MÔI TRƯỜNG CỔ ĐẠI CỦA ĐỊA CẦU
          Địa cầu được thành lập từ một khối thiên-vân của mặt trời cách      đây khoảng 4,6 tỷ năm. 
                      Ở thời đại Archaean   (từ 3,8 tỷ đến 2,5 tỷ      năm) tiếp sau đó, địa cầu nguội dần, nhưng  hỏa-diệm-sơn hoạt      động mạnh. Khí quyễn lúc này gồm hơi nước, carbon  dioxide,      nitrogen, methane (CH4), ammonia (NH3), và      ít khí khác, nhưng chưa có oxy (O2) và ozone (O3).       Vì không có lớp ozone, địa cầu tràn ngập tia-tử-ngoại (Ultra       violet, UV). Sự-sống (life) nguyên thủy có lẽ bắt đầu tạo thành       trong thời đại này.
          SỰ-SỐNG LÀM SAO XUẤT HIỆN VÀ KHI NÀO?
           Sự-sống (life) được định nghĩa là một hệ thống sinh học trong đó       các proteins và nucleic acids được liên hợp tạo thành một cấu       tạo có khã năng tăng trưởng (growth) và sinh sản       (reproduction, replicate). Ngoài ra, để sinh-tồn (survival) qua       thời gian và biến đổi của môi trường, cấu tạo sinh học đó phải      có  khã năng tiến hóa (evolution) để thích ứng      (adaptation) môi trường mới.
                       Chất hóa học căn bản cấu tạo chất hửu cơ của tế bào,       như các chất đường, chất béo, amino acids, proteins là Carbon       (C), Hydrogen (H), Oxygen (O), và Nitrogen (N). Chất hữu-cơ căn      bản  của sự-sống là phân tử amino acids, phần cấu tạo của RNA và      DNA để  tế bào sinh sản, truyền giống. Như vậy, trước khi có      sự-sống, chất  amino acids được tạo thành trước.
                       May mắn là quả Địa cầu chúng ta hội đủ các điều kiện       để có sự-sống mà nhiều hành tinh khác không có. Quả địa cầu có     nước, không khí chứa oxy, dioxide carbon      (CO2)  cùng nhiều khí hiếm khác, và rất giàu nguồn C,      cung cấp các vật  liệu cần thiết cấu tạo sự-sống. Ngoài ra, quan      trọng nhất, trái đất  có nhiệt độ thích hợp cho mọi sinh vật sinh      sống và nẫy nỡ. Sao  Hôm (còn gọi Sao Mai, Venus) ở gần Mặt Trời,      không hội đủ điều kiện  yểm trợ sự-sống và có nhiệt độ quá nóng,      460°C. Hỏa tinh (Mars) ở  quá xa Mặt Trời, quá lạnh lẻo, tuy      nhiên những thăm dò mới đây cho  biết có thể có sự-sống.
                           Có 2 gỉa thuyết về nguồn gốc sự-sống trên địa cầu:
SỰ-SỐNG BẮT NGUỒN TỪ VŨ TRỤ                Giả thuyết này cho rằng sự-sống bắt nguồn từ không gian ngoài       địa cầu, từ một hành-tinh khác hay thiên-hà khác, xâm nhập vào      địa  cầu qua các thiên-thạch, bụi vũ trụ, sao chổi, v.v. Nhiệt độ      không  gian rất thấp, càng lên cao càng thấp, -50°C ở tầm bay cao      độ 10  km. Các sinh vật đơn-bào có thể sống vĩnh viễn ở nhiệt độ      Nitrogen  lỏng (-190 °C). 
           Thuyết này được củng cố sau khi NASA năm 2009 tuyên bố đã tìm       được chất hữu cơ Glycine, một amino acid, từ bụi của Sao Chổi      Comet  Wild-2 xuất hiện năm 2004. Mẫu bụi này được phân tích năm      2006 và  cho thấy sự hiện diện của Glycine. Như vậy, sự-sống cũng      hiện diện  ngoài vũ trụ, không riêng gì ở địa cầu.
                       Ngoài ra, năm 2010, qua phương pháp phân tích quang       phổ, các khoa học gia còn khám phá ra phân tử hữu cơ PAH       (polycyclic aromatic hydrocarbons) hiện diện ở sao chổi, thiên       thạch, thiên vân, và trên thiên hà M81, cách địa cầu 12 triệu       năm-ánh-sáng. Phân tử PAH khá phức tạp, là chất tiền căn       (precursor) cấu tạo RNA.
           SỰ-SỐNG ĐƯỢC TỔNG HỢP TỪ NƯỚC-SÚP NGUYÊN-THỦY      (Primordial soup)
                       Chất căn bản của sự-sống là phân tử amino acids,       thành phần cấu tạo RNA (Ribonucleic acid) và DNA      (Deoxyribonucleic  acid) để tế bào sinh sản, truyền giống.      
                      Amino acids là những phân tử chứa một nhóm amine (NH2),       một nhóm carboxylic acid (COOH) và một chuỗi khác nhau giữa các       amino acids, đễ phân biệt amino acid này với amino acid khác.       Bốn chất căn bản cấu tạo amino acid là C, H, O, N.
          RNA là một  chuỗi dài chứa nucleotides. Nucleotides là các      phân tử khi nối  liền với nhau tạo thành các đơn vị kiến trúc của      RNA và DNA.  Nucleotides giữ vai trò quan trọng trong biến-dưỡng      (metabolism),  vì là nguồn cung cấp năng lượng hóa học (Adenosine      triphosphate –  ATP; guanosine triphosphate – GTP), phát tín      hiệu, góp phần vào các  phản ứng xúc-tác (Catalyse) của enzymes.      RNA giữ nhiệm vụ quan  trọng trong tế bào bằng cách xúc-tác các      phản ứng sinh học, kiểm  soát tín hiệu của gene và truyền tín      hiệu. Nhiệm vụ quan trọng nhất  của RNA là tổng hợp proteins:      mRNA (messenger RNA) mang truyền tín  hiệu tổng hợp proteins này      đến ribosomes, tRNA (transfer RNA) giao  các amino acids cho      ribosomes, và rRNA (ribosomal RNA) kết hợp tất  cả amino acids      lại để tổng hợp. Ribosome là nơi sản xuất amino  acids và      proteins trong tế bào.
                       DNA là nucleic acid chứa các đặc tính di truyền.       Gene, nơi chứa đặc tính di truyền, là một đoạn nhỏ trên DNA.      DNA  gồm 2 chuỗi dài polymers gồm      các đơn vị giản dị gọi là  nucleotides. Hai chuỗi chạy hướng đối      nghịch nhau theo đường xoắn  ốc.
          RNA (gồm 1 chuổi)        DNA (gồm 2 chuổi)
          Theo giả thuyết thứ hai này thì:
          1. Trái đất thời nguyên thủy có một khí-quyễn-khữ (reducing      atmosphere) gồm khí nitrogen (N2), hydrogen (H2),       methane (CH4), ammonia (NH3), nước (H2O),      hydrogen sulfide (H2S), carbon dioxide (CO2)      hay carbon monoxide (CO), và phosphate (PO43-), nhưng không có,      hay rất hiếm, oxygen (O2) và ozone (O3).
           2. Khi khối không-khí-khữ này giao tiếp với năng lượng, như tia       lữa điện của sấm chớp, nhiệt của hỏa-diệm-sơn, hay tia UV, sẽ      cho  ra một số chất hửu cơ giản dị - hợp-chất-đơn (monomers), như      đường  glucose (C6H12O6) hay      amino acids.
          3. Các hợp-chất-đơn hửu cơ này tích tụ chung với nhau như “nước      canh - soup”.
          4. Các phân tữ hợp-chất-đơn kết hợp với nhau thành đa-hợp-chất      hửu cơ (polymers), và cuối cùng cấu tạo sự-sống. 
           5. Kết hợp các phospholipids với nhau tạo thành chất lipid có 2       lớp (lipid bilayers), là thành phần cấu tạo màng tế bào.
           Năm 1953, Stanley L. Miller và Harold C. Urey (Đại học Chicago       và Đại Học California ở San Diego) làm một thí nghiệm nỗi danh:       Trong ống nghiệm gồm các khí methane (CH4), ammonia      (NH3), hydrogen (H2) và hơi nước (H2O),       nhưng không có Oxy. Khi cho một tia lữa điện, bắt chước sấm sét       trong thiên nhiên, vài ngày sau phân tích thấy xuất hiện các       amino acids, chất căn bản tạo proteins của sự-sống. Về sau,                nhóm Stanley Miller cũng cho biết tỗng hợp adenine và guanine       cần điều kiện băng giá, nhưng tổng hợp cytosine và uracil cần      điều  kiện nóng của nước sôi. Nhóm nghiên cứu này thành công tỗng      hợp  được 7 amino acids và 11 nucleobases trong nước đá khi      ammonia và  cyanide được để trong máy làm đông nước đá (freezer)      từ 1972 đến  1997.
                       Kế tiếp là thí nghiệm của Joan Oró I Florensa (NASA,       1959-1962) cho biết tổng hợp được chất nucleobase adenine, thành       phần cấu tạo của nucleic acids trong phân tử ATP và GTP, bằng      cách  đun nóng dung dịch ammonium cyanide.
                       Để chứng minh rằng trong điều kiện băng giá cũng có       thể tổng hợp được s-triazines, pyrimidines (gồm cytosine và       uracil), và adenine từ dung dịch urea khi cho dung dịch này qua       nhiều chu kỳ kết-đông-nước-đá rồi cho tan (freeze-thaw cycles)        trong điều kiện không-khí-khữ với tia lữa điện.
                       Trong thập niên 1950s và 1960s, thí nghiệm của       Sidney W Fox  cho thấy chất peptide được cấu tạo ngẫu nhiên      trong  điều kiện môi trường tương tự của thời Hadean và Archean      cách đây  trên 2,5 tỷ năm. Ông chứng minh các amino acids kết hợp      ngẫu nhiên  và tạo thành peptides. Các amino acids và peptides      này kết hợp lại  thành một màng hình cầu, tương tự màng tế bào      (cell membrane) của  sinh vật ngày nay.
                       Năm 2001, Jason Dworkin cho dung dịch đông lạnh gồm       nước, methanol, ammonia và carbon monoxide với tia tử ngoại UV.       Phản ứng cho ra một số lượng đáng kể chất hửu cơ, các chất này      kết  hợp lại thành bong bóng hay có hình sợi ở trong nước. Ông      cho rằng  các màng bong bóng này giống màng tế bào chứa các chất      căn bản của  sự-sống. Các bong-bóng có kích thước từ 10 đến 40 µ,      bằng kích  thước của hồng-huyết-cầu. Đặc biết là các bong bóng      này phát quang  (fluorescence) khi tiếp xúc với UV. Ông cho rằng      các bong bóng phát  quang này chính là mẫu mực quang-tỗng-hợp ở      thời cổ đại.
                       Năm 2004, mhóm Leslie Orgel, thành công tỗng hợp       chất Purine trong môi trường băng giá từ hydrogen cyanide.
                       Tất cả các thí nghiệm trên đều xử dụng tia lữa điện       là nguồn năng lượng, bắt chứơc sấm sét hay tia hồng-tử-ngoại.       Ngược lại, Gunster Wächtershäuser, trong thập niên 1980s, xữ      dụng  năng lượng hóa học từ sulphides sắt, như Pyrite. Năng lượng      này  không những tổng hợp được các phân tử hửu cơ mà còn tạo được      các  oligomers và polymers.  Thí nghiệm sản xuất được dipeptides      (0.4  đến 12.4%) và một ít tripeptides (0.1%).
                      Mới đây khám phá vi khuẫn Methanosarcina      acetivorans  ở dưới đáy  biển. Vi khuẩn thời cỗ đại này hấp      thụ carbon monoxide  và nhã ra methane và acetate. James Ferry và      Christopher House của  Đại học Penn State University khám phá      thêm rằng vi khuẫn này lấy  năng lượng từ phản ứng giữa acetate      và sulphide sắt chỉ nhờ 2 amino  acids đơn giản, khác với sư cần      tới trên 10 amino acids như hiện  nay.
                       Christof Biebricher, năm 2008, thành công trong việc       tạo một RNA mới chứa 400 bases từ một mẩu RNA thiên nhiên trong       điều kiện băng giá. Mẩu RNA mới này tăng trưởng bao quanh RNA      thiên  nhiên.
                       Nhóm nghiên cứu Đại Học Harvard, năm 2008, cho biết       đang nghiên cứu việc tạo tế bào nhân tạo. Nhóm nghiên cứu này      cho  trộn vài acit béo (fatty acids) với DNA (thiên nhiên) trong      một  ống nghiệm, kết quả cho thấy thành lập một khối DNA mới chứa      nhiều  thông-tin-di-truyền. Nếu thêm vào đó nucleotides (thiên      nhiên) thì  nucleotides chạy vào và DNA tự chia đôi (replicate)      trong vòng một  ngày. Tuy nhiên, thí nghiệm tạo DNA mới phải dựa      vào DNA và  nucleotides thiên nhiên trích từ nhiểm thể.
           Cho tới nay, chưa có khoa học gia nào tạo được tế bào nhân tạo,       ngay cả RNA hay DNA nhân tạo. Năm 2009, Sutherland và nhóm      nghiên  cứu thuộc Đại Học Manchester (Anh quốc) đã thành công      tổng hợp  được 2 khối cấu tạo RNA trong số 4 khối căn bản của      RNA, và nhóm  ông tin tưởng rằng sẽ thành công tổng hợp được RNA      nhân tạo từ các  dung dịch hóa học. Một khi tổng hợp được RNA      nhân tạo thì không khó  lắm trong việc tổng hợp DNA nhân tạo, và      dựa theo nghiên cứu của  nhóm Harvard, tổng hợp thành tế bào nhân      tạo sẽ trong tầm tay.
                       Một cách tổng quát, các giả thuyết cho rằng chính       nhờ năng lượng của hỏa-diệm-sơn, sấm sét, tia tử ngoại tỗng hợp      các  khí thời nguyên thủy thành các chất hửu cơ đơn giản      (monomers) như  amino acids, nucleobases, rồi các chất đơn giản      này tổng hợp thành  các chất phức tạp hơn (polymers). Chất sét      giàu sắt (iron-rch  clays) là nơi các phân tử hửu cơ phức tạp tập      trung và cô động đậm  đặc, trở nên có khả năng sinh sôi nẫy nở      bằng cách tách đôi  (replicate).  Khối sét này hấp thụ carbon      dioxide biến thành oxalic  và các dicarboxylic acids khác. Trong      các suối nước nóng giàu chất  sulphides, khối mang chất sống này      có khả năng định khí Nitrogen.  Phosphate cũng được hấp thụ và      tạo thành nucleotides và  phospholipids. Đó là giả thuyết giải      thích tiến trình tiến tới  thành lập tế bào của sinh vật đơn-bào.      Sinh vật đầu tiên sống  dị-dưởng (heterotroph), tự-dưởng      (autotrophic) hay cộng-sinh  (symbiosis). Sinh vật ký sinh      (parasites) xuất hiện về sau.
           Trong các giả thuyết về “Nước soup Nguyên Thủy - primordial       soup” thì sự-sống bắt nguồn đầu tiên trong nước, như đại dương,       biển, bờ biển, các hồ nước, hay trên mặt đất nơi nào có nước.Tuy       nhiên, Gold, trong thập niên 1970s,  đưa giả thuyết sự-sống có      thể  bắt đầu trong môi trường nóng của vỏ trái đất, không trên      mặt đất  mà ở độ sâu vài km dưới mặt đất. Ở cuối thập niên 1990s,      người ta  khám phá một số vi sinh vật nhỏ hơn vi trùng có cấu tạo      DNA trong  lớp đá sâu trong lòng đất. Ngày nay, NASA cũng khám      phá thêm thấy  rằng dấu vết vi-khuẩn hóa thạch thời nguyên thủy      archaea có rất  nhiều trong lòng đất, không những của quả địa cầu      mà còn thấy ở  nhiều hành tinh khác.
           SINH VẬT NÀO XUẤT HIỆN  ĐẦU TIÊN VÀ KHI NÀO?
Reading, 6/2011
               Trần-Đăng Hồng, PhD
Chưa  bao giờ giới khoa học cảm thấy họ đang chạm gần đến đích của cuộc    trường chinh truy tìm nguồn gốc của sự sống trên Trái đất như lúc này.    Charles Darwin đã làm được điều kỳ diệu là giải thích được sự đa dạng    sinh học bằng thuyết chọn lọc tự nhiên, nhưng ngay cả thiên tài người    Anh cũng không tìm ra câu trả lời cho sự xuất hiện của sự sống trên  hành   tinh xanh. Sau nhiều năm loay hoay tìm kiếm mà không có kết quả,  các   chuyên gia đặt câu hỏi rằng phải chăng sự sống trên Trái đất bắt  nguồn   từ vũ trụ, và loài người hiện tại đến từ các hành tinh xa xôi?  Trước sự   ngạc nhiên của các chuyên gia, ngày càng có nhiều chứng cứ  ủng hộ giả   thuyết trên. Cuộc nghiên cứu mới nhất, vốn tập trung vào  một loại thiên   thạch rơi tại Nam Cực, cũng cho thấy nguồn gốc của sự  sống có thể là  một  nơi nào đó trong không gian.  Kết quả phân tích  thiên thạch tại Nam Cực đã tiết lộ một bí mật quan trọng. Dưới áp suất  và nhiệt độ cao, những viên đá này đã bị buộc phải thải ra khí amoniac có chứa nitrogen, một nhân tố chủ chốt cho sự nhân đôi của phân tử để từ đó dẫn đến ADN, phân tử đóng vai trò trọng tâm cho mọi loài. "Những thiên thạch đặc biệt này được bảo quản bên trong băng và được phát hiện trong điều kiện như thuở ban đầu", Telegraph dẫn    lời trưởng nhóm nghiên cứu là giáo sư Sandra Pizzarello của Đại học    bang Arizona. Những cuộc thí nghiệm cho thấy, nitrogen trong amoniac    được thải ra từ thiên thạch cấu tạo từ các chất đồng vị bất thường,    chứng tỏ chúng có nguồn gốc từ ngoài Trái đất.
Giáo sư Pizzarello và đồng sự cho rằng, các cơn mưa thiên thạch cách đây khoảng 4 tỉ năm đã cung cấp những nguồn khí amoniac thường xuyên và từ đó nitrogen xuất hiện ngày càng nhiều hơn cho Trái đất. Trước đây, các chuyên gia ước tính sự sống tồn tại ít nhất 3,5 tỉ năm về trước. Tuy nhiên, chẳng ai biết được thời gian trước khi sự sống xuất hiện, ngoại trừ môi trường Trái đất lúc đó hết sức bất lợi cho sự sống. Khi đó, hành tinh xanh bị bao phủ bởi các đợt tia cực tím khủng khiếp từ mặt trời, phá hủy trong tích tắc bất kỳ phân tử sinh học nào. Đó là chưa kể những đợt thiên thạch dội bom cách đây từ 4,5 đến 3,8 tỉ năm. Thế nhưng, giờ đây giới khoa học cho rằng, nhờ những cơn mưa thiên thạch như vậy thì sự sống mới có thể xuất hiện và sinh sôi mạnh mẽ đến ngày nay.
Toàn bộ con người trên trái đất đều là những sinh vật ngoài hành tinh đã đến định cư trên hành tinh xanh cách đây hàng triệu năm. Đó là tuyên bố gây sốc của giáo sư Chandra Wickramasinghe thuộc Đại học Cardiff, chuyên gia hàng đầu của Anh trong lĩnh vực sinh vật học vũ trụ.
Giáo sư Pizzarello và đồng sự cho rằng, các cơn mưa thiên thạch cách đây khoảng 4 tỉ năm đã cung cấp những nguồn khí amoniac thường xuyên và từ đó nitrogen xuất hiện ngày càng nhiều hơn cho Trái đất. Trước đây, các chuyên gia ước tính sự sống tồn tại ít nhất 3,5 tỉ năm về trước. Tuy nhiên, chẳng ai biết được thời gian trước khi sự sống xuất hiện, ngoại trừ môi trường Trái đất lúc đó hết sức bất lợi cho sự sống. Khi đó, hành tinh xanh bị bao phủ bởi các đợt tia cực tím khủng khiếp từ mặt trời, phá hủy trong tích tắc bất kỳ phân tử sinh học nào. Đó là chưa kể những đợt thiên thạch dội bom cách đây từ 4,5 đến 3,8 tỉ năm. Thế nhưng, giờ đây giới khoa học cho rằng, nhờ những cơn mưa thiên thạch như vậy thì sự sống mới có thể xuất hiện và sinh sôi mạnh mẽ đến ngày nay.
Toàn bộ con người trên trái đất đều là những sinh vật ngoài hành tinh đã đến định cư trên hành tinh xanh cách đây hàng triệu năm. Đó là tuyên bố gây sốc của giáo sư Chandra Wickramasinghe thuộc Đại học Cardiff, chuyên gia hàng đầu của Anh trong lĩnh vực sinh vật học vũ trụ.
Theo  báo cáo được đăng trên tuần san Sinh vật học thiên thể quốc tế  của Đại  học Cambridge, những hạt giống đầu tiên của cuộc sống đã được  cấy lên  trên trái đất từ không gian cách đây 3.800 triệu năm. Vị giáo sư này cho rằng các vi sinh vật từ vũ trụ   đã đến trái đất thông qua các sao chổi, và sau đó nhân lên dần dần để   hình thành nên con người. Nhà sinh vật học vũ trụ còn tuyên bố sự sống   đã được chuyển từ hành tinh này sang hành tinh khác trong hàng tỉ năm,   mặc dù ông thừa nhận mô hình nghiên cứu của mình vẫn không giải thích   được cách sự sống đã bắt đầu đâm chồi nảy lộc từ giây phút đầu tiên.
Các  nhà khoa học vừa tìm thấy một hợp chất cơ bản của sự  sống trong bụi  thiên thạch. Đây là bằng chứng mới nhất về khả năng sinh  vật sống tồn  tại bên ngoài trái đất.
| Hình minh họa cảnh tàu Stardust tới gần sao chổi Wild 2 để lấy bụi và khí. Ảnh: NASA. | 
Tàu vũ trụ   Stardust của Mỹ thu được bụi và khí từ sao chổi Wild 2 vào năm 2004.   Sau khi phân tích, các nhà khoa học của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ   (NASA) phát hiện trong bụi và khí có dấu vết của glycine amino axit.   Điều này khiến người ta càng tin vào giả thuyết về sự tồn tại của sự   sống ở một nơi nào đó trong vũ trụ.
“Dấu  vết của glycine trong sao chổi giúp chúng tôi có  thêm bằng chứng về  việc các chất tạo nên sự sống tồn tại trong vũ trụ.  Có lẽ những thiên  thể có sự sống không hiếm như chúng ta tưởng”, Carl  Pilcher, một nhà  sinh học thiên văn của NASA, phát biểu.
Jamie Elsila, trưởng nhóm nghiên cứu, phỏng đoán rằng những hợp chất cơ bản tạo nên con người có thể tới từ vũ trụ.
“Kết quả nghiên cứu của chúng tôi ủng hộ   giả thuyết về việc một số nguyên liệu của sự sống đã hình thành trong   không gian. Sau đó các sao chổi và thiên thạch đã đưa chúng xuống trái   đất”, Elsila nói.
20  loại amino axit được sắp xếp theo nhiều cách khác  nhau để tạo nên hàng  triệu loại protein. Những protein này “sản xuất”  mọi thứ trên cơ thể  sinh vật, từ lông cho tới enzyme.
Elsila cho rằng địa cầu không phải là thiên thể duy nhất có amino axit.
“Chúng tôi nhận thấy glycine trên sao chổi có đồng vị carbon mà chúng ta chưa từng biết. Điều đó chứng tỏ amino axit có nguồn gốc từ sao chổi đó”, Elsila phát biểu.
No comments:
Post a Comment