Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Vào năm 1859, khi Charles Darwin công bố cuốn On The Origin of Species (Nguồn gốc các loài), trong đó ông đã dành toàn bộ một chương trong sách cho vấn đề thiếu “mối liên hệ trung gian” – dạng chuyển tiếp làm cầu nối cho những khoảng trống tiến hóa giữa các loài có họ hàng gần gũi. Nếu giả thuyết của ông đúng, hóa thạch ghi nhận được phải chứa đựng đầy những thông tin kiểu như vậy. Chúng đã ở đâu? Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Vào thời điểm đó đây là một vấn đề thực sự, khi mà một số ít hóa thạch như thế được phát hiện. Sau đó, đến một khám phá ngoạn mục, năm 1861, về Archaeopteryx với đôi cánh và lông của một con chim còn răng và đuôi thì của khủng long. Từ đó chúng ta đã phát hiện ra một số lượng lớn mối liên hệ trung gian: cá có thể trườn, thằn lằn với bộ hàm của thú, cá voi với những cái chân, hươu cao cổ với cái cổ ngắn và nhiều ví dụ khác nữa. Nhưng dường như có một thứ mà chúng ta chưa từng tìm ra: mối liên kết giữa dạng sống nguyên thủy sớm nhất và sự sống mà chúng ta biết ngày nay, nó còn được biết đến là tổ tiên chung nhất đầu tiên (last universal common ancestor), hay LUCA. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Hóa thạch Archaeopteryx
LUCA đã sống cách đây khoảng 4 tỉ năm – một dạng sống bé nhỏ và mong manh, là tổ tiên trực tiếp của mọi dạng sống đơn lẻ, từ lợn đất (Orycteropus afer) cho đến ngựa vằn. Nó không phải là sự sống sớm nhất: hàng ngàn, nếu không phải là hàng triệu, năm thử nghiệm tiến hóa đã diễn ra trước nó rồi. Nhưng hiểu biết về LUCA có thể cho chúng ta cái nhìn tót nhất về nguồn gốc sự sống tính đến thời điểm này.
Chúng ta đã biết đến một lượng thông tin đáng kinh ngạc. Mặc dù bất cứ dấu vết nào về LUCA để lại trên đá có lẽ đều bị xóa đi vĩnh viễn trước đó, có một cái gì đó từ xa xưa còn sót lại bên trong các tế bào đang sống hiện nay: một hệ thống vận hành sinh học chung cho tất cả các dạng sống và hẳn là cũng chung với cả LUCA!
Tuy nhiên, nhiều đặc điểm của LUCA vẫn còn rất khó hiểu, thậm chí còn là nghịch lý. Nhưng nghiên cứu mới về một giả thuyết tiêu biểu về nguồn gốc sự sống có vẻ đã giải quyết được nhiều bí ẩn. Nó vẽ lên một bức tranh chi tiết về nơi mà tổ tiên sớm nhất đã sống, sống thế nào và nó trông ra sao. Bạn chuẩn bị gặp khởi nguyên của mình đấy. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Darwin, chính ông là một trong số những khà khoa học đầu tiên suy đoán về việc sự sống bắt đầu ra sao: ông hình dung một “hồ nước nhỏ ấm áp, với tất cả amoniac, muối phosphoric, ánh sáng, nhiệt, điện và nhiều thứ khác cùng có mặt”. Chúng ta sẽ không bao giờ biết chính xác LUCA xuất hiện thế nào, nhưng chúng ta có thể dự đoán dựa trên cơ sở kinh nghiệm (và có thể đúng) bằng cách nhìn vào các đặc điểm của các hệ thống sống ngày nay. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Darwin đã từng dự đoán rằng sự sống bắt đầu trong một hồ nước ấm áp
Chúng nói cho chúng ta biết nhiều điều về LUCA. Chẳng hạn chúng ta biết nó đã dùng DNA để lưu giữ công thức cho protein. Chúng ta thậm chí còn biết các công thức này là như thế nào, bởi nhiều protein cần thiết được tìm thấy trong tất cả các tế bào ngày nay phải đến từ LUCA. Và từ bản chất của các protein này, rõ ràng rằng LUCA đã dùng một phân tử cao năng gọi là ATP để vận hành những quá trình nội bào, hệt như tế bào của chúng ta vẫn làm vậy. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
LUCA đã tạo ra ATP như thế nào? Có lẽ ai cũng có thể biết đó là một quá trình sử dụng những phản ứng hóa học bên trong tế bào. Thực tế, năng lượng từ thức ăn hoặc ánh sáng được dùng để cung cấp năng lượng cho một protein bơm proton ra khỏi tế bào. Điều này tạo ra một sự khác biệt về nồng độ proton, hay gradient, giữa hai phía của màng tế bào. Proton sau đó chảy ngược vào trong tế bào qua một protein khác bám trên màng (hãy hình dung đến chiếc turbin), dùng năng lượng để tạo ra ATP.
Tạo ra một gradient proton đòi hỏi một màng không thấm proton – chúng chỉ được chảy qua turbin. Vậy có giả định rằng màng của LUCA là màng không thấm. Nhưng không có bằng chứng trong trường hợp này. Thực tế, bản chất về màng của LUCA là một bí ẩn. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Để hiểu tại sao, ta phải quay lại những năm 1970s, khi người ta chia sự sống thành hai “đế chế” lớn. Một là động vật, thực vật và nấm và thứ hai là vi khuẩn. Sau đó nhà vi sinh vật học Carl Woese đã phát hiện ra rằng lãnh giới vi khuẩn thực chất chứa hai dạng sống khác nhau căn bản. Lãnh giới thứ ba này, nay được biết là vi khuẩn cổ.
Vi khuẩn cổ thường trông giống vi khuẩn thật, và tương tự về nhiều mặt – khi bạn dự đoán cả hai đều tiến hóa từ LUCA, có lẽ là không lâu sau khi LUCA bắt đầu tồn tại. Cũng có khác biệt cơ bản giữa chúng, ví dụ như màng sinh chất. Màng vi khuẩn được tạo nên từ các axit béo bám vào các gốc phosphate trong khi màng vi khuẩn cổ được tạo nên từ isoprenes bám với phosphate theo cách khác. Điều này gợi ý rằng màng của chúng đã tiến hóa một cách độc lập. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Điều đó đưa đến một nghịch lý: nếu LUCA đã có một màng không thấm nước để hình thành gradient proton, vậy tạo sao các con cháu của nó lại tiến hóa một cách độc lập hai loại màng kị nước khác nhau?
Nick Lane đến từ University College London đã đưa ra một câu trả lời giật mình, thách thức nhiều ý tưởng vốn ngự trị bấy lâu. Từ lâu trước khi là màng kị nước, màng của LUCA có khe hở. Thực tế, ông khẳng định, nó phải có khe hở. Lane bắt đầu từ giả định rằng sự sống đã bắt đầu từ đáy đại dương, ở nơi được gọi là những vực nước nóng kiềm tính. Điều này được đề xuất năm 1989 bởi Michael Russell (thành viên của NASA). Những người khởi xướng nó, bao gồm Lane và William Martin từ Đại học Dusseldorf (Đức) đã lập luận rằng riêng điều đó có thể giải thích vì sao sự sống lại dùng gradient proton để sinh ra ATP. Giờ đây, nó có thể giải thích cho một đặc điểm then chót khác của sự sống: màng của vi khuẩn cổ và vi khuẩn thật.
Khác với “black smokers” (là những ống khói được hình thành từ các trầm tích sắt sulfide, màu đenND) được hiểu biết nhiều hơn, các vực nước nóng kiềm tính là những nơi mà các dung dịch kiềm tính ấm nóng, có nhiệt độ từ 40oC đến 90oC, phun lên từ những khe nứt của nền đáy đại dương. Khi dịch này chạm tới dòng nước biển lạnh, các khoáng chất kết tủa khỏi dung dịch, từ từ hình thành những trầm tích đá cao tới 60 mét, đầy những mạch và lỗ nhỏ. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Những khối kiến trúc của sự sống
Các vực nước kiềm cũng có mặt ở các đại dương nguyên thủy. Bên trong những vực nước cổ xưa này, Lane, Russel và Martin nghĩ, các khối cấu trúc của sự sống hẳn là được hình thành một cách tự nhiên. Ví dụ, những vách chắc hẳn chứa nhiều sắt và sulfua, có thể xúc tác cho những phản ứng hữu cơ phức tạp. Còn nữa, dải nhiệt độ bên trong các lỗ có lẽ cũng tạo ra các hợp chất hữu cơ với nồng độ cao và thuận lợi sự hình thành của các đại phân tử, bao gồm lipid và RNA. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Mọi sinh vật ngày nay đều có một đoạn trình tự DNA ngắn giống nhau
Vì vậy, nó chắc là một sự bố trí hoàn hảo cho thế giới RNA – vốn được cho là bước đầu tiên của sự sống. Đây có lẽ là nơi mà tập hợp các phân tử RNA tự sao chép và các phân tử khác lần đầu tiên xuất hiện và bắt đầu tiến hóa thành các sinh vật dạng giống tế bào với màng sinh chất đơn giản. Các dạng sống tổ tiên này cần năng lượng – và theo Martin cùng Lane lập luận, nó được cung cấp bởi gradient proton của tự nhiên tại mặt giao cắt giữa thủy vực kiềm tính nghèo proton và nước biển giàu proton. Đây là nguồn gốc tối hậu của gradient proton giúp vận hành sự sông ngày nay. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Sân khấu khi đấy đã được bày ra cho tiến hóa, thông qua một chuỗi các bước chầm chậm, của protein tubin xuyên màng kia và sản xuất ATP. Đây là một bước hệ trọng trong tiến hóa sớm, mặc dùng các tế bào mới chỉ có thể tồn tại ở nơi giao nhau giữa dịch kiềm của thủy vực và nước biển, nơi đang có một gradient proton để chúng tận dụng. Cho đến sau khi chúng tiến hóa khả năng tạo ra gradient của chính chúng sử dụng các bơm proton.
Đó là một giả thuyết sắc sảo đấy nhưng khi những lời phản biện được đưa ra, sẽ có một mẻ cả lón! Các tế bào ban đầu có protein turbin sản xuất ATP chứ không phải các bơm proton là có khả năng sinh ra một lượng rất nhỏ năng lượng – trước khi gradient protein nhỏ dần. Nếu không có công cụ để chuyển proton ra khỏi tế bào, bên trong sẽ nhanh chóng cân bằng với bên ngoài mất!
Nhưng bạn không cần một bơm để khôi phục dòng chảy proton. Hãy nghĩ về tế bào nguyên thủy nằm giữa ranh giới của nước biển và thủy vực kiềm. Một cách để tận dụng gradient proton là có một màng có khe hở tạo ra sự rò rỉ. Điều này cho phép proton chảy liên tục từ nước biển, vào tế bào và chảy ngược ra dịch kiềm của thủy vực nóng, mà không có sự suy giảm gradient. Chừng nào còn có proton đi qua ATP turbin, tế bào còn tạo ra ATP. Lane và Martin lần đầu phác họa lên ý tưởng về lỗ rò rỉ màng năm 2012. Giờ đây Lane cùng cộng sư Andrew Pomiankowski và Victor Sojo đã đưa ra một kịch bản chi tiết hơn và mô phỏng nó để xem liệu nó có hợp lý về mặt năng lượng không. Kết quả, công bố năm 2014, xác nhận các tế bào có màng rò rỉ – không phải màng kị nước – có thể thu được đủ năng lượng từ một gradient proton tự nhiên. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Màng rò rỉ lại tạo ra một vấn đê khác. Ở một số điểm tế bào phá vỡ sự lệ thuộc vào vực nước. Để làm điều này, chúng phải tiến hóa các bơm proton sử dụng năng lượng để sinh ra gradient của chính nó. Nhưng nếu bạn đã có một màng có kẽ hở, sẽ không thu được gì từ bơm proton vì chúng lại ngấm ngược vào mà thôi.
Năng lượng tự do
Giải pháp rõ ràng là màng phải trở nên ít rò rỉ hơn. Nhưng cách này cũng không diễn ra, bởi nó chặn đứng dòng chảy proton qua màng và làm tắt nguồn năng lượng cung cấp.
Mà có thật thế không? Theo Lane, có một cách đặc biệt khác. Các tế bào hiện đại có một protein thứ ba trên màng của nó. Các protein này hoạt động như cánh cửa xoay, trao đổi ion qua màng – một ion Na+ cho một proton – và nó không tiêu tốn năng lượng. Nếu tế bào tiến hóa một cánh cửa xoay để trao đổi ion, cuộc chơi đột ngột thay đổi. Ion Na+ không thể đi qua màng lipid một cách gần như dễ dàng như proton, vì thế gradient proton tự nhiên được chuyển thành gradient Na+ qua màng. Quan trọng là Na có thể quay lại tế bào thông qua ATP turbin protein. Vì thế một tế bào với loại protein trao đổi ion có thể đạt được dòng chảy mạnh hơn qua turbin và cũng thu được nhiều ATP hơn – có lẽ phải tăng đến 60%. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Sự tiến hóa cơ chế thu năng lượng
Ngay khi tế bào có cánh cửa xoay, tiến hóa một bơm proton trở nên ưu thế kể cả là với một màng bị rò rỉ: càng nhiều proton bơm ra, càng nhiều Na+ được trao đổi và càng nhiều ATP thu được. Khi sự bơm H+ tăng, làm cho màng ít tính rò rỉ trở nên ưu thế hơn. Điều này đồng nghĩa là chọn lọc tự nhiên có thể đã thúc đẩy sự phát triển chung của một bơm tốt hơn và màng ít hở hơn.
Các tế bào sau đó có thể tồn tại ở những gradient proton yếu, bên rìa những thủy vực nóng (không còn phải phụ thuộc như trước). Rốt cuộc, chúng có thể phá bỏ hoàn toàn sự lệ thuộc và sinh ra gradient proton của chính nó ở hai phía của màng không hở. Và đây là cách chúng làm – không phải một mà là hai lần, xuất hiện ở vi khuẩn thật và vi khuẩn cổ. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Sau đó làm thế nào các tế bào khai tác được từ gradient proton? Điều này chưa rõ ràng. Hầy hết các nhà khoa học tập trung vào các đặc trưng rất hẹp của sự sống ban đầu, như là màng sinh chất hay RNA. Đến nay, chỉ có kịch bản về vực nước kiềm tính là cung cấp một bức tranh khái quát, giải thích không chỉ về nơi mà cách sự sống xuất hiện, mà còn biết được lý do vì sao nó lại có nhiều đặc điểm đặc biệt như thế.
Nick Lane (ảnh: telegraph)
Kịch bản về vực nước kiềm tính có thể không đúng nhưng chí ít nó cũng đưa đến những dự đoạn mà chúng ta có thể tự kiểm chứng. Ví dụ, Lane đang cố gắng xin tài trợ để xây dựng một lò phản ứng áp suất cao có thể giả lập những điều kiện ở những vực nước đáy biển cách đây cỡ 4 tỉ năm.
Chúng ta sẽ không bao giờ biết chính xác về LUCA. Nhưng dù nó có như thế nào, nó đang sống trong chính con người bạn. Tổ tiên chung đầu tiên của sinh giới
Nguồn: NewScientist: The Collection | Life on Earth: Origins, Evolution, Extinction
