Sự sống trên Trái đất có thể đã xuất hiện hai lần: Nghiên cứu mới đầy táo bạo viết lại câu chuyện nguồn gốc

Tác giả cao cấp, ông William Martin, đã tóm tắt phát hiện này một cách ngắn gọn: "Chúng ta đang nhìn thấy một nguồn gốc của mã di truyền, nhưng hai nguồn gốc của sự sống" .

LUCA Không Hoàn Toàn Là Một 'Sinh Vật'

Những mô tả truyền thống về LUCA thường vẽ nó như một sinh vật duy nhất ở gốc của một cây sự sống. Nghiên cứu mới vẽ ra một bức tranh phức tạp hơn nhiều. Nhóm nghiên cứu đã so sánh bộ gen của tất cả các nhóm vi khuẩn và vi khuẩn cổ chính, truy tìm nguồn gốc của các enzyme cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất cốt lõi – tập hợp các phản ứng hóa học cần thiết để xây dựng các axit amin, bazơ RNA và các đồng yếu tố từ các phân tử đơn giản như hydro, CO₂, amoniac và phosphate .

Họ phát hiện ra rằng LUCA chỉ sở hữu enzyme cho khoảng một nửa trong số khoảng 420 phản ứng trao đổi chất cốt lõi. Một nửa còn lại không được xúc tác bởi enzyme mà bởi các kim loại có sẵn trong môi trường miệng phun thủy nhiệt, chẳng hạn như sắt, niken và coban . Điều này có nghĩa là LUCA không thể duy trì quá trình trao đổi chất của chính mình nếu không có sự trợ giúp từ bên ngoài – nó không phải là một tế bào sống tự chủ.

"Điều ngạc nhiên là các enzyme xúc tác cho các phản ứng đó không được bảo tồn giữa ranh giới tiến hóa ngăn cách vi khuẩn và vi khuẩn cổ," ông Martin nói với tạp chí Scientific American .

Bốn Giai Đoạn Của Quá Trình Xúc Tác Sơ Khai

Các nhà nghiên cứu đã tái tạo lại một quá trình tiến hóa xúc tác gồm bốn giai đoạn, bắc cầu từ hóa học vô tri đến tế bào hiện đại :

1. Phản ứng chỉ có kim loại: Trong giai đoạn đầu tiên, các kim loại vô cơ thuần túy xúc tác các phản ứng trao đổi chất đơn giản.
2. Pha lai ghép kim loại-enzyme (LUCA): LUCA xuất hiện, sở hữu một số enzyme nguyên thủy nhưng vẫn phụ thuộc vào kim loại môi trường cho nhiều phản ứng thiết yếu.
3. Phân kỳ: Tổ tiên của vi khuẩn và vi khuẩn cổ bắt đầu tách ra, mỗi nhánh thừa hưởng bộ công cụ enzyme một phần của LUCA.
4. Tiến hóa enzyme độc lập: Vi khuẩn và vi khuẩn cổ tiến hóa độc lập các enzyme mới, có cấu trúc khác biệt để thay thế các chất xúc tác kim loại còn thiếu — mỗi nhánh giải quyết cùng một vấn đề trao đổi chất theo những cách khác nhau.

Sự tiến hóa độc lập của enzyme này là bằng chứng quan trọng cho thấy vi khuẩn và vi khuẩn cổ đã thực hiện quá trình chuyển đổi sang các tế bào sống tự do, tự chủ một cách riêng rẽ, sau khi con đường tiến hóa của chúng đã khác nhau .

Năng Lượng Cho Sự Sống Sơ Khai Trước Khi Có ATP

Các tế bào hiện đại sử dụng adenosine triphosphate (ATP) làm đồng tiền năng lượng phổ quát. Nhưng ATP là một phân tử phức tạp được tạo ra bởi enzyme – nó không có sẵn trên Trái đất sơ khai trước khi sự sống tồn tại. Vậy điều gì đã cung cấp năng lượng cho các phản ứng trao đổi chất đầu tiên?

Nghiên cứu đã xác định một ứng cử viên đầy bất ngờ: phosphite, một dạng phốt pho được tìm thấy trong các miệng phun thủy nhiệt. Khi phosphite phản ứng với các hợp chất hữu cơ, được xúc tác bởi kim loại palladium có sẵn trong tự nhiên, nó có thể thúc đẩy các phản ứng phosphoryl hóa trao đổi chất trong nước. Hệ thống này có thể đã cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất sơ khai trước khi enzyme và ATP tồn tại, cung cấp một con đường hóa học khả thi từ địa hóa học đến sinh hóa học .

Định Hình Lại Cây Sự Sống

Cây sự sống truyền thống đặt LUCA ở gốc của một thân cây duy nhất, từ đó tất cả sự sống phân nhánh. Những phát hiện mới cho thấy một bức tranh hoàn toàn khác :

• Một nguồn gốc của mã di truyền. Tất cả sự sống chia sẻ một di sản di truyền duy nhất từ LUCA — cùng một bộ máy DNA, RNA và xây dựng protein cơ bản.
• Hai nguồn gốc của sự sống tự do. Quá trình chuyển đổi từ hóa học vô tri thành các tế bào tự chủ, tự duy trì đã xảy ra hai lần, một cách độc lập, trong các nhánh vi khuẩn và vi khuẩn cổ.

Điều này có nghĩa là "cây" sự sống có thể giống một bụi cây hơn, với hai thân cây riêng biệt mọc lên từ một nền móng chung vô tri. Các tác giả của nghiên cứu tuyên bố thẳng thắn: "Dữ liệu mới chỉ để lại một kết luận duy nhất: các dòng vi khuẩn và vi khuẩn cổ đã chuyển đổi độc lập sang trạng thái sống tự do. Chỉ có tế bào sống tự do mới thực sự sống. Hãy gọi sự vật bằng đúng tên của nó: chúng ta đang nhìn thấy một nguồn gốc của mã di truyền, nhưng hai nguồn gốc của sự sống" .

Điều Này Có Ý Nghĩa Gì Cho Việc Tìm Kiếm Sự Sống Ở Nơi Khác?

Nếu sự sống có thể xuất hiện nhiều hơn một lần trên Trái đất, điều này đặt ra những câu hỏi sâu sắc cho ngành sinh học vũ trụ (astrobiology). Những phát hiện này cho thấy bước nhảy vọt từ hóa học vô tri lên tế bào sống có thể là một bước dễ tiếp cận hơn so với suy nghĩ trước đây — hoặc ngược lại, nó có thể đòi hỏi những điều kiện môi trường rất cụ thể, chẳng hạn như hóa học giàu kim loại độc đáo của các miệng phun thủy nhiệt .

Những Lưu Ý Và Câu Hỏi Còn Bỏ Ngỏ

Mặc dù nghiên cứu rất nổi bật, vẫn còn một số hạn chế. Phân tích phụ thuộc nhiều vào dữ liệu bộ gen từ vi khuẩn; bộ gen của vi khuẩn cổ được lấy mẫu ít toàn diện hơn, điều này có thể ảnh hưởng đến kết luận. Ngoài ra, vai trò của phosphite và palladium trong quá trình trao đổi chất sơ khai hiện vẫn là một mô hình hóa học khả thi, chứ chưa phải là một con đường cổ xưa đã được chứng minh . Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm chứng minh sự chuyển đổi hoàn toàn từ phản ứng xúc tác kim loại sang quá trình trao đổi chất do enzyme điều khiển trong một hệ thống tổng hợp vẫn chưa được thực hiện.

Tuy nhiên, nghiên cứu này cung cấp một trong những bản tái tạo chi tiết nhất từ trước đến nay về cách mạng lưới trao đổi chất sơ khai nhất của sự sống được hình thành — và nó cho thấy nguồn gốc của sự sống có thể đã hỗn loạn, ngẫu nhiên và đáng kinh ngạc hơn bất kỳ ai từng nghĩ.