Tổng hợp và tích luỹ các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ từ các chất vô cơ có sẵn

Năm 1920, Oparin đưa ra giả thuyết, các chất hữu cơ có thể được tổng hợp từ những chất vô cơ có sẵn trong khí quyển và đại dương. Các chất hữu cơ này là các amino acid, đường từ NH₃, CH₄ và hơi nước trong khí quyển cổ xưa. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện ngẫu nhiên từ dung dịch đậm đặc nóng của các chất đó. Tuy nhiên, giả thuyết này không được công nhận vì không có thực nghiệm.

Năm 1953, Stand Miller và Harold Urey bằng thực nghiệm đã chứng minh chất hữu cơ đơn giản có thể hình thành từ chất vô cơ theo con đường hoá học trong điều kiện trái đất cổ

xưa. Trong mô hình thí nghiệm, Miller tạo ra điều kiện tương tự như trên trái đất cổ xưa. Hệ thống này gồm: một bình nước đun nóng ở 80^oC; bình cầu khí quyển gồm: CH₄, NH₃, H₂; điện cực phát tia lửa điện (tia chớp); hệ thống làm lạnh (trái đất nguội dần). Sau khi Miller cho hệ thống này hoạt động một tuần, thu dung dịch thí nghiệm và phân tích thành phần. Kết quả cho thấy, sự có mặt của nhiều chất hữu cơ cần cho quá trình tổng hợp các đại phân tử sinh học như amino acid, lactate, acid hữu cơ …Thí nghiệm của Miler đã chứng minh một số bước trong giả thuyết của Operin. Điều này đã mở ra bước ngoặt mới trong tìm hiểu nguồn gốc của sự sống.

Hình 1.4: Mô hình tổng hợp chất hữu cơ bằng con đường hóa học

Nhiều phòng thí nghiệm lập lại thí nghiệm của Miller nhưng thay đổi thành phần khí quyển, dùng các tác nhân như ánh sáng thường, tia X, tia phóng xạ để thay thế cho tia lủa điện. Kết quả thu được 20 amino acids, purin (A & G), pyrimindin (C, T & U) và ATP nếu thêm phosphate.

Sự hình thành các chất hữu cơ phức tạp từ chất hữu cơ đơn giản

Các chất hữu cơ đơn giản tích lũy trong môi trường nước polymer hóa để hình thành các chất hữu cơ phức tạp như protein, nucleic acid…Trong tế bào các phản ứng này được enzyme xúc tác, nhưng trong quá trình tổng hợp hóa học không có enzyme và nồng độ các

monomer trong nước thấp. Như vậy làm thế nào các phản ứng polymer hoá xảy ra? Vấn đề nay không đơn giản và có nhiều giả thuyết. Một số cho rằng nồng độ các chất hữu cơ trong trong biển nguyển thủy là rất cao nên có khả năng gắn kết với nhau tạo thành các polimer. Những người này thậm chí cho rằng không có enzyme xúc tác, các phản ứng tạo thành cũng có thể xảy ra trong thời gian dài.

Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, nồng độ các chất trong các đại dương cổ xưa không không đủ đậm đặc để thực hiện polimer. Theo họ phải có cơ chế cơ học làm tăng nồng độ. Một trong giả thuyết đó cho rằng dưới sức nóng của mặt trời nước bóc hơi chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ tập trung trong hồ nước nhỏ được cô đặc. Một giả thuyết khác cho rằng đất sét có khả năng huy động các monomer hữu cơ do các monomer này bám trên hạt sét tích điện. Các monomer hữu cơ polymer hoá tạo thành các hợp chất hữu cơ cao phân tử. Những polymer hữu cơ được sóng, mưa cuốn trôi trở lại ao hồ và đại dương. Quá trình được lập lại nhiều lần làm cho nồng độ các chất hữu cơ cao phân tử tăng cao. Hai giả thuyết này đã dược Sidney Fox (Clay theory: thuyết đất sét) và Guterwachtershauser (ion pyrite theory: thuyết pirit sắt) chứng minh bằng thực nghiệm.

Sự hình thành “tế bào” đầu tiên

Sau khi các polimer hình thành chúng phải gắn với nhau tạo thành các đại phân tử làm tăng tính phức tạp của tổ chức.

Những tính chất của sự sống xuất hiện từ sự tương tác của các phân tử được tổ chức thành những mức độ cao hơn. Những tế bào sống có thể bắt nguồn gốc từ “tế bào” (protobionts: một khối kết của các phân tử) được tạo ra bằng con đường hóa học. Những tế bào này chưa có khả năng sinh sản nhưng chúng duy trì môi trường hoá học bên trong khác với môi trường xung quanh và có biểu hiện một vài đặc điểm của sự sống chẳng hạn như trao đổi chất (metabolism), dễ bị kích thích (excitability).

Một trong những loại “tế bào” được oparin gọi là coacervate có thể tự lắp ráp khi lắc dung dịch có chứa các phân tử lipids, proteins, nucleic acid và polysaccharides. Coacervate tách biệt với môi trường ngoài bởi màng kỵ nước. Các hạt coacervate có thể hấp thụ enzymes và các chất khác từ môi trường và giải phóng các sản phẩm của phản ứng enzymes. Khi hấp thụ các chất, coacervate sinh trưởng và phân chia thành các coacervate nhỏ. Các coacervate có

thành phần tốt hơn to ra và phân chia tiếp. Theo Operin, chọn lọc tự nhiên sẽ giữ lại và hoàn thiện các giọt tốt hơn tạo thành tế bào.

Một “tế bào” khác được Fox(1960) gọi là tiểu cầu (microphere), có thể được tạo ra khi trộn proteinoid với nước rồi đun nóng đến 130-180 ^oC rồi làm lạnh dần qua 1-2 tuần trong pH và nồng độ muối nhất định. Một vài tiểu cầu có màng thấm chọn lọc, có khả năng xúc tác một vài phản ứng như thủy phân glucose và có khả năng phóng điện (giống tế bào thần kinh). Các tiểu cầu có khả năng nảy chồi và tạo ra các tiểu cầu khác.

Một “tế bào” khác nữa là liposome có thể hình thành trong tự nhiên khi thành phần dung dịch có lipids. Màng của liposome là lớp lipid đôi giống màng tế bào. Liposome có khả năng sinh trưởng bằng cách hòa nhập các liposome nhỏ và sinh sản bằng các tách liposome lớn thành những liposome nhỏ.

Không giống như các mô hình thí nghiệm, “tế bào” không có các enzyme tinh như trong tế bào. Một vài chất được tổng hợp bằng con đường hoá học có khả năng xúc tác yếu cho phép “tế bào” biến đổi các chất đã hấp thụ qua màng. Khả năng sống sót của các “tế bào” tăng lên theo hướng hoàn thiện cấu trúc bên trong, tăng cường bề mặt ngăn cách với môi trường, sự phức tạp và tính hiệu quả của quá trình trao đổi chat. Chọn lọc tự nhiên sẽ chọn lọc và hoàn thiện các “tế bào” có nhiều ưu điểm tạo nên các tế bào đầu tiên và tiếp tục tiến hóa cho đến ngày nay.

RNA có thể là nguyên liệu di truyền đầu tiên

Các “tế bào” đa dạng về tính thấm, khả năng xúc tác, sinh sản, sinh trưởng môi trường sẽ chọn lọc những tế bào thích nghi và đào thải những tế bào không thích nghi. Các đặc tính của “tế bào” không thể duy trì và tiến hóa qua các thế hệ cho đến khi xuất hiện một vài cơ chế di truyền.

Trong tế bào thông tin di truyền được mã hóa trong nucleic acid (DNA & RNA). Nhiều giả thuyết cho rằng gen xuất hiện trước:

Năm 1929, G. Muller một nhà di truyền học nêu ra giả thuyết sự sống bắt đầu từ một hoặc một vài gen được tạo thành không do các sinh vật. trong một thời gian dài giả thuyết này không được chú ý. Tuy nhiên, các dẫn liệu từ sinh học phân tử cho thấy giải thuyết trên ngày càng có lí vì những lí do sau.

Thứ nhất: Cấu trúc phân tử và sự tái sinh của virus. Chúng ta biết rằng khi xâm nhập vào vi khuẩn chỉ co1ADN hoặc ARN được bơm vào và tự nó sao chép rồi tạo ra các hạt virus mới.

Thứ hai: Trong quá trình tổng hợp protein, ngòai AND và mARN còn có sự tham gia của tARN và rARN điều này cho thấy nucleic acid có trước.

Thứ ba: Nhiều nucleotide giữ vai trò đa dạng và quan trọng của tế bào ở tất cả các các sinh vật.

Hiện nay chưa có mô hình cụ thể nào cho thấy quá trình xuất hiện sự sống là từ nucleic acid chứng minh bằng thực nghiệm. Nhưng theo thuyết này các vật sống đầu tiên là các đại phân tử có khả năng sau chép. Các tế bào đầu tiên này tích lũy một cách chậm , vỏ bao bên ngoài bởi các chất khác. Một bằng chứng minh họa rõ cho cơ chế này là các virus chứa ANR or RNA có cấu tạo đơn giản.

Nhiều giả thuyết cho rằng RNA xuất hiện trước DNA bởi vì:

• RNA bền hơn, tái bản.
• RNA có khả năng nhân đôi từ mạch khuôn mẫu nhanh hơn và ít lỗi hơn các trình tự khác.

Vd: Một trình tự RNA có 40 ribonucleotide có thể tự nhân đôi trong môi trường có kẽm làm xúc tác với sai sót thấp hơn1%

• RNA (ribozyme) có khả năng xúc tác (Thomas Cech, 1980s): Tế bào hiện đại sử dụng ribozyme xúc tác tổng hợp các RNA mới (rRNA, tRNA và mRNA. Như vậy, RNA là chất tự xúc tác và trong thế giới tiền sinh học trước khi có protein và DNA, RNA có khả năng tự tái bản.
• RNA dễ tổng hợp hơn DNA
• Sự sai sót trong quá tái bản cùng với tác động của chọn lọc tự nhiên tạo ra sự đa dạng của RNA

Như vậy, trong một thời gian dài, vật liệu di truyền của các tiền sinh vật là RNA và sự tiến hóa dần đến chổ DNA mạch kép ổn định hơn mang thông tin di truyền. và khả năng xúc tác được chuyển cho protein làm chức năng chuyên hóa hữu hiệu hơn.

Theo giả thuyết hiện nay, sự sống được hình thành qua các bước:

Sự hình thành các phân tử RNA

Cơ chế sao chép RNA

Hoàn thiện hệ thống nhờ màng bao

Các tế bào tiến hóa theo 3 bước:

Hình1.5 : Sự tiế hóa của tế bào

Có thể tham khảo thêm nguồn gố của sự sống tại: http://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_life

Quá trình hình thành sự sống không thể xảy trong điều kiện hiện tại vì:

Oxy trong khí quyển được tích luỹ do hai quá trình. Quá trình phân li nước do ánh sáng cực tím tác động lên hơi nước và quá trình quang phân li nước trong quang hợp.

-Oxy có trong khí quyển sẽ phân hũy các chất hữu cơ vừa tổng hợp.

-Khí quyển ngày nay có tính oxy hóa. Khí quyển có tính khử tăng cường phản ứng kết hợp những chất đơn giản thành chất phức tạp.

-Tổng hợp chất hữu cơ cần năng lượng, UV (mặt trời true tạo nhiều UV). Điều kiện hiện tại không đáp ứng được bởi vì tầng Ozon khí quyển ngăn cản các tia UV.

-Sinh vật tồn tại tiêu thụ các chất hữu cơ tạo ra.