Các khối xây dựng của sự sống bắt nguồn như thế nào?

Câu hỏi từ lâu đã làm các nhà khoa học bực tức. Trái đất sơ khai rải rác những vũng nước giàu hóa chất—một loại súp nguyên thủy. Tuy nhiên, các phân tử sinh học hỗ trợ sự sống đã xuất hiện từ hỗn hợp, tạo tiền đề cho sự xuất hiện của các tế bào đầu tiên.

Sự sống được bắt đầu khi hai thành phần được hình thành. Một là chất mang phân tử—chẳng hạn như DNA—để truyền và phối hợp các bản thiết kế di truyền. Thành phần còn lại được tạo thành từ protein, ngựa và các yếu tố cấu trúc của cơ thể.

Cả hai phân tử sinh học đều rất phức tạp. Ở người, DNA có bốn “chữ cái” hóa học khác nhau, được gọi là nucleotide, trong khi protein được tạo thành từ 20 loại axit amin. Các thành phần có cấu trúc riêng biệt và việc tạo ra chúng đòi hỏi các thành phần hóa học hơi khác nhau. Các sản phẩm cuối cùng cần phải có số lượng đủ lớn để xâu chuỗi chúng lại với nhau thành DNA hoặc protein.

Các nhà khoa học có thể tinh chế các thành phần trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng chất phụ gia. Nhưng nó đặt ra câu hỏi: Làm thế nào điều đó lại xảy ra trên Trái đất sơ khai?

Câu trả lời, theo gợi ý của Tiến sĩ Christof Mast, nhà nghiên cứu tại Đại học Ludwig Maximilians ở Munich, có thể là các vết nứt trên đá giống như những vết nứt xảy ra trong núi lửa hoặc hệ thống địa nhiệt có nhiều trên Trái đất sơ khai. Có thể sự chênh lệch nhiệt độ dọc theo các vết nứt sẽ tách biệt và tập trung các thành phần phân tử sinh học một cách tự nhiên, cung cấp một hệ thống thụ động để làm sạch các phân tử sinh học.

Lấy cảm hứng từ địa chất, nhóm nghiên cứu đã phát triển các buồng truyền nhiệt có kích thước gần bằng một thẻ ngân hàng, mỗi buồng chứa các vết nứt cực nhỏ với độ dốc nhiệt độ. Khi được cung cấp một hỗn hợp các axit amin hoặc nucleotide—một “hỗn hợp prebiotic”—các thành phần dễ dàng tách ra.

Việc bổ sung thêm nhiều ngăn sẽ làm tập trung thêm các hóa chất, thậm chí cả những chất có cấu trúc tương tự nhau. Mạng lưới các vết nứt cũng cho phép các axit amin liên kết với nhau, bước đầu tiên hướng tới việc tạo ra protein chức năng.

“Các hệ thống vết nứt và vết nứt mỏng liên kết với nhau…được cho là có mặt khắp nơi trong môi trường núi lửa và địa nhiệt,” đã viết đội. Bằng cách làm giàu các hóa chất prebiotic, những hệ thống như vậy có thể “cung cấp động lực ổn định cho phòng thí nghiệm về nguồn gốc sự sống tự nhiên”.

Cuộc sống sản xuất bia

Khoảng bốn tỷ năm trước, Trái đất là một môi trường khắc nghiệt, bị thiên thạch tấn công và đầy rẫy những vụ phun trào núi lửa. Tuy nhiên, bằng cách nào đó giữa sự hỗn loạn, hóa học đã tạo ra các axit amin, nucleotide, lipid béo và các khối xây dựng khác đầu tiên hỗ trợ sự sống.

Cái nào các quá trình hóa học góp phần tạo ra các phân tử này vẫn còn đang được tranh luận. Thời Gian mỗi người đến cùng cũng là một câu hỏi hóc búa. Giống như vấn đề “con gà hay quả trứng”, DNA và RNA chỉ đạo việc tạo ra protein trong tế bào – nhưng cả hai vật mang gen đều cần protein để tái tạo.

Một lý thuyết gợi ý anion sunfua, là những phân tử có nhiều trong các hồ và sông trên Trái đất thời kỳ đầu, có thể là mối liên kết. Được tạo ra trong các vụ phun trào núi lửa, sau khi hòa tan vào các vũng nước, chúng có thể tăng tốc các phản ứng hóa học chuyển đổi các phân tử prebiotic thành RNA. Được mệnh danh là giả thuyết “thế giới RNA”, ý tưởng này cho thấy RNA là phân tử sinh học đầu tiên xuất hiện trên Trái đất vì nó có thể mang thông tin di truyền và tăng tốc một số phản ứng hóa học.

Một ý tưởng khác Tác động của thiên thạch lên Trái đất sơ khai đã tạo ra đồng thời nucleotide, lipid và axit amin, thông qua một quá trình bao gồm hai loại hóa chất dồi dào—một từ thiên thạch và một từ Trái đất—và một tia tia UV.

Nhưng có một vấn đề: Mỗi bộ khối xây dựng đòi hỏi một phản ứng hóa học khác nhau. Tùy thuộc vào những khác biệt nhỏ về cấu trúc hoặc hóa học, có thể một vị trí địa lý có thể thiên về một loại phân tử prebiotic này so với loại khác.

Làm sao? Nghiên cứu mới được công bố trên Thiên nhiên, đưa ra câu trả lời.

Mạng lưới đường hầm

Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm bắt chước Trái đất sơ khai thường bắt đầu với các thành phần được xác định rõ ràng và đã được tinh chế. Các nhà khoa học cũng làm sạch các sản phẩm phụ trung gian, đặc biệt đối với nhiều bước phản ứng hóa học.

Nhóm nghiên cứu viết rằng quá trình này thường dẫn đến “nồng độ rất nhỏ của sản phẩm mong muốn” hoặc việc tạo ra nó thậm chí có thể bị ức chế hoàn toàn. Các phản ứng cũng đòi hỏi nhiều buồng tách biệt về mặt không gian, hầu như không giống với môi trường tự nhiên của Trái đất.

Nghiên cứu mới lấy cảm hứng từ địa chất. Trái đất sơ khai có mạng lưới phức tạp gồm các vết nứt chứa đầy nước được tìm thấy trong nhiều loại đá ở núi lửa và hệ thống địa nhiệt. Các vết nứt, được tạo ra bởi đá quá nóng, hình thành nên những “ống hút” tự nhiên có khả năng lọc một hỗn hợp phân tử phức tạp bằng cách sử dụng gradient nhiệt.

Mỗi phân tử ưa thích một nhiệt độ ưa thích dựa trên kích thước và điện tích của nó. Khi tiếp xúc với các nhiệt độ khác nhau, nó sẽ tự nhiên hướng tới lựa chọn lý tưởng của mình. Được gọi là nhiệt di, quá trình này tách hỗn hợp nguyên liệu thành nhiều lớp riêng biệt trong một bước.

Nhóm nghiên cứu đã mô phỏng một vết nứt đá mỏng bằng cách sử dụng buồng dòng nhiệt. Có kích thước gần bằng một chiếc thẻ ngân hàng, căn phòng này có những vết nứt nhỏ có đường kính 170 micromet, rộng bằng một sợi tóc người. Để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ, một bên của buồng được làm nóng đến 104 độ F và đầu kia được làm lạnh đến 77 độ F.

Trong thử nghiệm đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã thêm hỗn hợp các hợp chất prebiotic bao gồm axit amin và nucleotide DNA vào buồng. Sau 18 tiếng, các thành phần tách thành từng lớp giống như tiramisu. Ví dụ, glycine – loại axit amin nhỏ nhất – tập trung ở phía trên, trong khi các axit amin khác có độ bền nhiệt cao hơn lại bị kẹt ở phía dưới. Tương tự, các chữ cái DNA và các hóa chất duy trì sự sống khác cũng tách ra trong các vết nứt, một số được làm giàu tới 45%.

Mặc dù đầy hứa hẹn nhưng hệ thống này không giống Trái đất sơ khai, nơi có các vết nứt liên kết chặt chẽ với nhau về kích thước. Để mô phỏng điều kiện tự nhiên tốt hơn, nhóm tiếp theo xâu chuỗi ba ngăn, ngăn đầu tiên chia thành hai ngăn khác. Việc làm giàu các hóa chất prebiotic này hiệu quả hơn khoảng 23 lần so với buồng đơn.

Sau đó, sử dụng mô phỏng máy tính, nhóm nghiên cứu đã mô hình hóa hoạt động của hệ thống buồng liên kết 20 x 20, sử dụng tốc độ dòng chảy thực tế của các hóa chất tiền sinh học. Các ngăn này làm phong phú thêm chất bia, với glycine làm giàu gấp 2,000 lần so với các axit amin khác.

Phản ứng hoá học

Nguyên liệu sạch hơn là khởi đầu tuyệt vời cho sự hình thành các phân tử phức tạp. Nhưng nhiều phản ứng hóa học đòi hỏi phải bổ sung thêm các hóa chất, cũng cần được làm giàu. Ở đây, nhóm nghiên cứu tập trung vào phản ứng gắn hai phân tử glycine lại với nhau.

Tại tim có trimetaphosphate (TMP), giúp điều khiển phản ứng. Nhóm nghiên cứu giải thích rằng TMP đặc biệt thú vị đối với hóa học tiền sinh học và nó rất khan hiếm trên Trái đất sơ khai, điều này “làm cho việc làm giàu có chọn lọc của nó trở nên quan trọng”. Một buồng đơn làm tăng mức TMP khi trộn với các hóa chất khác.

Sử dụng mô phỏng trên máy tính, hỗn hợp TMP và glycine đã tăng sản phẩm cuối cùng—glyxin gấp đôi—lên năm bậc độ lớn.

Nhóm nghiên cứu viết: “Những kết quả này cho thấy các phản ứng prebiotic đầy thách thức khác được tăng cường ồ ạt” nhờ các dòng nhiệt làm giàu có chọn lọc các hóa chất ở các vùng khác nhau.

Tổng cộng, họ đã thử nghiệm hơn 50 phân tử prebiotic và nhận thấy các vết nứt dễ dàng tách chúng ra. Bởi vì mỗi vết nứt có thể có sự kết hợp các phân tử khác nhau nên nó có thể giải thích sự xuất hiện của nhiều khối xây dựng duy trì sự sống.

Tuy nhiên, làm thế nào các khối xây dựng nên sự sống kết hợp với nhau để hình thành nên sinh vật vẫn còn là bí ẩn. Dòng nhiệt và vết nứt đá có thể chỉ là một phần của câu đố. Thử nghiệm cuối cùng sẽ là xem liệu các prebiotic tinh khiết này có liên kết với nhau để tạo thành tế bào hay không và bằng cách nào.

Tín dụng hình ảnh: Christof B. Mast

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/