Các nhà nghiên cứu đang đạt được tiến bộ trong việc trả lời câu hỏi về nguồn gốc của sự sống. Nó có thể là sự sống bắt nguồn từ các phản ứng hóa học được xúc tác bởi các khoáng chất trong các lỗ thông thủy nhiệt dưới biển. Những phản ứng này vẫn thúc đẩy quá trình trao đổi chất của các dạng sống nguyên thủy nhất hiện nay. Hydrogen là chìa khóa và là nhiên liệu cho các quá trình sinh hóa sớm nhất đánh dấu sự khởi đầu của sự sống.
Kể từ khi phát hiện ra các lỗ thông thủy nhiệt dưới biển khoảng 40 năm trước, các lò phản ứng hóa học tự nhiên này đã trở thành tâm điểm cho các nhà nghiên cứu tiến hóa tìm kiếm nguồn gốc của sự sống. Các lỗ thông hơi phát ra nước nóng có chứa khoáng chất, bao gồm các chất hóa học đơn giản nhưng dễ phản ứng như khí hydro (H2) và carbon dioxide (CO 2 ). Các điều kiện như thế này có thể dẫn đến các phản ứng sinh hóa đầu tiên, và do đó xuất hiện các tế bào sống tự do đầu tiên.
Điểm khởi đầu của quá trình chuyển hóa nguyên thủy như vậy của các vi khuẩn đầu tiên là carbon dioxide và khí hydro. Các vi khuẩn sống từ các chất này trước tiên chuyển đổi hai khí thành axit formic (formate), acetate và pyruvate (muối của axit axetic và axit pyruvic). Sau đó, họ sử dụng những thứ này để tạo ra tất cả các vật liệu hữu cơ của họ thông qua một lộ trình dày đặc của các phản ứng phức tạp.
Điều mà nhà hóa học Tiến sĩ Martina Preiner từ Viện Tiến hóa phân tử của Đại học Heinrich Heine Düsseldorf (HHU) và một nhóm nghiên cứu quốc tế hiện nay cho thấy chính xác là những khối xây dựng cơ bản của sự sống xuất hiện trong môi trường phòng thí nghiệm khi H2 và CO 2 còn lại để phản ứng với sự có mặt của các khoáng chất đơn giản trong điều kiện thủy nhiệt.
Trong 20 năm qua, Giáo sư Tiến sĩ William Martin, Viện trưởng Viện Tiến hóa Phân tử, đã lập danh mục nhiều điểm tương đồng giữa các phản ứng xúc tác kim loại trong chuyển hóa và phản ứng hóa học tại các lỗ thông thủy nhiệt.
Giáo sư Martin nói: "Những phản ứng dựa trên H2 và CO 2 phản ánh nguồn gốc của các quá trình sinh hóa đầu tiên hiện có thể được mô phỏng trong phòng thí nghiệm ở Düsseldorf, cho phép chúng tôi bắt chước các giai đoạn phát triển sớm nhất của cuộc sống."
Cùng với các nhà nghiên cứu từ Viện nghiên cứu than Max Planck ở Mülheim / Ruhr, Đại học Strasbourg và Viện khoa học và công nghệ công nghiệp tiên tiến quốc gia Nhật Bản, Tiến sĩ Preiner đã mô phỏng những phản ứng rất đơn giản này trong môi trường phòng thí nghiệm. Họ đã có thể chứng minh rằng H2 và CO 2 tổ chức thành formate, acetate và pyruvate qua đêm ở nhiệt độ 100 độ C miễn là có một vài chất xúc tác khoáng đơn giản - chất xúc tác tự hình thành trong các lỗ thông thủy nhiệt. Martina Preiner nhấn mạnh thực tế là không cần chuyển hóa vi sinh vật. "Các phản ứng hóa học đơn giản đến mức đáng ngạc nhiên. Các sản phẩm chính được tạo ra chính xác là những sản phẩm được sử dụng bởi các tế bào sớm nhất làm cơ sở cho quá trình trao đổi chất của chúng."
(adv)
Tiến sĩ Harun Tüysüz và nhóm của ông từ Viện Max Planck ở Mülheim đã thiết kế các chất xúc tác rắn cấu trúc nanô cho các thí nghiệm: "Chúng tôi quan sát mối quan hệ hoạt động cấu trúc riêng biệt của các chất xúc tác rắn để giảm CO 2 trong nguồn gốc của bối cảnh cuộc sống."
Serendipity sẽ có hai nhóm làm việc khác cũng đang nghiên cứu các quy trình tương tự. Một nhóm các nhà hóa học có trụ sở tại Strasbourg làm việc dưới thời Giáo sư Tiến sĩ Joseph Moran và Tiến sĩ Kamila Manyowska đã sử dụng sắt kim loại thay vì H2. Nhóm nghiên cứu Nhật Bản làm việc với nhà vi trùng học Tiến sĩ Kensuke Igarashi đang kiểm tra phản ứng của H2 và CO 2 trên các chất xúc tác sắt-sunfua. Tất cả các nhóm quan sát các sản phẩm tương tự. Giáo sư Moran nói: "Sự trao đổi chất dường như đã phát triển một cách tự nhiên đáng ngạc nhiên."
Nguồn gốc của sự sống dẫn đến một vấn đề 'gà hoặc trứng'. Ngoài các phản ứng CO 2 -H2 đơn giản , các tế bào phải tạo thành một số lượng lớn các mô-đun phức tạp hơn để phát triển và hoạt động. Các tế bào hiện đại thường có protein làm chất xúc tác, cấu trúc của chúng được mã hóa trong gen. Nhưng cái gì đến trước, protein hay axit nucleic? Nghiên cứu hiện được công bố cho thấy rằng chúng được đi trước trong quá trình tiến hóa bởi các phản ứng được xúc tác bởi kim loại và khoáng chất, và cả protein và axit nucleic nổi lên từ những phản ứng đó. Các kim loại được tìm thấy trong protein hiện đại là sự tái hiện của những khởi đầu sinh hóa này.
Nghiên cứu cũng làm sáng tỏ vấn đề quan trọng về nguồn gốc của nghiên cứu sự sống: Năng lượng nào có sẵn cho các dạng sống sớm nhất? Preiner và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng các phản ứng của H2 với CO 2 trong cùng điều kiện như các phản ứng phổ biến trong các lỗ thông thủy nhiệt cũng giải phóng năng lượng. Khi sản xuất các hợp chất đơn giản như acetate, đủ năng lượng được tạo ra để cho phép các vi khuẩn nguyên thủy thúc đẩy quá trình trao đổi chất của chúng.
Điều này có nghĩa là nhiên liệu cho các tế bào ban đầu là hydro, được hình thành với số lượng lớn trong môi trường khi Trái đất còn trẻ và tiếp tục được hình thành cho đến ngày nay. Hydro không chỉ sạch nhất trong tất cả các dạng năng lượng - chỉ tạo ra nước khi được đốt cháy - nó cũng có thể là tia lửa tạo ra sự sống. Các yếu tố quyết định đã có các điều kiện phù hợp và các chất xúc tác phù hợp tại chỗ.
Nguồn : Đại học Heinrich-Heine Duesseldorf
