Sự sống trên Trái đất bắt nguồn từ đâu?
16:00 29/12/2020
Các nhà hóa học tại Scripps Research mới đây đã thực hiện một khám phá hỗ trợ mang lại góc nhìn mới đáng ngạc nhiên về cách sự sống bắt nguồn trên hành tinh của chúng ta.
Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí hóa học Angewandte Chemie, các nhà khoa học đã chứng minh một hợp chất đơn giản được gọi là diamidophosphate [DAP], có mặt trên Trái đất trước khi sự sống xuất hiện, có thể kết hợp hóa học với nhau các khối xây dựng DNA nhỏ gọi là deoxynucleosides thành các chuỗi DNA nguyên thủy.
Phát hiện này là phát hiện mới nhất trong một loạt khám phá trong nhiều năm qua, chỉ ra khả năng DNA cùng người "anh em họ hàng" hóa học gần gũi của nó RNA hình thành cùng nhau như sản phẩm của các phản ứng hóa học tương tự và là các phân tử tự tái tạo đầu tiên.
Khám phá này cũng có thể dẫn đến những ứng dụng thực tế mới trong hóa học và sinh học, nhưng ý nghĩa chính của nó là giải quyết câu hỏi lâu đời về cách thức sự sống trên Trái đất hình thành lần đầu tiên.
Đặc biệt, nó mở đường cho những nghiên cứu sâu rộng hơn về cách thức hỗn hợp DNA-RNA tự sao chép có thể đã tiến hóa và lan rộng trên Trái đất nguyên thủy, cuối cùng gieo mầm sinh học trưởng thành hơn của các sinh vật hiện đại.
Ramanarayanan Krishnamurthy, phó giáo sư, tiến sĩ hóa học tại Scripps Research, cho biết: "Phát hiện mới là một bước quan trọng đối với sự phát triển của một mô hình hóa học chi tiết về cách thức các dạng sống đầu tiên có nguồn gốc trên Trái đất".
Phát hiện cũng thúc đẩy lĩnh vực hóa học về nguồn gốc của sự sống thoát khỏi giả thuyết đã thống trị nó trong những thập kỷ gần đây: Giả thuyết "Thế giới RNA" cho rằng các bộ sao chép đầu tiên dựa trên RNA và DNA chỉ xuất hiện sau đó như một sản phẩm của các dạng sống RNA.
Trên thực tế, Krishnamurthy và nhiều người đã nghi ngờ giả thuyết Thế giới RNA một phần vì các phân tử RNA có thể đơn giản là quá "dính".
Một sợi RNA có thể thu hút các khối cấu tạo RNA riêng lẻ khác, chúng dính vào nó để tạo thành một loại sợi trong đó mỗi khối cấu trúc trong sợi mới liên kết với khối xây dựng bổ sung của nó trên sợi "khuôn mẫu" ban đầu. Nếu sợi mới có thể tách ra khỏi sợi mẫu, bằng quá trình tương tự, bắt đầu tạo khuôn các sợi mới khác, thì nó đã đạt được kỳ tích về khả năng tự tái tạo làm nền tảng cho sự sống.
Nhưng trong khi các sợi RNA có thể tốt trong việc tạo khuôn các sợi bổ sung, chúng lại không tốt trong việc tách khỏi các sợi này.
Các sinh vật hiện đại tạo ra các enzyme có thể buộc các sợi RNA hoặc DNA đi theo những con đường riêng biệt của chúng, do đó cho phép sao chép, nhưng không rõ làm thế nào điều này có thể được thực hiện trong một thế giới chưa tồn tại enzyme.
Krishnamurthy và các đồng nghiệp đã chỉ ra trong các nghiên cứu gần đây rằng, các sợi phân tử "chimeric" là một phần DNA và một phần RNA có thể giải quyết vấn đề này bởi vì chúng có thể tạo khuôn mẫu cho các sợi bổ sung theo cách ít dính hơn cho phép chúng tách ra tương đối dễ dàng.
Các nhà hóa học cũng đã chỉ ra rằng các khối cấu tạo ribonucleoside và deoxynucleoside đơn giản, tương ứng của RNA và DNA, có thể hình thành trong những điều kiện hóa học rất giống trên Trái đất sơ khai.
Vào năm 2017, họ đã báo cáo hợp chất hữu cơ DAP có thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc sửa đổi các ribonucleoside và xâu chuỗi chúng lại với nhau thành các sợi RNA đầu tiên. Nghiên cứu mới cho thấy rằng DAP trong các điều kiện tương tự có thể đã làm điều tương tự đối với DNA.
"Bây giờ chúng ta đã hiểu rõ hơn về cách tạo ra những RNA và DNA đầu tiên. Chúng tôi có thể bắt đầu sử dụng nó trên hỗn hợp các khối xây dựng ribonucleoside và deoxynucleoside để xem những phân tử chimeric nào được hình thành và liệu chúng có thể tự sao chép hay tiến hóa hay không", Krishnamurthy cho biết.
Ngoài ra, Krishnamurthy lưu ý rằng công trình nghiên cứu mới cũng có thể có các ứng dụng thực tế rộng rãi. Việc tổng hợp nhân tạo DNA và RNA như trong kỹ thuật PCR làm nền tảng cho các thử nghiệm Covid-19 đóng vai trò rất quan trọng.
Theo Dân trí
Link bài gốc
Chủ đề: hành tinh Trái Đất sự sống
| |
Một con voi châu Phi có khả năng mang hạt giống đến nơi cách chúng ăn quả 65 km |
Đâu đó trên trảng cỏ ở châu Phi, một hạt giống nhỏ đang nảy mầm trên đống phân voi. Voi thích ăn trái cây còn những loài cây ăn trái như marula cần có phương tiện phát tán hạt giống. Vì vậy, hai loài này đã phát triển quan hệ cộng sinh. Một con voi châu Phi có khả năng mang hạt giống đến nơi cách chúng ăn quả 65 km, khiến chúng trở thành loài vận chuyển hạt giống ấn tượng nhất trong vương quốc động vật.
Đường tiêu hóa không phải là cách thức đẹp nhất để phát tán hạt giống. Tuy nhiên, theo trang tin Vox, khoảng một nửa số loài thực vật trên Trái Đất phải dựa vào động vật để mang hạt đi xa hơn. Hạt giống có thể nằm trong bụng voi, hàm côn trùng hoặc dính trên lông một chú chó. Một số loại hạt thậm chí được nhiều loài động vật khác nhau mang đi trước khi đến điểm cuối cùng.
| |
Hạt giống nẩy mầm từ phân voi |
Di chuyển rất cần cho việc tồn tại, đặc biệt là trong bối cảnh khí hậu thay đổi. Khi bị thiêu đốt dưới các đợt sóng nhiệt hay ngập úng vì lượng mưa cực lớn, cách tốt nhất để thực vật tránh tuyệt chủng là phát tán hạt sang các khu vực mới, nơi khí hậu vẫn phù hợp với nhu cầu của chúng. Nghiên cứu cho thấy một số quần thể thực vật có thể cần phải di chuyển nhiều km một năm để tiếp tục sống trong môi trường lý tưởng - một hiện tượng được gọi là “theo đuổi khí hậu”.
Tuy nhiên, chiến lược này có một nhược điểm lớn: dựa vào động vật hoang dã, trong khi động vật hoang dã đang biến mất trên khắp thế giới. Theo một nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Science, điều này nghĩa là nhiều loài thực vật đang mất dần phương thức vận chuyển, khiến chúng mắc kẹt ở những khu vực ngày càng khắc nghiệt và có nguy cơ chết dần.
Sự suy giảm liên tục của động vật hoang dã cũng có thể kích hoạt một vòng lặp đáng sợ. Nếu một số loài thực vật khô héo vì không thể di chuyển nhờ vào động vật hoang dã nữa, tình trạng biến đổi khí hậu có thể thêm trầm trọng, khiến cả thực vật và động vật khó tồn tại hơn.
Vox dẫn lời các nhà khoa học cho biết chúng ta không chỉ phải lo ngại về sự tuyệt chủng khi thực vật và động vật chết đi mà còn phải nghĩ tới sự xói mòn của các mối quan hệ đã phát triển qua hàng triệu năm. Những liên kết cổ xưa giữa các loài là nền tảng của một hệ sinh thái lành mạnh.
Động vật hoang dã biến mất
50 năm qua, các loài động vật có vú, chim, lưỡng cư, bò sát và cá đã giảm trung bình khoảng 68% số lượng cá thể, theo Tổ chức Quốc tế về Bảo tồn Thiên nhiên [WWF]. Con người đã “giúp” xóa sổ hơn một nửa số loài động vật có vú cỡ vừa và lớn ở Trung và Nam Mỹ. Mỗi động vật biến mất sẽ tạo thành những gợn sóng trong hệ sinh thái của nó theo những cách khó đoán.
Nghiên cứu mới công bố được xây dựng dựa trên hàng ngàn nghiên cứu khác về các loài chim và động vật có vú cũng như mô hình máy tính tiên tiến, giúp phác thảo tác động của những tổn thất đó. Nhóm tác giả, dẫn đầu là nhà sinh thái học Evan Fricke tại Đại học Rice [Mỹ], phát hiện ra rằng các loài chim và động vật có vú gặp nhiều khó khăn trong những thế kỷ gần đây. Nhiều loài thực vật thậm chí hoàn toàn không thể phát tán hạt giống như trước đây. Các nhà khoa học nhận thấy vấn đề này nghiêm trọng nhất ở những khu vực không có khí hậu nhiệt đới.
\n
Các tác giả nghiên cứu cũng xem xét điều gì sẽ xảy ra nếu tất cả loài chim và động vật có vú đang được xếp vào nhóm nguy cấp hoặc dễ bị tổn thương biến mất. Họ phát hiện ra rằng việc mất đi những loài động vật quý hiếm này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến thực vật ở các khu vực như Đông Nam Á và Madagascar. Động vật hoang dã nguy cấp tại đây có vai trò lớn trong việc phát tán hạt giống ra xa.
Di chuyển để tồn tại
Cả thực vật và động vật đều đang phải di chuyển vì Trái Đất ấm lên. Cá tuyết Đại Tây Dương và một loài bướm ở châu Âu đã di cư hơn 200 km chỉ trong 10 năm, theo National Geographic. Ở Mỹ và nhiều nơi khác, bọ ve và các loài gây hại cũng đang tiến vào những khu vực mới.
Tương tự, thực vật đang tìm những vị trí mới để đâm chồi. Trong nửa thế kỷ qua, vùng cây cối ngừng phát triển ở dãy núi Altai của Trung và Đông Á đã lên cao hơn khoảng 150 mét. Theo Cục Lâm nghiệp Mỹ, vào cuối thế kỷ này, nhiều loài cây phong có thể dịch chuyển tới 200 km lên phía bắc. Tuy nhiên, không phải toàn bộ thực vật và động vật đều di chuyển về nơi có nhiệt độ lạnh hơn. Một số loài đi theo lượng mưa hoặc cạnh tranh với các loài khác.
| |
Sự tồn tại của một số khu rừng phụ thuộc vào động vật hoang dã |
Nhiều nhà khoa học tin rằng sự dịch chuyển này là biểu hiện của sức chống chịu. Tuy nhiên, khi nhiều động vật biến mất hơn, thực vật sẽ khó tồn tại hơn trong điều kiện khí hậu thay đổi. Thật vậy, các nhà nghiên cứu ước tính rằng khi so với một thế giới mà các loài chim và động vật có vú chưa bị con người xóa sổ, ngày nay, chưa đến 60% hạt giống phát tán đủ xa để thích ứng với sự thay đổi khí hậu trên toàn cầu.
Nhà sinh thái học Rodolfo Dirzo của Đại học Stanford, người không tham gia nghiên cứu, cho biết đây là con số đáng kinh ngạc và chúng ta chỉ mới tính đến những động vật hoang dã bị con người làm hại. Theo nghiên cứu, nếu các loài chim và động vật có vú đang bị đe dọa tuyệt chủng biến mất, lượng hạt giống có khả năng di chuyển theo khí hậu sẽ giảm trung bình thêm 15%.
Điều gì xảy ra khi cây không thể di chuyển?
Thực vật giữ một lượng khí carbon dioxide có thể làm hành tinh ấm lên. Khi khí hậu quá khắc nghiệt, thực vật sẽ chết và điều đó có thể gây ra một chu kỳ nguy hiểm, giáo sư William Ripple tại Đại học bang Oregon, người không tham gia nghiên cứu, cho biết.
“Đây là một vòng lặp. Khi các hệ sinh thái tự nhiên bị phá vỡ, quá trình thu giữ carbon bị gián đoạn, dẫn đến biến đổi khí hậu nhiều hơn", ông Ripple nói. Điều này có thể khiến ngày càng nhiều thực vật chết đi, đặc biệt là những loài không còn nơi để dịch chuyển. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng nạn săn trộm cũng hạn chế sự phát triển của những cây lớn có khả năng tích trữ nhiều carbon. Những kẻ đi săn thường nhắm vào những động vật lớn có khả năng phát tán hạt giống lớn.
Sự biến mất của những loài cây lớn cũng ảnh hưởng đến khả năng chống chịu của hệ sinh thái. Trưởng nhóm nghiên cứu Fricke cho biết những khu rừng không có động vật sẽ khó phục hồi sau những lần xáo trộn như một cái cây lớn chết đi.