Các nhà khoa học tái dựng "thí nghiệm của Thượng Đế", nơi các phân tử hữu cơ hỗ trợ sự sống đầu tiên hình thành

Năm 1952, một nhà hóa học người Mỹ tại Đại học Chicago tên là Stanley Miller và cố vấn của ông Harold Urey đã tiến hành một thí nghiệm nổi tiếng. Họ đã tạo ra một Trái Đất nguyên thủy trong ống nghiệm. Ở đó có nước biển bay hơi, các chất khí vô cơ mô phỏng khí quyển, dòng điện công suất cao mô phỏng sét và nhiệt độ lạnh để ngưng tụ ra những đám mây mưa.

Kết quả, Miller và Urey đã chứng minh được các tiền chất vô cơ đơn giản trong điều kiện này có thể được kết hợp để tạo ra một loạt phân tử hữu cơ phức tạp cần thiết cho sự sống. Chúng được gọi là quá trình abiogenesis và giả thuyết này được gọi là "nồi súp nguyên thủy", nơi lĩnh vực tiền sinh học đã được khai sinh từ hóa học vô cơ.

Bây giờ, một nhóm các nhà khoa học tại Italia và Tây Ban Nha đã tái dựng lại thí nghiệm của Miller và Urey và phát hiện ra thêm một yếu tố quan trọng mà bộ đôi nhà khoa học đã bỏ qua. Theo bài báo mới công bố trên tạp chí Scientific Reports, chính chiếc bình thủy tinh borosilicat mà Miller và Ure sử dụng cũng ảnh hưởng vô cùng lớn tới quá trình abiogenesis.

Vô tình, thành phần hóa học của thủy tinh cũng rất giống với thành phần hóa học của Trái Đất khi cả hai đều chứa một lượng lớn silicat. Vậy nên, Trái Đất của chúng ta hàng tỷ năm trước cũng giống như một ống nghiệm khổng lồ, trong thí nghiệm nơi Thượng Đế đã tạo ra tất cả sự sống trên hành tinh ngày hôm nay.

Bằng chứng là khi thay chiếc ống nghiệm thủy tinh bằng ống nghiệm teflon, các nhà khoa học nhận thấy quá trình abiogenesis đã không xảy ra như mong đợi của họ. Các tiền chất của sự sống vì vậy có thể đã được gieo lên nhiều hành tinh, nhưng chỉ có Trái Đất của chúng ta hội tụ đủ các yếu tố để hỗ trợ chúng phát triển.

Thí nghiệm Miller-Urey tái hiện cách sự sống khởi nguồn

Giả thuyết nồi súp nguyên thủy đưa chúng ta quay trở lại khoảng thời gian đầu thế kỷ 20, khi hai nhà khoa học Alexander Oparin và J.B.S. Haldane nghĩ rằng các điều kiện trên Trái Đất thời sơ khai có thể hỗ trợ quá trình tổng hợp phân tử hữu cơ phức tạp từ tiền chất vô cơ đơn giản.

Đầu tiên, chúng hỗ trợ cho sự ra đời của các axit amin. Sau đó, axit amin trở thành những viên gạch dựng lên các polyme phức tạp, tạo thành protein và nhiều thành phần sinh học khác. Để kiểm tra giả thuyết này, Miller đã thiết lập một hệ thống thí nghiệm mô phỏng lại các điều kiện mà Oparin và Haldane đã nhắc tới.

Ông bơm khí metan, amoniac và hydro bên trong một bình thủy tinh borosilicat 5 lít vô trùng. Cái bình này được nối với một bình dung tích 500 ml khác chứa đầy nước. Sau đó, Miller đun nóng nước, tạo ra hơi. Hơi nước này đi vào một bình lớn hơn chứa đầy hóa chất, tạo ra một bầu khí quyển nguyên thủy thu nhỏ.

Ngoài ra, Miller còn thiết lập hai điện cực cao tần có thể phóng điện sang nhau để mô phỏng các tia sét. Sau đó, toàn bộ bầu khí quyển thu nhỏ này sẽ được làm lạnh, làm cho hơi nước ngưng tụ lại thành mưa. Nước mưa được thu lại chi chúng chảy xuống một cái ống bẫy trũng nhất trong hệ thống.

Sau khi thí nghiệm diễn ra được một ngày, Miller thấy dung dịch ở dưới bẫy trũng chuyển sang màu hồng. Sau đó một tuần, nó chuyển sang màu đỏ đậm. Miller tháo bình đun sôi ra, thêm vào đó bari hydroxit và axit sulfuric để dừng phản ứng lại.

Kế đó, ông làm bay hơi dung dịch để loại bỏ tạp chất và kiểm tra những gì còn lại thông qua sắc ký giấy. Kết quả, Miller đã tìm được 5 axit amin trong số tổng cộng 20 axit amin tạo thành tất cả sự sống trên Trái Đất. Các thí nghiệm lặp lại sau đó thậm chí còn đẩy số lượng axit amin lên con số 11.

Miller mang kết quả này đưa cho Urey xem, ông đã cố vấn cho Miller xuất bản công trình nghiên cứu càng sớm càng tốt và họ đã công bố nó trên tạp chí Science vào năm 1953.

Miller và Urey đã không nhận ra họ thành công tới mức nào

Năm 2007, Stanley Miller qua đời. Trong khi hệ thống thí nghiệm của ông được trưng bày tại Bảo tàng Tự nhiên và Khoa học Denver từ năm 2013, một khoảng thời gian ngắn trước khi mất, Miller đã truyền lại tất cả bí quyết về thí nghiệm cũng như thiết bị ban đầu, mẫu phẩm hoàn thành cho một học trò tên là Jeffrey Bada, hiện đang làm việc tại Đại học San Diego.

Bada sau đó đã phân tích tất cả các mẫu phẩm mà thầy mình thu thập được từ các thí nghiệm nồi súp nguyên thủy bằng phương pháp sắc ký khí mới nhất. Chúng bao gồm mẫu cặn từ các hệ thống thí nghiệm được Miller thực hiện trong năm 1952. Điều này dẫn Bada tới một phát hiện kinh ngạc: Miller đã bỏ qua nhiều hợp chất mà sắc ký giấy trong thời của ông không thể phân tích ra được.

Trong một lần lặp lại thí nghiệm nồi súp nguyên thủy, Miller đã bổ sung vào mô hình của ông các điều kiện tương tự như của một vụ phun trào núi lửa giàu hơi nước. Bada và một số đồng nghiệp phân tích những sảm phẩm của thí nghiệm này và phát hiện nó chứa tới hơn 20 axit amin, 5 amin và một số phân tử hydroxyl hóa.

Do đó, họ nhận thấy các thí nghiệm ban đầu thậm chí còn thành công hơn cả những gì Miller và Urey nhận ra. Sau này, đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu cố gắng lặp lại thí nghiệm của bộ đôi nhà khoa học, nhưng họ cũng không đạt được tới kết quả tốt như vậy.

Joaquin Criado-Reyes, đồng tác giả nghiên cứu đến từ Đại học University of Granada ở Tây Ban Nha giải thích rằng có thể họ đã bỏ qua một yếu tố tiềm năng: vai trò của thủy tinh borosilicat, chất liệu làm nên những chiếc bình và ống nghiệm mà Miller đã sử dụng trong hệ thống của mình.

Criado-Reyes lưu ý rằng bầu khí quyển mô phỏng của Miller có tính kiềm cao, điều này sẽ làm cho silica bị hòa tan. "Do đó, chúng ta có thể mong đợi rằng khi nước kiềm tiếp xúc với thành bên trong của bình borosilicat, ngay cả thủy tinh gia cường cũng sẽ hòa tan một chút, giải phóng silic và các dấu vết của các oxit kim loại khác vào đó", nghiên cứu viết.

Trái Đất là một bình thí nghiệm khổng lồ hoàn hảo

Để kiểm tra giả thuyết của mình, Criado-Reyes và các đồng nghiệp tái tạo 3 phiên bản của thí nghiệm Miller-Urey, hầu hết sử dụng cùng một loại hóa chất và thiết bị. Một phiên bản sử dụng cùng loại bình borosilicat mà Miller đã sử dụng; một phiên bản khác sử dụng bình Teflon; và phiên bản thứ ba sử dụng bình Teflon với các mảnh borosilicat được nhúng trong nước.

Kết quả: các hợp chất hữu cơ được hình thành trong các thí nghiệm chỉ sử dụng bình Teflon ít hơn rất nhiều so với hai phiên bản còn lại. David Bressan, một nhà địa chất học cho biết:

"Miller và Urey đã sử dụng thiết bị làm từ thủy tinh borosilicat vì loại vật liệu chịu nhiệt đặc biệt này được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm hóa học trên toàn thế giới. Nhưng thí nghiệm mới cho thấy những vật liệu tương tự có thể đã đóng một vai trò quan trọng đối với nguồn gốc của sự sống trên Trái Đất.

Hơn 90% vỏ Trái Đất được tạo thành từ silicat, khoáng chất chủ yếu là SiO2. Sự phong hóa các khoáng chất silicat bởi khí quyển nguyên thủy ăn mòn và nước có thể đã tạo điều kiện thích hợp cho việc lắp ráp các khối xây dựng đầu tiên của sự sống trên Trái Đất".

Phát hiện này ủng hộ giả thuyết ban đầu của các tác giả. Sự ăn mòn trên bề mặt của thủy tinh (do nước nóng và xút lưu thông qua nó) đóng một vai trò quan trọng trong giả thuyết nồi súp nguyên thủy, vì điều này giải phóng các phân tử SiO2 vào dung dịch.

Sự có mặt của SiO2 hoạt động như một chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học giữa các nguyên tử nitơ, cacbon và hydro, cuối cùng tạo ra các phân tử hữu cơ.

Ngoài ra, các nhà khoa học còn phát hiện ra sự ăn mòn trên thủy tinh còn tạo ra hàng triệu vết rỗ nhỏ. Họ cho rằng những cái hố đó có thể đóng vai trò như những buồng phản ứng tí hon, làm tăng diện tích bề mặt và đồng thời cũng đẩy nhanh tốc độ hình thành các phân tử hữu cơ trong thí nghiệm.

Những kết quả này phù hợp với những phát hiện khác gần đây gợi ý gần đây rằng chính sự kết hợp của bầu khí quyển giảm, các cơn bão điện, bề mặt đá giàu silicat và nước lỏng đã dẫn đến nguồn gốc của sự sống. "Miller đã tái tạo lại bầu khí quyển và nước của Trái Đất nguyên thủy trong các thí nghiệm của mình", các nhà nghiên cứu viết. "Nhưng vai trò của những tảng đá đã bị che giấu trong các bức tường của lò phản ứng".

Bây giờ, tất cả chúng mới được hé lộ.

Thanh Long