Cội nguồn sự sống

Những tư tưởng về sự sống đầu tiên: Aristotle, Pasteur, Darwin, Oparin

Vào thế kỉ thứ 4 trước Công nguyên, Aristotle đã trình bày dựa trên những điều mà con người thời đó biết được, ít nhất là ở châu Âu, rằng những vật thể sống phát sinh từ những vật thể không sống. Ví dụ như bọ chét và chuột phát sinh từ những đống rác cũ hay bột mì, những con giòi và ruồi trong thịt thối, rệp trong sương. Cuộc sống, nói ngắn gọn hơn, là bắt nguồn từ sự phát triển tự nhiên.
Những nhà khoa học đầu thế kỉ 18 đã lật đổ những học thuyết của Aristotle, nhưng phải đến những thí nghiệm của Louis Pasteur vào năm 1862 người ta mới chắc chắn rằng một nơi đã được vô trùng thì sẽ vĩnh viễn không có bất cứ sinh vật nào phát sinh trong nó được nữa. Ngoài ra ông cũng cho rằng sự sống chỉ có thể phát sinh từ những cơ thể sống phức tạp khác. Những công trình của Pasteur có thể được tóm tắt trong một định luật mà ngày nay chính là nền tảng của thuyết tiến hóa hiện đại: Định luật phát sinh sinh vật: "Mọi cuộc sống đều bắt đầu từ trứng" (nguyên bản tiếng Latinh omne vivum ex ovo). Và thực tế thuyết tiến hóa sinh học không hề có nhiệm vụ chứng minh sự sống từ đâu ra (cũng giống như thuyết vạn vật hấp dẫn không có nhiệm vụ chứng minh trọng lực từ đâu xuất hiện), nó chỉ có nhiệm vụ giải thích sự đa dạng mà thống nhất và thống nhất trong sự đa dạng của sự sống. Tuy nhiên sự sống hoàn toàn có thể bắt nguồn từ các chất hữu cơ đơn giản (abiogenesis).Trong tiếng Việt gọi là tiến hóa hóa học
Ngành khoa học sinh vật hiện đại đang phải đương đầu với một câu hỏi cao hơn: sự sống bắt nguồn "đầu tiên" ở đâu? Pasteur đã chứng minh rằng những sinh vật bậc cao không thể phát sinh một cách tự nhiên. Lý thuyết về tiến hóa của Charles Darwin đã đưa ra một cơ chế để giải thích điều này: sinh vật phải mất hàng triệu năm để tiến hóa từ những dạng cơ bản, nhưng nó sẽ không mang những đặc điểm như lúc trước nữa, nhưng những sinh vật cơ bản ấy sẽ từ đâu ra? Darwin rất quan tâm đến vấn đề này. Trong một lá thư gửi cho Joseph Dalton Hooker ngày 1 tháng 2 năm 1871, Darwin đã cho rằng sự sống bắt nguồn từ "một cái hồ nước ấm áp có chứa đầy các loại muối ammonia và phosphat, ánh sáng, nhiệt độ, điện,... để các hợp chất protein có thể hình thành và trải qua những biến đổi phức tạp". Tiếp theo đó, Darwin tìm cách lý giải luận điểm của mình "vào bây giờ, những điều kiện như thế nếu tồn tại sẽ bị biến mất ngay lập tức, ngoại trừ trước khi tất cả các sinh vật sống được sinh ra". Nói một cách khác, sự khai sinh các dạng sống phức tạp có thể một phần nào ngăn cản sự tạo thành những hợp chất hữu cơ cơ bản trên Trái Đất, một điều kiện khiến cho việc đi tìm câu trả lời cho câu hỏi trên nằm trong phòng thí nghiệm.
Câu trả lời cho câu hỏi của Darwin vẫn nằm ngoài tầm hiểu biết của khoa học hiện đại, và hầu như không có một tiến bộ nào trong lĩnh vực này vào thế kỉ 19. Năm 1936, Aleksandr Ivanovich Oparin, trong cuốn sách nổi tiếng của mình "The Origin of Life on Earth" (Nguồn gốc của sự sống trên Trái Đất), đã cho thấy rằng sự hiện diện của không khí chứa ôxy và những hình thái sống phức tạp đã ngăn cản những chuỗi phản ứng có thể tạo nên sự sống. Oparin còn cho rằng, một "món súp nguyên thủy" với những hợp chất hữu cơ chỉ có thể tạo thành ở những nơi thiếu ôxy, qua ánh sáng Mặt Trời. Sau đó, ông cho rằng chính những hợp chất hữu cơ cao phân từ hòa tan trong nước thành các dung dịch keo, các dung dịch keo này có thể hòa tan vào nhau tạo thanh những giọt rất nhỏ gọi là coacervate. Những giọt này có thể lớn lên nhờ hấp thụ các giọt khác, có thể sinh sản khi có những tác động cơ giới chia nó ra làm các hạt nhỏ hơn, do đó nó có các tính chất cơ bản của một tế bào nguyên thủy. Tất cả những học thuyết hiện đại đều khởi đầu từ những luận điểm của Oparin.

Sự bất đối xứng của sự sống

Một trong những vấn đề còn chưa giải quyết được đó chính là "tính hướng". Ví dụ: tất cả những monomer đều có quay về một phía (amino acid chủ yếu thuận tay trái, phân tử đường cấu tạo nên acid nucleic thì thuận tay phải). Tính hướng rất cần thiết cho cấu trúc các ribozyme (và ngay cả protein). Nguồn gốc của tính hướng có lẽ chỉ đơn giản được giải thích bằng tính không đối xứng của những phân tử đầu tiên theo ngẫu nhiên và tất cả những phân tử sau đều giống như thế. Một số nghiên cứu năm 2003 của các nhà khoa học tại Đại học Perdue cho thấy serine (một amino acid) có thể chính là nguồn gốc của tính không đối xứng của các phân tử hữu cơ. Serine tạo thành một liên kết mạnh các phân tử amino acid khác khiến chúng đều quay theo một hướng khiến 8 phân tử amino acid tiếp theo sẽ cùng quay trái hay cùng quay phải. Tuy nhiên, làm cách nào mà lại có nhiều phân tử serine quay trái như thế thì vẫn còn là một điều bí ẩn: làm cách nào mà phân tử tạo bởi sinh vật hầu hết chỉ quay về một phía trong khi hầu hết chúng là không đối xứng.
Vi khuẩn được biết sử dụng amino acid dạng D (tay phải) trong một vài kháng sinh peptide, trong đó các amino acid được xem như là “sai”: D-glutamate, D-phenylalanine, D-aspartate, và D-valine được thấy kết hợp với nhau. Chú ý quan trọng là con đường sinh tổng hợp thông thường, trong đó DNA mã hóa cho 20 amino acid dạng L (tay trái), không thể tạo ra các amino acid dạng D. Ngược lại, các peptide chứa amino acid dạng D được tạo ra bằng các con đường sinh tổng hợp chuyên biệt và không liên quan gì đến sinh tổng hợp protein thông thường. Vi khuẩn sử dụng  D- α –alanine và D-glutamate không chỉ trong các peptide chuyên biệt mà còn trong lớp peptidoglycan của vách tế bào”
Hai dạng L và D, tức là tay trái và tay phải của amio acid luôn tồn tại cùng một lúc. Trong đó, dạng L được mã hóa từ DNA và tham gia vào quá trình tổng hợp peptide (protein). Mặt khác, dạng D lại tham gia tạo các peptide của vách tế bào và tạo các kháng sinh peptide, là một dạng nội độc tố của vi khuẩn. Từ đó, ta thấy rằng 2 dạng tay trái và tay phải của amino acid cùng tồn tại và tham gia vào quá trình khác nhau: dạng tay Trái tham gia vào quá trình sinh trưởng của tế bào; còn dạng tay Phải tham gia vào bảo vệ tế bào
Như vậy, dạng tay phải của amino acid tồn tại khắp chung quanh ta, song song cùng một lúc với dạng tay trái của amino acid.
Ngoài ra còn có sự xuất hiện của các amino acid dạng D, dạng tay phải trong các hợp chất tự nhiên thông thường như mật ong, trà, hạt cacao. D-aspartic được thấy trong não của chuột, gà và người. Ở đây, nồng độ của D-aspartic dường như liên quan đến các giai đoạn phát triển vì nồng độ tăng và sao đó giảm nhanh xuống tới số lượng thấy được lập lại trong các mô trưởng thành. D-serine, D- α -alanine, and D-proline được thấy hiện diện trong huyết thanh người với tỷ lệ D/L là 0,24 và còn trong thận của chuột với tỷ lệ D/L lên tới 0,035. Các tỷ lệ trên cho thấy số lượng của dạng tay phải, dạng D, luôn nhỏ hơn số lượng của dạng tay trái, dạng L (vì con số tỷ lệ nhỏ hơn 1). Tuy nhiên, vẫn có sự xuất hiện của dạng tay phải song song với dạng tay trái chứ không bao giờ là 100% dạng tay trái.
Như vậy, như Pasteur đã nói rằng phân tử tham gia sự sống là bất đối xứng. Vì vậy, phân tử đó luôn luôn tồn tại cùng một lúc ở hai dạng tay phải và tay trái. Tuy nhiên, không ai biết chắc rằng cùng một phân tử thì có bao nhiêu tay trái và bao nhiêu tay phải vì điều này còn phải phụ thuộc vào điều kiện tồn tại của phân tử đó. Ví dụ như tỷ lệ tay trái/tay phải của D-serine, D- α -alanine, and D-proline trong huyết thanh người là 0,24. Nhưng trong các cơ quan khác thì chưa chắc đúng, chúng ta phải làm thực nghiệm mới biết được.