Nguồn gốc của sự sống vẫn là một trong những bí ẩn khoa học hấp dẫn nhất. Các lý thuyết chính thống hiện nay cho rằng sự sống xuất hiện trong lịch sử sớm của trái đất thông qua một loạt các phản ứng hóa học tự phát.

Quá trình này có thể bắt đầu từ các phân tử vô cơ hình thành nên các hợp chất hữu cơ đơn giản như axit amin, lipid và đường.

Sau đó, các phân tử hữu cơ nhỏ này kết hợp để tạo ra các hợp chất hữu cơ lớn hơn, cuối cùng tập hợp thành các dạng sống nguyên thủy đầu tiên. Một bước quan trọng trong quá trình này—sự hình thành tự phát của các phân tử hữu cơ từ các chất vô cơ—đã được chứng minh nổi tiếng qua thí nghiệm Miller-Urey.

Lỗ thông thủy nhiệt: Cái nơi của sự sống?

Phần lớn các nhà khoa học tin rằng những phản ứng hóa học này diễn ra gần các hệ thống thủy nhiệt dưới đáy biển, thường được gọi là "ống khói đen" hoặc "ống khói trắng". Các hệ thống này, nằm dọc theo các sống núi giữa đại dương, là kết quả của hoạt động địa chất, nơi nước siêu nóng giàu khoáng chất phun trào từ các khe nứt núi lửa và gặp nước biển lạnh, tạo ra các cột khoáng chất ấn tượng. Dòng nước phun ra chứa lưu huỳnh và các hóa chất khác có thể cung cấp vật liệu và năng lượng cần thiết cho các phản ứng hình thành sự sống sớm. Điều này khiến các miệng phun thủy nhiệt trở thành một trong những môi trường khả thi nhất cho nguồn gốc sự sống, mang lại điều kiện tương tự như Trái Đất thời kỳ sơ khai.

Khám phá quá trình chuyển đổi từ vô cơ sang hữu cơ

Mặc dù các hệ thống thủy nhiệt được coi là chiếc nôi tiềm năng của sự sống, nhưng làm thế nào các phân tử vô cơ chuyển hóa thành hữu cơ trong môi trường này vẫn chưa rõ ràng. Một bước đột phá gần đây đã xảy ra khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra các vật liệu hữu cơ có kích thước siêu nhỏ, không có nguồn gốc sinh học, bên trong lớp vỏ địa tầng của sống núi Tây Nam Ấn Độ Dương. Phát hiện này mang lại những hiểu biết mới về cách các chất vô cơ có thể chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ.

Phân biệt nguồn gốc sinh học và phi sinh học

Vật chất hữu cơ phi sinh học là những hợp chất được hình thành mà không có sự tham gia của sinh vật sống, thường thông qua các phản ứng hóa học ở nhiệt độ và áp suất cao. Vì vật chất hữu cơ từ sinh vật sống rất phổ biến trên Trái Đất, việc phân biệt giữa hai loại này là một nhiệm vụ quan trọng nhưng đầy thách thức.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phân tích mẫu đá bazan được thu thập bởi tàu lặn có người lái Deep Sea Warrior trong chuyến thám hiểm TS-10. Môi trường dưới đáy biển là nơi lý tưởng cho những nghiên cứu này vì chúng giống với điều kiện sơ khai của Trái Đất và ít bị ô nhiễm bởi các yếu tố sinh học hiện đại. Bằng cách kiểm tra các nhóm chức năng—những cụm nguyên tử phản ứng trong phân tử—trong các mẫu này, các nhà khoa học đã xác nhận rằng vật chất hữu cơ không phải là sản phẩm của các quá trình sinh học. Các nhóm chức năng này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hành vi và tương tác của phân tử, cho phép các phản ứng sinh hóa phức tạp cần thiết cho sự sống. Nhờ các dấu hiệu hóa học này, các nhà nghiên cứu có thể xác định nguồn gốc phi sinh học của các hợp chất hữu cơ.

Quá trình hình thành: Vai trò của Goethite

Sau khi loại trừ các nguồn gốc sinh học, trọng tâm nghiên cứu chuyển sang cách các hợp chất hữu cơ này hình thành. Sử dụng các kỹ thuật phân tích tiên tiến, bao gồm kính hiển vi điện tử, phổ khối thứ cấp thời gian bay, và quang phổ hồng ngoại quang nhiệt nano, kết hợp với các tính toán lý thuyết chức năng mật độ (DFT), các nhà khoa học phát hiện ra sự liên hệ không gian chặt chẽ giữa vật chất hữu cơ và goethite, một sản phẩm của phản ứng giữa đá và nước.

Các nguyên tử sắt trong goethite có thể hấp thụ carbon dioxide, và các nhóm hydroxyl (-OH) xung quanh tạo điều kiện cho các phản ứng hydro hóa, kích hoạt carbon dioxide. Sự kích hoạt này cho phép các chuỗi carbon kéo dài, dẫn đến sự hình thành các hợp chất hữu cơ được quan sát thấy. Nói cách khác, goethite hoạt động như một chất xúc tác tự nhiên, biến đổi các phân tử vô cơ thành các tiền chất hữu cơ.

Một công thức nấu ăn không cần đầu bếp

Bằng cách kết hợp phân tích vi mô chính xác cao với mô hình hóa tính toán, các nhà nghiên cứu đã tái hiện cách "nhà bếp" của hệ thống thủy nhiệt sâu dưới đáy biển có thể tạo ra "món ăn" là vật chất hữu cơ mà không cần "đầu bếp" (sinh vật sống). Nghiên cứu này không chỉ làm sáng tỏ nguồn gốc sự sống trên Trái Đất mà còn cung cấp một khuôn mẫu để tìm kiếm sự sống trên các hành tinh và thiên thể khác.

Ý nghĩa đối với Sinh học vũ trụ

Phát hiện này mang lại những manh mối giá trị để xác định sự sống ngoài trái đất. Bằng cách hiểu cách vật chất hữu cơ có thể hình thành mà không có sự sống, các nhà khoa học giờ đây có một khuôn khổ mới để khám phá các môi trường ngoài hành tinh. Điều này mở ra cơ hội để giải mã các nguyên tắc phổ quát đằng sau sự xuất hiện của sự sống.

Nỗ lực hợp tác

Nghiên cứu đột phá này được thực hiện bởi Tiến sĩ Nan Jingbo thuộc Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh, Tiến sĩ Peng Xiaotong thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Biển sâu, cùng các cộng tác viên từ Đại học Utrecht, Hà Lan. Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Quốc gia trọng điểm của Trung Quốc, Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu và Tổ chức Nghiên cứu Khoa học Hà Lan (NWO). Sự hợp tác liên ngành này kết nối quá khứ của Trái Đất với những bí ẩn của vũ trụ, đưa nhân loại tiến gần hơn đến câu trả lời cho một trong những câu hỏi sâu sắc nhất của sự tồn tại.