Sự sống bắt đầu như thế nào
|
Show Skip to main contentSkip to search 929,428 views | Luka Wright • TED-Ed Xem bài học đầy đủ tại: https://ed.ted.com/lessons/the-mysterious-origins-of-life-on-earth-luka-seamus-wright Hàng tỉ năm về trước, những hợp chất hữu cơ đơn giản kết hợp thành những tổ chức phức tạp có khả năng phát triển và sinh sản. Thời kỳ này, Trái Đất ngập tràn các hoạt động núi lửa và bầu khí quyển khắc nghiệt khó thể duy trì sự sống. Vậy sự sống bắt đầu từ đâu? Cùng Luka Wright kiếm tìm cái nôi của sự sống, nơi sản sinh ra hàng tỉ loài đang tồn tại trên hành tinh chúng ta. Bài học bởi Luka Seamus Wright, đạo diễn bởi Nick Hilditch. Want to hear more great ideas like this one? Sign up for TED Membership to get exclusive access to captivating conversations, engaging events, and more! Xem bài học đầy đủ tại: https://ed.ted.com/lessons/the-mysterious-origins-of-life-on-earth-luka-seamus-wright Hàng tỉ năm về trước, những hợp chất hữu cơ đơn giản kết hợp thành những tổ chức phức tạp có khả năng phát triển và sinh sản. Thời kỳ này, Trái Đất ngập tràn các hoạt động núi lửa và bầu khí quyển khắc nghiệt khó thể duy trì sự sống. Vậy sự sống bắt đầu từ đâu? Cùng Luka Wright kiếm tìm cái nôi của sự sống, nơi sản sinh ra hàng tỉ loài đang tồn tại trên hành tinh chúng ta. Bài học bởi Luka Seamus Wright, đạo diễn bởi Nick Hilditch. TED-Ed Original lessons feature the words and ideas of educators brought to life by professional animators. Một nghiên cứu mới tìm ra bí mật chung về nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất có thể sống được ở suối nước nóng nơi có chứa nhiều sắt và ít oxy. "Tổ tiên chung" của sự sống trên trái đất hay LUCA là tên mà nhà khoa học nhắc đến khi nói về nguồn gốc của mọi sự sống. Phần lớn LUCA tồn tại không chắc chắc, trong khi nghiên cứu trước kia khuyên rằng nó ít hơn một "bát súp" hóa học từ quá trình hình thành chuyển dần sang các hình dạng phức tạp hơn. Nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng nó có thể là một sinh vật phức tạp cùng với cấu trúc rắc rối.  Để hiểu hơn về LUCA sống ở đâu và như thế nào, các nhà nghiên cứu đã phân tích 6,1 triệu gen từ những sinh vật nguyên thủy - sinh vật đơn bào siêu nhỏ, thiếu nhân tế bào tách biệt. Vi khuẩn là ví dụ về sinh vật chưa có nhân, trong khi đó động vật, thực vật và nấm lại là những sinh vật có nhân hay dạng sinh sống của DNA là nằm trong nhân tế bào. Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng những sinh vật nguyên thủy là nhóm xuất hiện sớm nhất trên trái đất và từ sinh vật không có nhân trở thành sinh vật có nhân. Các nhà nghiên cứu tập hợp những nhóm gen đã tìm thấy trong nhiều nhóm khác nhau của sinh vật nguyên thủy. Sau khi chỉ ra điểm giống và khác nhau của chúng, các nhà nghiên cứu đã tạo ra cây gia phả của những gen đó. Điều này giúp các nhà khoa học tìm ra được gen nào lớn nhất trong những sinh vật nguyên thủy và vì thế, hầu hết chúng được thừa hưởng từ LUCA. Nhà khoa học thử nghiệm các gen theo kế hoạch chi tiết dành cho protein (Một số gen không hướng đến việc sản xuất ra protein). Các nhà nghiên cứu đã tìm ra 286,514 nhóm protein nhưng chỉ có 355 nhóm phù hợp với tiêu chuẩn nghiêm ngặt mà các nhà nghiên cứu đưa ra trong tiềm năng sẵn có của LUCA. Nghiên cứu trước kia chưa phát hiện hết chức năng của gen này nên bây giờ họ làm rõ hơn về môi trường và lối sống của LUCA. Nghiên cứu của tác giả William Martin - một nhà vi sinh vật học của trường đại học Heinrich Heine tại Duseldorf, Đức có nói rằng: "Chúng tôi có cơ hội quan sát gần hết tổ tiên ngày xưa của chúng ta sống ở đâu và như thế nào. Môi trường đó vẫn còn tồn tại tới bây giờ và lối sống của các tế bào giống với LUCA". LUCA ưa nhiệt nên có thể phát triển ở những nơi có nhiệt độ khá cao và kỵ khí - không cần oxy để phát triển. Ngược lại, LUCA phải sống trong môi trường giàu hyđrô, cacbon điôrit, nitơ và sắt. Những nơi này cũng có chứa sulphur và selen. Các nhà khoa học kết luận rằng hiện nay vẫn còn nhiều sinh vật nguyên thủy sống trong môi trường như vậy, được gọi tên là lỗ thông thủy nhiệt gồm các suối nước nóng ở trên đất liền cũng như các khe nứt ở gần đáy biển núi lửa. Những sinh vật hiện đại này gồm vi khuẩn hình que và cổ khuẩn sinh methane. Martin trả lời trang báo Live Science rằng: "Điều thú vị là một số vi khuẩn vẫn sống ở chỗ hộc tường sinh vật học nơi mà sự sống đã tồn tại từ 4 tỉ năm trước". Ngày 25 tháng 7 năm 2017, các nhà khoa học đã tổng hợp kết quả của họ trên trang mạng của tạp chí Nature Microbiology. 03/12/2017
Ánh bình minh của sự sống Sự sống đã bắt đầu như thế nàoSự sống hẳn bắt đầu từ một yếu tố sao chép duy nhất – nhưng nó là gì và nó đã hoạt động ra sao? Bốn tỉ năm trước: bề mặt của một hành tinh mới hình thành xung quanh một ngôi sao có kích cỡ trung bình đang bắt đầu nguội dần. Đó là một nơi nguy hiểm, bị bắn phá dữ dội bởi thiên thạch và những vụ rung chuyển do núi lửa phun trào, với một bầu khí quyển đầy khí độc. Nhưng sau đó có những điều không tưởng diễn ra. Một phân tử có khả năng tự sao chép chính nó xuất hiện. Sự sống đã bắt đầu như thế nào Đó là ánh bình mình của tiến hóa. Ngay khi thực thể tự sao chép đầu tiên xuất hiện, chọn lọc tự nhiên đã tác động lên, hỗ trợ cho bất cứ hậu duệ nào với các biến dị có thể khiến chúng trở nên tuyệt vời hơn về khía cạnh tự sao chép. Phần còn lại là thời kỳ tiền sử. Cả tỉ năm sau, một trong số các hậu duệ của các tế bào đầu tiên đã tiến hóa thành các sinh vật đủ thông minh để trăn trở một câu hỏi về tổ tiên đầu tiên của mình. Phân tử nào đã khởi đầu cho tất cả? Sự sống đã bắt đầu như thế nào Cre: NewScientist Quay ngược về những năm 1960s, một số ít trong số các sinh vật thông minh này bắt đầu hoài nghi về phân tử tự sao chép đầu tiên là có bản chất RNA, một người anh em gần của DNA. Tuy nhiên, ý tưởng này luôn là một vấn đề – không có một cách đã biết nào mà qua đó phân tử RNA có thể hình thành trên Trái Đất sơ khai ấy. Và nếu RNA không thể được hình thành một cách tự nhiên, làm thế nào phân tử RNA tự sao chép lại xuất hiện được? Liệu có phải có yếu tố sao chép nào trước đó? Nếu có, nó là gì? Câu trả lời cuối cùng cũng dần hiện lên. Khi các nhà khoa học bắt đầu suy ngẫm về cách sự sống khởi phát, câu hỏi dường như thật rối rắm. Trong tất cả các sinh vật sống ngày nay, công việc nặng nhọc được thực hiện bởi các protein. Protein có thể cuộn gập thành nhiều cấu trúc đa dạng, vì thế chúng có thể làm gần như mọi việc, bao gồm việc hoạt động như enzyme xúc tác cho nhiều phản ứng. Tuy nhiên, thông tin cần để tạo ra protein lại nằm trong phân tử DNA. Bạn không thể tạo ra một protein mới mà không có DNA, và bạn không thể tạo ra DNA mới mà không cần protein. Vậy cái nào có trước, protein hay DNA? Sự sống đã bắt đầu như thế nào Phát hiện vào những năm 1960s rằng RNA có thể cuộn gập như một protein, mặc dù không thể thành các cấu trúc phức tạp, đã gợi ý cho câu trả lời. Nếu RNA có thể xúc tác cho các phản ứng cũng như lưu trữ DNA, một số RNA có khả năng tạo ra nhiều phân tử RNA hơn. Và nếu trường hợp này xảy ra, yếu tố sao chép RNA cũng không cần đến protein. Chúng tự làm mọi việc hết rồi. Sự sống đã bắt đầu như thế nào Đó là một ý tưởng “quyến rũ”, nhưng khi đó nó hoàn toàn là suy đoán mà thôi. Không ai chỉ ra được RNA có thể xúc tác phản ứng như enzyme protein. Điều đó kéo dài đến năm 1982, sau một thập kỷ nghiên cứu, rằng một enzyme RNA lần đầu tiên được khám phá. Thomas Cech từ Đại học Colorado đã phát hiện nó trong Tetrahymena thermophila, một động vật đơn bào kỳ quái với 6 giới tính. Sự sống đã bắt đầu như thế nào Sự việc diễn ra sau đó như cơn thác lũ. Con người phát hiện thậm chí nhiều enzyme RNA hơn trong các sinh vật sống và đã tạo ra những RNA enzyme mới trong phòng thí nghiệm. RNA có thể không tốt bằng DNA trong khía cạnh lưu trữ thông tin, do thiếu tính bền vững, cũng không toàn điện như protein, nhưng nó nổi lên như là một phân tử chuyên viên đa ngành. Đây là một sự thúc đẩy to lớn cho ý tưởng rằng sự sống đầu tiên chứa RNA đã xúc tác sự sản sinh nhiều phân tử RNA hơn – “thế giới của RNA” – nhà hóa học của Harvard, Walter Gilbert, đã gán cho nó từ 3 thập kỷ trước. Các yếu tố sao chép RNA này thậm chí còn có thể mang giới tính. Enzyme RNA mà Cech phát hiện ra không chỉ xúc tác cho bất cứ phản ứng nào. Nó là một mảnh RNA ngắn, có thể tự cắt khỏi chuỗi lớn. Đảo ngược phản ứng có thể thêm RNA vào chuỗi, đồng nghĩa rằng các yếu tố sao chép RNA có lẽ đã từng có khả năng trao đổi từng chút một với các RNA khác. Khả năng này có vẻ tăng tốc mạnh mẽ cho tiến hóa, vì những đổi mới được tạo ra bởi các dòng yếu tố sao chép riêng biệt có thể được kết hợp với nhau trong một dòng duy nhất. Tiến hóa các yếu tố sao chépĐối với nhiều nhà sinh học lý lẽ đanh thép xuất hiện vào năm 2000, khi mà cấu trúc của bộ máy sản xuất protein trong tế bào được giải mã. Nghiên cứu đó đã xác nhận rằng ở trung tâm của bộ máy đó là một enzyme RNA – và nếu các protein được tạo ra bởi RNA, chắc chắn là RNA đã đến trước. Thế nhưng vẫn còn tồn tại những vấn đề. Một trong số đó là vẫn chưa rõ ràng rằng liệu RNA có thực sự có khả năng tự sao chép. Ngày nay, DNA và RNA cần sự giúp đỡ của nhiều protein thì mới sao chép được. Nếu thực sự từng tồn tại những yếu tố tự sao chép, nó đã biến mất từ lâu. Vì thế các nhà hóa sinh học đã bố trí để tạo ra một yếu tố như thế, lấy ngẫu nhiên RNA và tiến hóa chúng trong nhiều thế hệ để thấy rốt cuộc chúng trở thành thứ gì. Sự sống đã bắt đầu như thế nào Đến 2001, quy trình này đã thu được một enzyme RNA được gọi là R18 có thể gắn 14 nucleotide – khối cấu trúc của RNA và DNA – vào một RNA sẵn có, sử dụng một RNA khác làm khuôn. Tuy nhiên, bất kỳ RNA tự sao chép nào cũng cần tạo ra các RNA có độ dài tối thiểu bằng nó – và R18 không thỏa mãn. Một tiến bộ lớn đến vào năm 2013, khi Philipp Holliger tại phòng thí nghiệm Sinh học phân tử MRC của Cambridge và cộng sự đã tiết lộ một enzyme RNA gọi là tC9Y. Nó dài 202 nucleotide, có thể sao chép một cách tin cậy các trình tự RNA dài hơn nó, có thể đến 206 ký tự. Để làm được thế, tC9Y kẹp vào một đầu của RNA, gắn nucleotide chính xác vào rồi di chuyển một bước tiếp và lại thêm một nucleotide. “Nó gây ấn tượng mạnh với tôi rằng bạn có thể làm một số việc phức tạp như thế với một phân tử đơn giản như vậy,” Holliger nói. Quan trọng là, enzyme này vẫn chưa tự sao chép chính nó và các nhà sinh học vẫn chưa vượt qua cột mốc này. Protein sử dụng cofactor để thậm chí mở rộng phạm vi các phản ứng mà nó có thể xúc tác. Và hóa ra enzyme RNA cũng sử dụng cofactor. Vào năm 2003, Hiroaki Suga, nay thuộc Đại học Tokyo, đã tạo ra một enzyme RNA có thể oxy hóa cồn, với sự trợ giúp của cofactor NAD+. Những tháng sau đó, Ronald Breaker tại đại học Yale đã tìm ra một enzyme RNA tự nhiên, dọi là glmS, cũng sử dụng một cofactor. Nhiều vi khuẩn sử dụng glmS, vì thế hoặc nó là tổ tiên hoặc các enzymes RNA sử dụng cofactor đã tiến hóa một cách dễ dàng. Một trong hai cách, có vẻ miễn sao phân tử RNA có thể mang khả năng thực hiện nhiều phản ứng để tạo ra năng lượng. Vì thế bằng chứng rằng từng có một thế giới RNA đang tỏ ra thuyế phục hơn bao giờ hết. Chỉ có một số ít ý kiến bất đồng. Nhưng vẫn còn một vấn đề lớn và rõ ràng còn tồn tại: RNA đầu tiên đã đến từ đâu? [Xem tiếp phần 2 ở đây] Nguồn tham khảo: Origin, Evolution, Extinction – The epic story of life on Earth. NewScientist collection Vol.3, issue 2.
Iceberg (biên tập) tapchisinhhoc.com
|
