Trước khi sự sống trên Trái đất xuất hiện, khoảng 3,5 tỷ năm trước, các đại dương là một món súp gồm các phân tử lộn xộn ngẫu nhiên. Sau đó, bằng cách nào đó, một số phân tử đó tự sắp xếp thành các chuỗi DNA được tổ chức tốt, thành tế bào bảo vệ và các cấu trúc giống như cơ quan nhỏ có khả năng giữ cho các tế bào sống và hoạt động. Nhưng chỉ cách họ hoàn thành tổ chức này đã khiến các nhà khoa học bối rối từ lâu. Bây giờ, các nhà sinh lý học tại Đại học Ludwig-Maximilians ở Munich nghĩ rằng họ có một câu trả lời: bong bóng.
Sự khởi đầu của cuộc sống không tức thời. Các phân tử tiền thân sớm bằng cách nào đó biến thành các khối xây dựng của sự sống, như RNA, DNA, muối và lipid. Sau đó, những phân tử đó được tổ chức để tạo thành các phiên bản đầu tiên của tế bào, sau đó trở thành sinh vật đơn bào đầu tiên.
"Đây là cơ sở cho tất cả các loài sống", Dieter Braun thuộc Đại học Ludwig-Maximilians, tác giả chính của nghiên cứu, nói với Live Science.
Tuy nhiên, để các tế bào hình thành, bắt đầu tái tạo và tiếp nhận một cuộc sống của riêng chúng trên Trái đất nguyên thủy, tuy nhiên, tất cả các bộ phận hóa học trước tiên cần phải kết hợp với nhau, Braun nói.
Trong đại dương sâu thẳm, nơi nhiều nhà khoa học nghĩ rằng sự sống bắt đầu, các phân tử như lipid, RNA và DNA có thể đã có mặt; nhưng ngay cả như vậy, họ sẽ quá dàn trải cho bất cứ điều gì thú vị xảy ra.
"Các phân tử bị mất. Chúng khuếch tán," Braun nói. "Các phản ứng sẽ không tự xảy ra."
Các nhà khoa học đồng ý rằng một số lực là cần thiết để các phân tử tổng hợp và phản ứng với nhau, Henderson Cleaves, một nhà hóa học tại Viện Công nghệ Tokyo, nói với Live Science. Các nhà nghiên cứu không đồng ý rằng lực đó là gì.
Đó là nơi bong bóng đi vào.
Bong bóng ở khắp mọi nơi trong cảnh biển đầu Trái đất. Những ngọn núi lửa ấm áp, biển sâu thúc đẩy những luồng khói bốc lên. Những quả cầu thoáng đãng, định cư trên đá núi lửa xốp. Đây là những điều kiện mà Braun và các đồng nghiệp đã tìm cách nhân rộng. Họ đã tạo ra một con tàu từ một vật liệu xốp bắt chước kết cấu của đá núi lửa, sau đó lấp đầy nó bằng sáu giải pháp khác nhau, mỗi mô hình tạo ra một giai đoạn khác nhau trong quá trình hình thành sự sống. Một giải pháp, đại diện cho một bước đầu, có chứa một loại đường gọi là RAO, cần thiết trong việc xây dựng các nucleotide, các khối xây dựng của RNA và DNA. Các giải pháp khác, đại diện cho các giai đoạn sau, chứa chính RNA, cũng như các chất béo cần thiết để xây dựng thành tế bào.
Sau đó, các nhà nghiên cứu làm nóng dung dịch ở một đầu và làm mát ở đầu kia. Họ đang tạo ra một thứ gọi là "gradient nhiệt", trong đó nhiệt độ dần thay đổi từ đầu này sang đầu kia, tương tự như cách nước gần các lỗ thông hơi nước biển sâu thay đổi từ nóng sang lạnh.
"Nó giống như một đại dương vi mô", Braun nói.
Trong mỗi giải pháp, sự thay đổi nhiệt độ buộc các phân tử đóng cục - và chúng hấp dẫn về phía các bong bóng hình thành tự nhiên trong những điều kiện này. Gần như ngay lập tức, họ bắt đầu phản ứng.
Đường tạo thành tinh thể, một loại bộ xương cho các nucleotide RNA và DNA. Axit hình thành chuỗi dài hơn, tiến thêm một bước để hình thành các phân tử phức tạp, giống như RNA. Cuối cùng, các phân tử tự sắp xếp thành các cấu trúc giống như các tế bào đơn giản. Theo một nghĩa cơ bản, Braun cho biết, các tế bào là các phân tử được bọc trong các túi làm từ chất béo. Đó chính xác là những gì đã xảy ra trên bề mặt bong bóng của anh ấy: Chất béo tự sắp xếp thành những quả cầu xung quanh RNA và các phân tử khác.
Đáng ngạc nhiên nhất đối với Braun và các đồng nghiệp của ông, ông nói, là những thay đổi này đã xảy ra nhanh như thế nào, trong vòng dưới 30 phút.
"Tôi đã rất ngạc nhiên," anh nói. Mặc dù đây là lần đầu tiên anh và các đồng nghiệp của mình nhìn vào bong bóng, nhưng các nhà nghiên cứu trước đây đã cố gắng tái tạo cách thức các phân tử sinh học này trải qua các phản ứng phức tạp cần thiết cho sự sống. Thông thường, ông nói, những phản ứng này mất nhiều giờ.
Một số nhà hóa học nghi ngờ, tuy nhiên, bong bóng của Braun là một đại diện chính xác của môi trường nguyên thủy. Braun và các đồng nghiệp đã gieo mầm cho giải pháp của họ với nhiều phân tử phức tạp cần thiết cho sự sống. Ngay cả những giải pháp đơn giản nhất của họ vẫn thể hiện các giai đoạn sau của quá trình hình thành sự sống, Ramanarayanan Krishnamurthy, một nhà hóa học tại Viện Hải dương học Scripps, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Live Science. Điều đó hơi giống như nướng bánh với hỗn hợp hộp, thay vì bắt đầu từ đầu.
Ngược lại, các đại dương cổ đại có thể không có điều kiện thích hợp để hình thành các phân tử ban đầu này, ông KRnamurthy nói.
Thêm vào đó, thí nghiệm bong bóng đã diễn ra trên quy mô nhỏ. Điều đó rất quan trọng, bởi vì điều đó có nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ từ đầu này đến đầu kia của thử nghiệm rất đột ngột. Trong thực tế, độ dốc nhiệt dưới đại dương là dần dần, Cleaves nói.
Tuy nhiên, Braun lập luận rằng có một vài lý do tại sao bong bóng có thể là nơi lý tưởng cho sự khởi đầu của cuộc sống. Đầu tiên, họ cung cấp một giao diện hoàn hảo giữa không khí và nước. Không có không khí, nhiều phản ứng cần thiết cho cuộc sống không thể xảy ra. Ví dụ, phosphoryl hóa, một phản ứng cho phép các phân tử nhỏ tạo thành các chuỗi phân tử phức tạp, phải xảy ra trong điều kiện khô ít nhất một phần. Bên trong bong bóng, đó không phải là vấn đề; mặc dù chúng rất nhỏ, bong bóng cung cấp môi trường hoàn hảo cho những phản ứng này khô, ít nhất là tạm thời.
Nhưng có một bong bóng vai trò quan trọng khác có thể chơi: Chúng tạo ra trật tự. Trong nước tĩnh, các phân tử thường lan ra mà không có sự sắp xếp cụ thể. Tuy nhiên, Bong bóng đưa ra các phân tử - và có lẽ là sự khởi đầu của cuộc sống - thứ gì đó để bám vào trong một thế giới hỗn loạn.
