Đi tìm lời giải thích vì sao nước mưa lại là chìa khóa của nguồn gốc sự sống

Kỳ trước: Đi tìm nguồn gốc sự sống: Từ trên trời rơi xuống

Cầu nối kỹ thuật và sinh học

Để làm sáng tỏ tính ổn định của RNA trong nước mưa, tác giả nghiên cứu Aman Agrawal đã đưa các giọt coacervate vào nước cất trong quá trình thực nghiệm tại Đại học Houston, nơi ông nghiên cứu diễn tiến sự việc dưới một trường điện. Vào thời điểm này, nghiên cứu không liên quan gì đến nguồn gốc của sự sống; nó chỉ nghiên cứu vật liệu hấp dẫn từ góc độ kỹ thuật.

Giáo sư Alamgir Karim thuộc Đại học Houston, người hướng dẫn luận án của Agrawal và là đồng tác giả cấp cao của báo cáo mới cho biết: "Các kỹ sư, đặc biệt là chuyên gia từ lĩnh vực hóa học và vật liệu, có kiến ​​thức tốt về cách thao tác các đặc tính vật liệu như sức căng giao diện, vai trò của polyme tích điện, muối, kiểm soát pH…Đây đều là những khía cạnh chính của thế giới 'chất lỏng phức tạp' (môi trường đầu tiên tạo sự sống)"

Agrawal muốn nghiên cứu các đặc tính cơ bản khác của coacervate trong quá trình làm luận án Tiến sĩ của ông. Đó không phải là lĩnh vực nghiên cứu của Karim, nhưng Karim đã làm việc nhiều năm trước tại Đại học Minnesota dưới sự chỉ đạo Trưởng khoa danh dự của UChicago PME Matthew Tirrell, người sau này trở thành hiệu trưởng sáng lập của Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago.

Trong bữa trưa với Agrawal và Karim, Tirrell đã nêu ra cách nghiên cứu về tác động của nước cất lên các giọt coacervate có thể liên quan đến nguồn gốc sự sống trên Trái đất. Tirrell đặt hỏi nước cất đã tồn tại ở đâu cách đây 3,8 tỉ năm.

Khi Karim buột miệng trả lời ‘nước mưa!’, mắt Tirrell đã sáng lên và ông ấy rất phấn khích trước gợi ý đó. Đó có thể là khoảnh khắc Eureka trong việc đi tìm nguồn gốc sự sống.

Tirrell đã mang nghiên cứu về nước cất của Agrawal đến với nhà sinh vật học đoạt giải Nobel Jack Szostak, người khi ấy vừa mới tới Đại học Chicago để làm chủ nhiệm Trung tâm nghiên cứu ​​Nguồn gốc Sự sống. Tirrell đã đặt ra cùng một câu hỏi mà ông đã hỏi Karim. Tirrell hỏi nước cất có thể đến từ đâu trong thế giới tiền sinh học. Và Szostak cũng trả lời giống như mong đợi: nước mưa.

Khi các ý tưởng lớn gặp nhau, họ biết mình chung lý tưởng và phải làm gì tiếp theo.

Ý nghĩa đối với quá trình tiến hóa tiền sinh học

Khi làm việc với các mẫu RNA từ Szostak, Agrawal phát hiện ra rằng việc chuyển các giọt coacervate vào nước cất làm tăng thang thời gian trao đổi RNA – từ vài phút lên đến vài ngày. Khoảng thời gian này đủ dài để nuôi dưỡng đột biến, cạnh tranh và tiến hóa.

Agrawal nói: “Nếu bạn có các quần thể nguyên sinh tăng động, chúng sẽ trao đổi vật liệu di truyền của chúng với nhau và trở thành bản sao của nhau. Khi đó, không có khả năng tiến hóa theo thuyết Darwin. Nhưng nếu chúng đủ ổn định để chống lại quá trình trao đổ, chúng sẽ lưu trữ thông tin di truyền của mình đủ lâu. Chỉ cần ổn định trong vài ngày để các đột biến có thể xảy ra trong trình tự gien của chúng. Khi ấy thì quần thể có thể tiến hóa”.

Ban đầu, Agrawal đã thử nghiệm với nước khử ion, được tinh chế trong điều kiện phòng thí nghiệm. Chỉ có điều, nước phòng thí nghiệm không chứa bất kỳ chất gây ô nhiễm nào, không có muối và có độ pH trung tính cân bằng hoàn hảo giữa bazơ và axit. Tóm lại, nó khác xa với điều kiện thực tế mà một vật liệu có thể đạt được ngoài tự nhiên. Họ cần phải làm việc với một vật liệu giống với mưa thực tế hơn.

Agrawal cho biết: "Chúng tôi chỉ cần thu thập nước mưa ở Houston và kiểm tra độ ổn định của các giọt nước trong đó, chỉ để đảm bảo những gì chúng tôi báo cáo là chính xác".

Trong các thử nghiệm với nước mưa thực tế và với nước phòng thí nghiệm được biến đổi để mô phỏng tính axit của nước mưa, họ may mắn thay đã nhận được cùng một kết quả. Các bức tường dạng lưới hình thành, tạo ra các điều kiện có thể dẫn đến sự sống.

Thành phần hóa học của mưa rơi xuống Houston vào những năm 2020 không phải là mưa rơi xuống 3,8 tỉ năm trước. Tất nhiên, mô hình tế bào nguyên sinh mà Agrawal đã thử nghiệm cũng không giống thời điểm 750 triệu năm sau khi Trái đất hình thành.

Tuy nhiên, báo cáo mới chứng minh rằng giả thuyết hình thành một bức tường dạng lưới xung quanh các tế bào nguyên sinh này là có cơ sở. Chúng có thể phân chia các phân tử của sự sống và từ đó đưa các nhà nghiên cứu đến gần hơn bao giờ hết với việc tìm ra tập hợp điều kiện hóa học và môi trường phù hợp cho phép các tế bào nguyên sinh tiến hóa.

Agrawal cho biết thêm: "Các phân tử mà chúng tôi sử dụng để xây dựng các tế bào nguyên sinh này chỉ là mô hình cho đến khi có thể tìm thấy các phân tử phù hợp hơn để thay thế. Mặc dù thành phần hóa học sẽ khác một chút, nhưng tính chất vật lý vẫn như vậy".