Thiên thạch mầm

Thiên thạch mầm (Panspermia) là giả thuyết cho rằng sự sống tồn tại khắp vũ trụ, được phân bổ bởi các thiên thạch, tiểu hành tinh, sao chổi[130] và các hành tinh.[131]

Giả thuyết panspermia không cố gắng giải thích sự sống có nguồn gốc đầu tiên như thế nào mà chỉ đơn thuần là dịch chuyển nguồn gốc đến một hành tinh khác hoặc một sao chổi. Lợi thế của sự sống nguyên thủy có nguồn gốc ngoài Trái Đất là sự sống không bắt buộc phải hình thành trên mỗi hành tinh mà nó xuất hiện, mà là ở một vị trí duy nhất, và sau đó lan tỏa về thiên hà đến các hệ sao khác thông qua va chạm của sao chổi hoặc thiên thạch.[132] Bằng chứng cho giả thuyết panspermia là rất ít, nhưng nó tìm thấy một số hỗ trợ trong các nghiên cứu về các thiên thạch trên Sao Hỏa được tìm thấy ở Nam Cực và trong các nghiên cứu về sự sống tồn của vi khuẩn ái cực trong các thử nghiệm ngoài không gian.[133][134][135][136]

Vào tháng 8 năm 2020, các nhà khoa học báo cáo rằng vi khuẩn từ Trái Đất, đặc biệt là Deinococcus radiodurans, có khả năng đề kháng cao với các mối nguy môi trường, được phát hiện có thể sống sót trong ba năm ngoài không gian, dựa trên các nghiên cứu được thực hiện trên Trạm vũ trụ quốc tế.[137][138]

Nguồn gốc của sự sống xuất hiện ngay sau vụ nổ Big Bang và đã lan rộng toàn bộ Vũ trụ

Một suy đoán cực đoan là quá trình sinh hóa của sự sống có thể đã bắt đầu sớm nhất là 17 My (triệu năm) sau vụ nổ Big Bang, trong một kỷ nguyên có thể sinh sống được, và sự sống có thể tồn tại khắp vũ trụ.[139][140]

Thiên thạch mầm mang sự sống từ Sao Hỏa đến Trái Đất

Carl Zimmer đã suy đoán rằng các điều kiện hóa học, bao gồm sự hiện diện của boron, molypden và oxy cần thiết cho quá trình sản xuất RNA ban đầu, có thể tốt hơn trên Sao Hỏa sơ khai so với trên Trái Đất sơ khai.[141][142][143] Nếu vậy, các phân tử phù hợp với sự sống có nguồn gốc trên Sao Hỏa sau này có thể đã di cư đến Trái Đất thông qua các vụ va chạm sao băng.

Thế hệ tự phát sinh

Sự chấp nhận chung của thế hệ tự phát sinh cho đến thế kỷ 19

Tôn giáo truyền thống quy nguồn gốc của sự sống cho các vị thần siêu nhiên, những người đã tạo ra thế giới tự nhiên. Thế hệ tự phát sinh (Spontaneous generation) hay còn gọi là tự sinh luận, lý thuyết tự nhiên đầu tiên về sự sống phát sinh từ phi sự sống, có nguồn gốc từ Aristotle và triết học Hy Lạp cổ đại, và tiếp tục được học thuật phương Tây ủng hộ cho đến thế kỷ 19.[144] Các quan niệm cổ điển về thế hệ tự sinh cho rằng một số động vật “thấp hơn” hoặc “sâu bọ” được tạo ra bởi các chất hữu cơ đang phân hủy. Theo Aristotle, có thể dễ dàng quan sát thấy rệp phát sinh từ sương đọng trên thực vật, ruồi từ chất bẩn, chuột từ cỏ khô bẩn, cá sấu từ các khúc gỗ trũng thối rữa, v.v.[145] Một lý thuyết liên quan là dị phát sinh: rằng một số dạng sống có thể phát sinh từ các dạng khác nhau (ví dụ như ong từ hoa).[146] Nhà khoa học hiện đại John Bernal nói rằng ý tưởng cơ bản của những lý thuyết như vậy là sự sống liên tục được tạo ra do các sự kiện tình cờ.[147]

Vào thế kỷ 17, người ta bắt đầu đặt câu hỏi về những giả thiết như vậy. Năm 1646, Thomas Browne đã xuất bản Pseudodoxia Epidemica của mình (có tiểu đề là Các câu hỏi về Rất nhiều giáo điều được nhìn nhận, và các Giả định Sự thật), đây là một cuộc tấn công vào những niềm tin sai lầm và "lỗi thông tục". Người đương thời của ông, Alexander Ross, đã bác bỏ ông một cách sai lầm, nói rõ:

Đặt câu hỏi về điều này [tự sinh luận], là đặt câu hỏi về Lý trí, Giác quan và Kinh nghiệm: Nếu ông ta nghi ngờ về điều này, hãy để ông ta đi đến Ægypt, và ở đó ông ta sẽ thấy những cánh đồng đầy những con chuột sinh ra từ bùn của Nylus, thảm họa to lớn cho cư dân nơi đây.[148][149]

Năm 1665, Robert Hooke công bố những bản vẽ đầu tiên của vi sinh vật. Hooke được tiếp nối công trình bởi Antonie van Leeuwenhoek vào năm 1676, người đã vẽ và mô tả các vi sinh vật mà ngày nay được gọi là động vật nguyên sinh và vi khuẩn.[150] Nhiều người cho rằng sự tồn tại của vi sinh vật là bằng chứng ủng hộ thế hệ tự phát sinh, vì vi sinh vật dường như quá đơn giản đối với sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính thông qua phân chia tế bào vẫn chưa được quan sát thấy. Van Leeuwenhoek đã đặt vấn đề với những ý tưởng phổ biến vào thời điểm đó rằng bọ chét và rận có thể tự phát sinh ra từ sự thối rữa, và những con ếch cũng có thể phát sinh từ chất nhờn. Sử dụng một loạt các thí nghiệm từ ủ thịt kín và hở và nghiên cứu kỹ lưỡng về sự sinh sản của côn trùng, vào những năm 1680, ông đã tin rằng thế hệ tự phát sinh là không chính xác.[151]

Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên chống lại tự sinh luận được đưa ra vào năm 1668 khi Francesco Redi cho thấy rằng không có giòi xuất hiện trong thịt khi ruồi bị ngăn chặn đẻ trứng. Người ta dần dần chỉ ra rằng, ít nhất là trong trường hợp của tất cả các sinh vật cao hơn và dễ nhìn thấy, quan điểm trước đây về sự tự phát sinh là sai. Giả thuyết thay thế là sự phát sinh sinh học (biogenesis): rằng mọi sinh vật đều xuất phát từ một sinh vật sống đã có từ trước (omne vivum ex ovo, tiếng Latinh có nghĩa là "mọi sinh vật sống từ một quả trứng").[152] Năm 1768, Lazzaro Spallanzani chứng minh rằng vi khuẩn có trong không khí và có thể bị giết chết bằng cách đun sôi. Năm 1861, Louis Pasteur thực hiện một loạt thí nghiệm chứng minh rằng các sinh vật như vi khuẩn và nấm không tự phát xuất hiện trong môi trường vô trùng, giàu chất dinh dưỡng, mà chỉ có thể xuất hiện bằng cách xâm nhập từ bên ngoài.

Thế hệ tự phát sinh bị xem xét bác bỏ vào thế kỷ 19

Vào giữa thế kỷ 19, quá trình phát sinh sinh học (biogenesis) đã tích lũy được rất nhiều bằng chứng hỗ trợ cho thấy rằng thế hệ tự phát sinh là cần bị bác bỏ. Pasteur nhận xét về một phát hiện của ông vào năm 1864 mà ông coi là dứt khoát,

Thế hệ tự phát sẽ không bao giờ phục hồi sau đòn chí mạng do thí nghiệm đơn giản này giáng xuống.

đã đưa ra một cơ chế mà sự sống đa dạng hóa từ một vài sinh vật đơn giản đến nhiều dạng phức tạp. Ngày nay, các nhà khoa học đồng ý rằng tất cả sự sống hiện tại đều có nguồn gốc từ sự sống trước đó, trở nên phức tạp và đa dạng hơn thông qua cơ chế tiến hóa của Charles Darwin bằng chọn lọc tự nhiên. Darwin đã viết thư cho JD Hooker vào ngày 29 tháng 3 năm 1863 nói rằng,

Nó chỉ là thứ rác rưởi, nghĩ về nguồn gốc của sự sống hiện tại; người ta cũng có thể nghĩ về nguồn gốc của vật chất.

Trong Nguồn gốc của các loài, ông đã nói đến sự sống đã được "tạo ra", theo ông "thực sự có nghĩa là" xuất hiện "bởi một quá trình hoàn toàn không được biết đến", nhưng ông đã nhanh chóng hối hận khi sử dụng thuật ngữ "tạo ra" (creation) trong Cựu Ước. Darwin, Charles (29 tháng 3 năm 1863). “To J.D. Hooker [29 March 1863]”. Darwin Correspondance Project. University of Cambridge. Truy cập ngày 21 tháng 6 năm 2021.

Từ nguyên của phát sinh sinh học (biogenesis) và phát sinh phi sinh học (abiogenesis)

Thuật ngữ phát sinh sinh học thường được ghi cho Henry Bastian hoặc Thomas Huxley.[153] Bastian đã sử dụng thuật ngữ này vào khoảng năm 1869 trong một cuộc trao đổi chưa được công bố với John Tyndall có nghĩa là "sự khởi đầu hay nguồn gốc của sự sống". Năm 1870, Huxley, với tư cách là chủ tịch mới của Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Anh, đã đưa ra một bài diễn văn mang tên Biogenesis and Abiogenesis.[154] Trong đó, ông đưa ra thuật ngữ phát sinh sinh học (có nghĩa trái ngược với Bastian) cũng như phát sinh phi sinh học:

Và do đó, giả thuyết rằng vật chất sống luôn luôn sinh ra dựa trên cơ sở của vật chất sống đã có từ trước, đã có hình dạng xác định; và do đó, có quyền được xem xét và yêu cầu bị bác bỏ, trong từng trường hợp cụ thể, trước khi các nhà lý luận cẩn thận thừa nhận việc tạo ra vật chất sống theo bất kỳ cách nào khác. Nó sẽ là cần thiết cho tôi để tham khảo giả thuyết này vì vậy thường xuyên, do đó, để tiết kiệm lời nói dài dòng, tôi sẽ gọi nó là giả thuyết của biogenesis; và tôi sẽ gọi là học thuyết trái ngược – rằng vật chất sống có thể được tạo ra bởi vật chất không sống – giả thuyết về Abiogenesis.[155]

Sau đó, trong lời tựa của cuốn sách năm 1871 của Bastian, Các phương thức nguồn gốc của các sinh vật thấp nhất,[156] Bastian đề cập đến sự nhầm lẫn có thể xảy ra với cách sử dụng của Huxley và dứt khoát từ bỏ ý nghĩa của riêng mình:

Một lời giải thích có vẻ cần thiết đối với sự ra đời của thuật ngữ mới Archebiosis. Ban đầu, trong các bài viết chưa được xuất bản, tôi đã sử dụng từ Biogenesis để diễn đạt cùng một ý nghĩa—viz., Nguồn gốc-sự sống hay sự bắt đầu. Nhưng trong khi đó, từ Biogenesis đã được sử dụng một cách khá độc lập bởi một nhà sinh vật học nổi tiếng [Huxley], người đã muốn biến nó thành một ý nghĩa hoàn toàn khác. Ông cũng giới thiệu từ Abiogenesis. Tuy nhiên, tôi đã được thông báo cho người có thẩm quyền tốt nhất rằng cả hai từ này đều không thể—đối với bất kỳ ngôn ngữ nào mà chúng được tạo ra—được cho là mang những ý nghĩa đã được gán cho chúng một cách công khai. Do đó, với mong muốn tránh mọi sự nhầm lẫn không cần thiết, tôi đã từ bỏ việc sử dụng từ Biogenesis, và vì lý do vừa đưa ra, không thể sử dụng thuật ngữ khác, tôi buộc phải giới thiệu một từ mới, để chỉ định quá trình theo đó vật chất sống được cho là ra đời, độc lập với vật chất sống đã có từ trước.[157]

Kể từ cuối thế kỷ 19, 'sự phát sinh phi sinh học tiến hóa' có nghĩa là sự gia tăng sự phức tạp và sự tiến hóa của vật chất từ trạng thái trơ sang trạng thái sống.[158]

Oparin: Giả thuyết xúp nguyên thủy

Không có một mô hình nào được chấp nhận rộng rãi cho nguồn gốc của sự sống. Các nhà khoa học đã đưa ra một số giả thuyết hợp lý có chung một số yếu tố. Mặc dù khác nhau về các chi tiết, nhưng những giả thuyết này dựa trên cơ sở được đưa ra bởi Alexander Oparin (năm 1924) và John Haldane (năm 1925), rằng các phân tử đầu tiên cấu thành các tế bào sớm nhất

...được tổng hợp trong điều kiện tự nhiên bằng một quá trình tiến hóa phân tử chậm, và các phân tử này sau đó được tổ chức thành hệ thống phân tử đầu tiên với các đặc tính có trật tự sinh học ".[159]

Oparin và Haldane cho rằng bầu khí quyển của Trái Đất sơ khai có thể đã bị khử hóa học trong tự nhiên, thành phần chủ yếu là methan (CH4), amoniac (NH3), nước (H2O), hydro sulfide (H2S), carbon đioxit (CO2) hoặc carbon monoxit (CO) và photphat (PO43−), với oxy phân tử (O2) và ozon (O3) hiếm hoặc không có. Theo các mô hình sau này, bầu khí quyển vào cuối thời kỳ Hadean bao gồm phần lớn nitơ (N2) và carbon dioxide, với một lượng nhỏ hơn các hợp chất carbon monoxide, hydro (H2) và lưu huỳnh;[160] trong khi nó thiếu phân tử ôxy và ôzôn,[161] nó không có tính khử hóa học như Oparin và Haldane dự đoán.

Không có nghiên cứu hoặc giả thuyết mới đáng chú ý nào về chủ đề này xuất hiện cho đến năm 1924, khi Oparin lý luận rằng oxy trong khí quyển ngăn cản quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ nhất định là những viên gạch cần thiết cho sự sống. Trong cuốn sách Nguồn gốc của sự sống,[162][163] ông đề xuất (lặp lại theo Darwin) rằng "tự sinh luận" đã bị Pasteur tấn công, trên thực tế, đã xảy ra một lần, nhưng bây giờ là không thể vì các điều kiện được tìm thấy trên Trái Đất sơ khai đã biến đổi, và các sinh vật tồn tại trước đó sẽ ngay lập tức tiêu thụ bất kỳ sinh vật nào được tạo ra một cách tự nhiên. Oparin lập luận rằng một "nồi xúp nguyên thủy" gồm các phân tử hữu cơ có thể được tạo ra trong một bầu khí quyển không có oxy thông qua tác động của ánh sáng mặt trời. Những thứ này sẽ kết hợp theo những cách phức tạp hơn bao giờ hết cho đến khi chúng tạo ra giọt coacervate. Những giọt này sẽ "phát triển" bằng cách hợp nhất với các giọt khác, và "sinh sản" thông qua phân tách thành các giọt con, và do đó có một quá trình trao đổi chất nguyên thủy, trong đó các yếu tố thúc đẩy "tính toàn vẹn của tế bào" để sinh tồn, và những yếu tố để không bị tuyệt chủng. Nhiều lý thuyết hiện đại về nguồn gốc của sự sống vẫn lấy ý tưởng của Oparin làm điểm xuất phát.

Vào khoảng thời gian này, Haldane cho rằng các đại dương tiền sinh học của Trái Đất (hoàn toàn khác với các đại dương hiện đại của chúng) sẽ hình thành một "xúp loãng nóng" trong đó các hợp chất hữu cơ có thể hình thành. Bernal gọi ý tưởng này là tạo sinh hay tạo sinh học, quá trình vật chất sống tiến hóa từ các phân tử tự tái tạo nhưng không sống,[164][165] và đề xuất rằng quá trình tạo sinh học trải qua một số giai đoạn trung gian.

Robert Shapiro đã tóm tắt lý thuyết "xúp nguyên thủy" của Oparin và Haldane ở "dạng hoàn chỉnh" của nó như sau:[166]

1. Trái Đất thuở sơ khai có một bầu khí quyển mang tính khử về mặt hóa học.
2. Trong bầu khí quyển này, sự tương tác giữa các chất đã phát xuất năng lượng dưới nhiều dạng khác nhau, sản sinh ra những hợp chất hữu cơ đơn giản (như các "đơn phân (monomer)").
3. Những hợp chất này được tích lũy dần dần thành một "nồi xúp" đậm đặc, tập trung tại nhiều địa điểm khác nhau (như bờ biển, miệng phun đại dương, v.v...)
4. Và bằng những biến đổi xa hơn nữa, nhiều hợp chất polymer hữu cơ phức tạp – và cả sự sống – đã phát triển từ nồi xúp này.

John Bernal

John Bernal đã chỉ ra rằng dựa trên nghiên cứu này và các nghiên cứu tiếp theo, về nguyên tắc không có khó khăn gì trong việc hình thành hầu hết các phân tử mà chúng ta công nhận là các phân tử cần thiết cho sự sống từ các tiền chất vô cơ của chúng. Ví dụ, giả thuyết cơ bản do Oparin, Haldane, Bernal, Miller và Urey đưa ra là nhiều điều kiện trên Trái Đất nguyên sinh tạo thuận lợi cho các phản ứng hóa học tổng hợp cùng một tập hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp từ các tiền chất đơn giản như vậy. Bernal đặt ra thuật ngữ tạo sinh vào năm 1949 để chỉ nguồn gốc của sự sống.[167] Năm 1967, ông gợi ý rằng nó xảy ra trong ba "giai đoạn":

1. nguồn gốc của monomer sinh học
2. nguồn gốc của polymer sinh học
3. sự tiến hóa từ phân tử thành tế bào

Bernal cho rằng quá trình tiến hóa bắt đầu từ giai đoạn 1 đến 2. Bernal coi giai đoạn thứ ba, trong đó các phản ứng sinh học được kết hợp phía sau ranh giới của tế bào, là khó khăn nhất. Nghiên cứu hiện đại về cách màng tế bào tự lắp ráp và nghiên cứu trên các vi hạt trong các chất nền khác nhau, có thể là một bước quan trọng để hiểu được sự phát triển của các tế bào sống tự do độc lập.[168][169][170]

Thí nghiệm Miller–Urey

Một trong những thực nghiệm hỗ trợ quan trọng nhất cho lý thuyết "xúp" được đưa ra vào năm 1952. Stanley Miller và Harold Urey đã thực hiện một thí nghiệm chứng minh cách các phân tử hữu cơ có thể hình thành một cách tự nhiên từ các tiền chất vô cơ trong các điều kiện như giả thuyết Oparin-Haldane đặt ra. Thí nghiệm Miller–Urey nổi tiếng hiện nay đã sử dụng một hỗn hợp khí có tính khử mạnh—metan, amoniac và hydro, cũng như hơi nước—để tạo thành các monomer hữu cơ đơn giản như amino acid.[171] Hỗn hợp khí được tuần hoàn qua một thiết bị cung cấp tia lửa điện cho hỗn hợp. Sau một tuần, người ta nhận thấy rằng khoảng 10% đến 15% carbon trong hệ thống khi đó ở dạng hỗn hợp racemic của các hợp chất hữu cơ, bao gồm các amino acid, là thành phần cấu tạo của protein. Điều này cung cấp hỗ trợ thực nghiệm trực tiếp cho điểm thứ hai của lý thuyết "xúp", và xung quanh hai điểm còn lại của lý thuyết là tâm điểm của phần lớn cuộc tranh luận hiện nay. Một cuộc phân tích lại năm 2011 các lọ đã lưu có chứa các chất chiết xuất ban đầu là kết quả của các thí nghiệm Miller và Urey, sử dụng thiết bị và công nghệ phân tích hiện tại và tiên tiến hơn, đã phát hiện ra nhiều chất hóa sinh hơn so với phát hiện ban đầu vào những năm 1950. Một trong những phát hiện quan trọng hơn là 23 amino acid, nhiều hơn so với năm loại được tìm thấy ban đầu.[172]

Vào tháng 11 năm 2020, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã báo cáo các nghiên cứu cho thấy bầu khí quyển nguyên sinh của Trái Đất khác nhiều so với các điều kiện được sử dụng trong các nghiên cứu của Miller-Urey.[173] Được chỉ ra là kết quả với sự tuôn trào khí cho nguồn gốc của sự sống trong khí quyển sơ cấp và thủy quyển.[174]