"Sự sống trên hành tinh hình thành như thế nào?" có lẽ, chẳng có câu hỏi nào lớn hơn nữa đối với các nhà khoa học và nhân loại nói chung.
Thời xưa, người ta tin rằng "các vị thần" đã tạo ra Trái Đất và con người. Điều này không còn đúng nữa trong bối cảnh khoa học ngày càng phát triển như hiện nay. Bởi chúng ta hiểu cơ thể từ đâu mà có, tế bào hoạt động ra sao, quá trình trao đổi chất diễn ra như thế nào để một sinh vật duy trì sự sống của nó.
Khi khoa học càng hiện đại, càng có nhiều nhà khoa học tìm cách quay về quá khứ để nỗ lực giải mã khởi nguyên của sự sống và con người. Quá trình ấy đã đưa họ chạm đến những góc xa nhất của hành tinh, mang đến cho họ bức tranh gần như toàn cảnh của sự sống Trái Đất thuở sơ khai cách đây hàng trăm triệu năm.
BBC/Earth sẽ kể câu chuyện về hành trình giải mã sự sống thuở sơ khai trên Trái Đất của giới khoa học, mời độc giả hình dung.
Sự sống đã xuất hiện từ rất lâu. Điều này, nhà khoa học nào cũng biết. Khủng long có lẽ là sinh vật tuyệt chủng nổi tiếng nhất đối với nhiều người trong chúng ta. Chúng xuất hiện trên Trái Đất cách đây 250 triệu năm. Nhưng sự sống còn đến sớm hơn khủng long rất nhiều.
Không lâu sau khi Trái Đất hình thành (cách đây 4,5 tỷ năm), sự sống đã tồn tại trên hành tinh chúng ta. Bằng chứng hóa thạch vi khuẩn lam ở Greenland được xem là lâu đời nhất có niên đại 3,7 tỷ năm đã nói lên điều đó.
Nhưng mặc dù biết khoảng thời gian sự sống xuất hiện lần đầu tiên trên Trái Đất nhưng giới khoa học vẫn chưa thể trả lời được câu hỏi: Sự sống xuất hiện như thế nào?
Câu trả lời cho câu hỏi này không chỉ lấp đầy một trong những lỗ hổng lớn nhất trong sự hiểu biết về tự nhiên của các nhà khoa học, mà còn có ý nghĩa quan trọng đối với khả năng tìm thấy sự sống ở nơi khác trong vũ trụ.
Nếu gói gọn toàn bộ lịch sử Trái Đất 4,5 tỷ năm là một chiếc đồng hồ 24 giờ, thì con người ở đâu? - Vài giây trước khi nửa đêm (người hiện đại chúng ta xuất hiện lúc 23 giờ 59 phút 56 giây).
Nguồn: The Science Magpie
Các tế bào được phát hiện lần đầu tiên vào thế kỷ 17 (do nhà khoa học người Anh Robert Hooke phát hiện năm 1665), khi kính hiển vi hiện đại đầu tiên được phát minh, nhưng phải mất gần 2 thế kỷ sau, con người mới nhận ra rằng chúng là nền tảng của mọi sự sống.
Thế kỷ 19, cụ thể vào năm 1839, nhà thực vật học người Đức Matthias Jakob Schleiden và nhà tế bào học người Đức Theodor Schwann cùng phát biểu: Tế bào là đơn vị cơ bản tạo nên cấu trúc và chức năng của các cơ quan, tổ chức sinh vật sống.
Bạn cho rằng mình và cá trê hay khủng long bạo chúa T-rex chẳng có lấy một điểm nào giống nhau? Kính hiển vi sẽ khiến bạn phải nghĩ lại, bởi tiến sâu vào thế giới siêu vi đó, con người hay sinh vật sống đều được tạo ra từ các loại tế bào khá giống nhau.
Thế kỷ 19 chứng kiến bước đột phá sinh học lớn mang tên Thuyết tiến hóa do nhà tự nhiên học người Anh Charles Darwin (1809-1882) và những người khác xây dựng. Thuyết tiến hóa gỡ bỏ những quan niệm cũ về các vị thần, đấng sáng tạo hình thành sự sống và con người. Lý thuyết của Darwin, được nêu trong cuốn Nguồn gốc các loài vào năm 1859, đã giải thích sự đa dạng to lớn của sự sống có thể phát sinh từ một tổ tiên chung duy nhất. Tuy nhiên, Thuyết tiến hóa không nói gì về việc sinh vật đầu tiên đó ra đời như thế nào.
Bước sang thế kỷ 20, nhà hóa sinh học người Liên Xô Alexander Oparin (1894-1980) đã xuất bản cuốn sách "Nguồn gốc sự sống trên Trái Đất" (1924). Ông lập luận, Trái Đất ban đầu rất nóng. Sau một thời gian, Trái Đất đủ nguội để hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và cơn mưa đầu tiên rơi xuống. Nhờ đó, các hợp chất hữu cơ đơn giản đầu tiên trên Trái Đất xuất hiện nhờ sự tổng hợp hóa học từ các chất vô cơ với các nguồn năng lượng là sấm sét, tia tử ngoại, núi lửa... Từ đó hình thành nên các tế bào nguyên thuỷ. Alexander Oparin cho rằng, các giọt tụ Coacervate (hợp chất hữu cơ hòa tan trong nước) - một dạng sống nguyên thủy - là tổ tiên của các tế bào hiện đại.
5 năm sau, vào năm 1929, nhà sinh vật học người Anh gốc Ấn Độ J.B.S Haldane (1892-1964) cũng có nghiên cứu độc lập tương tự Alexander Oparin. J.B.S Haldane đã phác thảo cách các hóa chất hữu cơ có thể tích tụ trong nước, tạo tiền đề cho "những sinh vật sống hoặc nửa sống đầu tiên" hình thành.
Năm 1953, Thí nghiệm Urey–Miller nổi tiếng do nhà hóa học Mỹ gốc Do Thái Stanley Miller và người thầy của ông, nhà vật lý hóa học người Mỹ Harold Urey, thực hiện đã kiểm tra nguồn gốc sự sống bằng mô phỏng hoàn cảnh Trái Đất thuở sơ khai (như có núi lửa). Sau thí nghiệm, họ đưa ra một giả thuyết cho rằng axít amin có trong đại dương thuở sơ khai. Cho đến nay, axit amin thường được mô tả là các khối xây dựng của sự sống. Chúng được sử dụng để tạo thành các protein kiểm soát hầu hết các quá trình sinh hóa trong cơ thể chúng ta. Hai nhà khoa học đã góp phần khởi nguồn cho nhiều nghiên cứu sâu hơn về nguồn gốc sự sống về sau.
Theo sau Thí nghiệm Urey–Miller, các nhà khoa học khác bắt đầu tìm cách tạo ra các phân tử sinh học đơn giản từ đầu. Nhưng họ lại nhận ra, các tế bào sống hóa ra không chỉ là những túi hóa chất: Chúng là những cỗ máy nhỏ siêu phức tạp.
Thập kỷ 1950, các nhà khoa học đã bỏ xa giả định từ lâu rằng "cuộc sống là một món quà từ các vị thần". Thay vào đó, họ bắt đầu khám phá khả năng cuộc sống hình thành một cách tự nhiên trên Trái Đất sơ khai dựa trên Thí nghiệm Urey–Miller.
Trong khi Stanley Miller cố gắng tạo ra sự sống khởi nguyên thì các nhà khoa học khác lại tìm cách khám phá gen được tạo ra từ thứ gì. Vào thời điểm đó, nhiều phân tử sinh học đã được biết đến. Chúng bao gồm đường, chất béo, protein - và axit nucleic như axit deoxyribonucleic (ADN) và axit ribonucleic (ARN).
Giai đoạn này xuất hiện giả thuyết "Thế giới ARN - ARN World", cho rằng, khi Trái Đất còn sơ khai, ARN là phân tử mấu chốt cho sự sống nguyên thủy. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy ARN có thể tự sao chép và thực hiện các chức năng khác cần thiết để giữ cho một tế bào nguyên thủy tồn tại (ARN không chỉ mã hóa thông tin di truyền mà còn hoạt động như một protein).
Ngày nay, nhiều nhà khoa học cho rằng bầu khí quyển ban đầu bị chi phối bởi các loại khí khác, chẳng hạn như carbon dioxide (CO2). Nhưng các thí nghiệm trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng trong những điều kiện này, nhiều khối xây dựng sự sống có thể được hình thành.
Ngoài ra, một số nhà khoa học tin rằng sao chổi và thiên thạch có thể đã chuyển các hợp chất hữu cơ từ không gian.
Các nhà khoa học đang thử nghiệm trong đó các tế bào dựa trên ARN có thể có khả năng sinh sản và tiến hóa. NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã phóng các tàu thăm dò khám phá sao chổi, thu hẹp các thành phần có thể đã đến Trái Đất cổ xưa từ không gian.
Thú vị nhất trong tất cả là khả năng tìm thấy dấu hiệu sự sống trên sao Hỏa. Các sứ mệnh gần đây trên sao Hỏa đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng những vùng nước lỏng nông cạn từng tồn tại trên Hành tinh Đỏ, cho thấy sao Hỏa có thể đã từng là hành tinh có sự sống tồn tại.
Nếu đúng như vậy, phát hiện này có 2 ý nghĩa: Một là sự sống nảy sinh độc lập trên cả hai hành tinh (giúp gợi ý cho các nhà khoa học rằng sự sống phổ biến trong vũ trụ) - Hai là sự sống phát sinh trên một hành tinh và lan sang hành tinh kia.
Sự sống tồn tại trên hành tinh là một hành trình kỳ diệu. Ảnh: Internet
Bắt đầu từ những năm 1980, nhiều nhà khoa học lập luận rằng sự sống bắt đầu từ những vùng nước giàu khoáng chất, chảy ra từ các lỗ thông thủy nhiệt dưới biển sâu. Bằng chứng nghiên cứu về "cây sự sống" cho thấy các loài vi khuẩn nguyên thủy nhất còn sống hiện nay phát triển mạnh trong nước nóng.
Không những thế, xung quanh các lỗ thông thủy nhiệt dưới biển ngày nay tồn tại khá nhiều cư dân như vi khuẩn, trai lớn, ốc đá, sò, giun ống... Tất cả những sinh vật này sống bằng năng lượng từ các lỗ thông thủy nhiệt.
Tuy nhiên giả thuyết này bắt đầu "nguội đi" khi các nghiên cứu gần đây cho thấy các vi khuẩn ưa nhiệt không phải là hóa thạch sống cổ xưa. Một số người hoài nghi cũng tự hỏi làm thế nào các phân tử ARN tinh vi có thể sống sót trong nước sôi.
Đến thế kỷ 21. Thế giới xuất đủ 3 giả thuyết về cách sự sống hình thành: Đầu tiên là "Thế giới ARN", thứ hai là lỗ thông thủy nhiệt dưới biển, và thứ ba là Tế bào.
Cụ thể, theo các nhà khoa học mọi sinh vật trên Trái Đất đều được tạo ra từ các tế bào (đã nêu ở Chương 1). Một tế bào có thể giữ tất cả các yếu tố cần thiết hình thành nên sự sống. Thách thức (thứ 1) hiện nay là làm cho điều này xảy ra trong phòng thí nghiệm: Tạo ra một tế bào sống đơn giản tương tự tế bào đầu tiên trên Trái Đất.
Năm 2009, những người ủng hộ giả thuyết "Thế giới ARN" vấp phải một vấn đề lớn (thách thức thứ 2). Họ không thể tạo ra nucleotide - đơn vị cấu trúc của ARN, theo cách có thể đã xảy ra trên Trái Đất thuở sơ khai. Điều này khiến mọi người nghi ngờ rằng cuộc sống đầu tiên hoàn toàn không dựa trên ARN.
Thứ nữa, các sinh vật đầu tiên phải có một số hình thức trao đổi chất. Ngay từ khi bắt đầu, sự sống muốn tồn tại phải có năng lượng, nếu không nó sẽ chết. "Nguồn gốc của sự trao đổi chất nguyên thủy phải xảy ra bằng cách nào đó. Nguồn năng lượng hóa học sẽ là câu hỏi lớn để chúng ta giải mã sự sống hình thành như thế nào" - các nhà khoa học đồng ý (thách thức thứ 3).
Các vấn đề liên tiếp vấp phải trong phòng thí nghiệm khiến giới khoa học giả định rằng: Trên Trái Đất sơ khai, phải có hàng chục hoặc hàng trăm hóa chất trôi nổi cùng nhau. Hỗn hợp này vừa đủ phức tạp để tất cả các thành phần của sự sống có thể hình thành cùng một lúc, sau đó kết hợp lại với nhau.
Nói cách khác, 4 tỷ năm trước có một cái ao trên Trái Đất. Theo thời gian, cái ao xuất hiện các hỗn hợp hóa chất vừa phải, giúp tế bào đầu tiên ra đời. Điều này nghe có vẻ không hợp lý, giống như tuyên bố của các nhà giả kim thuật thời Trung Cổ. Nhưng các nhà khoa học đang tiếp tục thí nghiệm để chứng minh nhận định này...
Tiểu kết
Đã 181 năm kể từ ngày hai nhà khoa học Đức Matthias Jakob Schleiden và Theodor Schwann phát hiện tế bào là đơn vị cơ bản tạo nên cấu trúc và chức năng của các cơ quan, tổ chức sinh vật sống năm 1839, đến nay, câu hỏi "Sự sống trên hành tinh hình thành như thế nào?" vẫn đang được các nhà khoa học ngày đêm tìm kiếm đáp án.
Con người càng hiện đại thì càng muốn tìm hiểu cội nguồn hình thành nên chính mình để hy vọng tạo bước đệm trả lời cho câu hỏi tiếp theo "Loài người có cô đơn trong vũ trụ?".
Đến nay, chúng ta không thể biết chắc chắn những gì đã xảy ra hơn 4 tỷ năm trước. Điều tốt nhất chúng ta có thể làm là vẽ ra một bức tranh phù hợp với tất cả các bằng chứng chúng ta thu được cùng với các thí nghiệm trong hóa học, với những gì chúng ta biết về Trái Đất sơ khai, và với những gì sinh học tiết lộ về các dạng sống lâu đời nhất.
Bài viết sử dụng các nguồn: BBC/Earth, Science Magazine, Livescience
* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây.