chuỗi chuyển electron tổ tiên có thể tồn tại từ khởi nguồn lịch sử tiến hóa. Họ cũng khảo sát bằng chứng từ dưới lên hiện có và thấy rằng trước khi sự sống xuất hiện, khoáng chất và nước biển trên Trái đất thuở đầu có thể đã tạo điều kiện cho chuỗi chuyển electron. 

Từ những quan sát này, các tác giả phác thảo ra chiến lược nghiên cứu tương lai sẽ tổng hợp hai cách nghiên cứu nêu trên về lịch sử sớm nhất của các chuỗi chuyển electron để hiểu rõ hơn về sự chuyển hóa năng lượng cổ đại và nguồn gốc của sự sống một cách rộng hơn.□

Phương Anh dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2023-08-scientists-outline-strategy-life.html