Thực đơn
Phát sinh phi sinh học
Có tới 123 định nghĩa về sự sống đã được biên soạn.[44]
Định nghĩa về sự sống có phần bất đồng với nhau; sách giáo khoa sinh học khác nhau định nghĩa sự sống khác nhau. James Gould ghi chú:
Hầu hết các từ điển đều định nghĩa sự sống là đặc tính phân biệt thực thể sống với thực thể chết, và định nghĩa thực thể chết là bị tước đoạt sự sống. Những định nghĩa kỳ lạ và không thỏa đáng này không cho chúng ta manh mối nào về những điểm chung của chúng ta với động vật nguyên sinh và thực vật.[45]
Neil Campbell và Jane Reece đã viết:
Hiện tượng mà chúng ta gọi là “sự sống” đã đưa ra một thách thức đơn giản, một câu định nghĩa chính bản thân nó.[46]
Sự khác biệt này cũng có thể được tìm thấy trong các cuốn sách về nguồn gốc của sự sống. John Casti đưa ra một câu định nghĩa:
Ngày nay, một thực thể được coi là "sống" nếu nó có khả năng thực hiện ba chức năng cơ bản: trao đổi chất, tự sửa chữa và tự nhân bản.[47]
Ngược lại, Dirk Schulze–Makuch và Louis Irwin dành toàn bộ chương đầu tiên của cuốn sách của họ để thảo luận về định nghĩa sự sống.[48]
Tuy nhiên, NASA hiện đang ưa chuộng một định nghĩa về sự sống là “một hệ thống hóa học tự duy trì có khả năng tiến hóa theo thuyết Darwin.”[49][50][51][52] Nói một cách đơn giản hơn, sự sống là, "vật chất có thể tự sinh sản và tiến hóa theo quy luật sinh tồn".[53][54][55]
Albert Lehninger đã tuyên bố vào khoảng năm 1970 rằng quá trình lên men, bao gồm quá trình đường phân, là một nguồn năng lượng nguyên thủy thích hợp cho nguồn gốc của sự sống.[56]
Vì các sinh vật sống có thể phát sinh lần đầu tiên trong môi trường thiếu oxy, nên quá trình lên men kỵ khí là loại cơ chế sinh học đơn giản nhất và nguyên thủy nhất để lấy năng lượng từ các phân tử chất dinh dưỡng..
Quá trình lên men bao gồm quá trình đường phân, chuyển hóa năng lượng của đường thành năng lượng hóa học ATP.
Vì quá trình lên men đã được làm sáng tỏ vào khoảng năm 1970, trong khi cơ chế của quá trình oxy hóa phosphoryl thì không dẫn đến một số tranh cãi vẫn còn tồn tại, và các quá trình khác ngoài quá trình lên men có thể quá phức tạp vào thời điểm đó. Tuy nhiên, quá trình hóa thẩm của Peter Mitchell hiện nay được chấp nhận rộng rãi là chính xác.Ngay cả bản thân Peter Mitchell cũng cho rằng quá trình lên men có trước quá trình hóa thẩm. Tuy nhiên, hóa thẩm có mặt ở khắp nơi trong cuộc sống. Một mô hình cho nguồn gốc của sự sống đã được trình bày dưới dạng hóa thẩm.[57][58]
Cả quá trình hô hấp của ti thể và quang hợp trong lục lạp đều sử dụng quá trình hóa thẩm để tạo ra hầu hết ATP của chúng.
Ngày nay, các nguồn năng lượng của hầu hết mọi sự sống đều có thể liên quan đến quá trình quang hợp, và nó được gọi là quá trình sản xuất sơ cấp nhờ ánh sáng mặt trời. Oxy cung cấp năng lượng cho các sinh vật[59] mà oxi hóa H2 or H2S tại các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy đại dương là kết quả của quá trình quang hợp ở bề mặt đại dương.
Cơ chế tổng hợp ATP rất phức tạp và liên quan đến một màng kín, trong đó ATP synthase được gắn vào. ATP được tổng hợp bởi tiểu đơn vị F1 của ATP synthase bằng cơ chế gắn thay đổi được phát hiện bởi Paul Boyer. Năng lượng cần thiết để giải phóng ATP liên kết mạnh được tạo thành có nguồn gốc từ các proton di chuyển qua màng. Các proton này đã được gắn trên màng trong quá trình hô hấp hoặc quang hợp.
Giả thuyết thế giới RNA mô tả một Trái Đất sơ khai có RNA tự nhân bản và xúc tác mà không cần sự có mặt của DNA hoặc protein.[61] Cộng đồng khoa học hiện tại chấp nhận rộng rãi rằng sự sống hiện tại trên Trái Đất bắt nguồn từ một thế giới RNA,[17][62][63] mặc dù sự sống dựa trên RNA có thể không phải là sự sống đầu tiên tồn tại.[18][19] Kết luận này được rút ra từ nhiều bằng chứng độc lập, chẳng hạn như các nhận xét rằng RNA là trung tâm của quá trình dịch mã và các RNA nhỏ có thể xúc tác cho tất cả các chất hóa học và di truyền thông tin cần thiết cho sự sống.[19][64] Cấu trúc của ribosome được gọi là "bằng chứng không thể chối cãi", vì nó cho thấy ribosome là một ribozyme, với lõi trung tâm là RNA và không có chuỗi amino acid nào có độ dài tới 18 Ångström (đường kính của một nguyên tử là cỡ 1 Angstrom) của khu vực hoạt động nơi hình thành liên kết peptide được xúc tác.[18][65] Tuy nhiên, vào tháng 3 năm 2021, các nhà nghiên cứu đã báo cáo bằng chứng cho thấy rằng một dạng RNA vận chuyển sơ cấp có thể là một phân tử tự nhân bản chính nó trong quá trình phát sinh rất sớm của sự sống.[66][67]
Khái niệm về thế giới RNA lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1962 bởi Alexander Rich,[68] và thuật ngữ này được đặt ra bởi Walter Gilbert vào năm 1986.[19][69]Vào tháng 3 năm 2020, nhà thiên văn học Tomonori Totani đã trình bày một phương pháp thống kê để giải thích cách một phân tử RNA ban đầu có thể được tạo ra một cách ngẫu nhiên trong vũ trụ kể từ vụ nổ Big Bang.[70][71]
Bắt đầu với công trình của Carl Woese, các nghiên cứu phân tử đã đặt tổ tiên chung toàn thể cuối cùng (LUCA) giữa Vi khuẩn và một nhánh được hình thành bởi cổ khuẩn và sinh vật nhân thực trong cây phát sinh loài của sự sống.[72][73] Một số ít các nghiên cứu đã đặt LUCA nằm trong Vi khuẩn, đề xuất rằng sinh vật nhân chuẩn là một trong những dẫn xuất của quá trình tiến hóa.[74] Thomas Cavalier–Smith đưa ra giả thuyết rằng ngành đa dạng về mặt kiểu hình Chloroflexi bao hàm cả LUCA.[75]
Năm 2005, Peter Ward đã đề xuất rằng RNA được tổng hợp bằng các yếu tố phi sinh học sẽ được bao bọc trong nang (capsule) và sau đó tạo ra RNA ribozyme nhân bản. Sau đó được phân tách giữa vực Ribosa (sự sống RNA), vực Viorea (Virus) và vực Terroa (sự sống tế bào), mà hàm chứa LUCA của các cây phát sinh loài trước đó.[76]
Vào năm 2016, một tập hợp 355 gen có khả năng tồn tại trong Tổ tiên chung toàn thể cuối cùng (LUCA) của tất cả sinh vật sống trên Trái Đất đã được xác định.[77] Tổng cộng có 6,1 triệu gen nhân sơ từ Vi khuẩn và Cổ khuẩn đã được giải trình tự, xác định 355 cụm protein trong số 286.514 cụm protein có lẽ là xuất phát từ LUCA. Kết quả cho thấy LUCA là sinh vật yếm khí chuyển hóa bằng con đường Wood–Ljungdahl, cố định nitơ và carbon, ưa nhiệt. Đồng yếu tố của nó gợi ý sự phụ thuộc nhiều nhất vào môi trường giàu hydro, carbon dioxide, sắt và kim loại chuyển tiếp. Mã di truyền của nó yêu cầu biến đổi nucleoside và methyl hóa. LUCA có khả năng sinh sống trong môi trường kỵ khí như lỗ thông hơi thủy nhiệt tại một môi trường hoạt địa hóa.[78][79]
Các tiền chất có thể cần cho quá trình tổng hợp protein bao gồm cơ chế tổng hợp các đồng yếu tố peptide ngắn hoặc hình thành cơ chế nhân đôi RNA. Có khả năng là ribosome của tổ tiên chúng ta được cấu tạo hoàn toàn từ RNA, mặc dù một số vai trò sau đó đã được protein đảm nhận thay. Các câu hỏi quan trọng còn lại về chủ đề này bao gồm xác định lực tác động của chọn lọc tự nhiên đối với sự tiến hóa của ribosome và xác định mã di truyền hình thành như thế nào.[80]
Eugene Koonin cho biết,
Bất chấp nỗ lực thực nghiệm và đặt ra các học thuyết đáng kể, không có kịch bản hấp dẫn nào hiện tồn tại giải thích cho nguồn gốc của quá trình sao chép và dịch mã, đây là các quá trình quan trọng cung cấp cốt lõi của các hệ thống sinh học và là điều kiện tiên quyết rõ ràng của sinh học tiến hóa. Khái niệm Thế giới RNA có thể mang lại cơ hội tốt nhất để giải quyết vấn đề hóc búa này nhưng cho đến nay vẫn chưa thể giải thích đầy đủ về sự xuất hiện của một hệ thống sao chép RNA hiệu quả hoặc hệ thống dịch mã. Cách giải thích của học thuyết “nhiều thế giới trong một”(many worlds in one) của mô hình lạm phát vĩnh cửu vũ trụ gợi ý cách thoát khỏi câu hỏi hóc búa này. Bởi vì, trong một đa vũ trụ vô hạn với một số lượng hữu hạn các lịch sử vĩ mô riêng biệt (mỗi cái lặp đi lặp lại vô số lần), sự xuất hiện của các hệ thống thậm chí rất phức tạp một cách tình cờ không chỉ có thể xảy ra mà còn là điều không thể tránh khỏi.[81]
Xem: Mã di truyền.
Hoffmann đã chỉ ra rằng một cỗ máy dịch thuật dễ mắc lỗi ban đầu có thể ổn định chống lại một loạt thảm họa lỗi thuộc loại từng được coi là có vấn đề về nguồn gốc sự sống, và được gọi là "nghịch lý của Orgel".[82][83][84]
Tính đồng nhất về đồng phân quang học đề cập đến sự đồng nhất về quang học của một số vật liệu được cấu tạo từ các đơn vị đồng phân quang học. Đồng phân quang học được xem là các dạng 3D không thể đồng nhất, là hình ảnh phản chiếu của nhau, cũng như tay trái và tay phải. Các sinh vật sống sử dụng các phân tử có cùng đồng phân quang học ("tính thuận tay"): hầu như không có ngoại lệ,[85] amino acid thuận tay trái trong khi nucleotide và đường thuận tay phải. Các phân tử cùng thuận tay có thể được tổng hợp, nhưng trong trường hợp không có nguồn cùng thuận tay hoặc chất xúc tác, chúng sẽ được tạo ra trong một hỗn hợp 50/50 của cả tay trái và tay phải đồng phân quang học (enantiomer)(được gọi là hỗn hợp racemic). Các cơ chế đã biết để sản xuất hỗn hợp không racemic từ nguyên liệu ban đầu racemic bao gồm: các quy luật vật lý bất đối xứng, chẳng hạn như tương tác điện yếu; môi trường không đối xứng, chẳng hạn như môi trường gây ra bởi ánh sáng phân cực tròn, tinh thể thạch anh hoặc chuyển động quay của Trái Đất, dao động thống kê trong quá trình tổng hợp racemic,[86] và phá vỡ đối xứng tự phát.[87][88][89]
Sau khi được tạo ra, tính đồng nhất về đồng phân quang học sẽ được lựa chọn.[90] Một sai lệch nhỏ (dư thừa đồng phân quang học) (thuận tay trái hay tay phải) trong quần thể có thể được khuếch đại thành một sai lệch lớn bằng sự xúc tác bất đối xứng (dẫn đến chỉ thuận một trong hai tay), chẳng hạn như trong Phản ứng Soai.[91] Trong quá trình tự xúc tác bất đối xứng, chất xúc tác là một phân tử đồng phân quang học, có nghĩa là một phân tử đồng phân quang học đang xúc tác quá trình sản xuất của chính nó. Một lượng dư đồng phân quang học ban đầu, chẳng hạn như có thể được tạo ra bởi ánh sáng phân cực, sau đó nhờ quá trình tự xúc tác sẽ trở nên dồi dào hơn cạnh tranh với chất đồng phân quang học không thuận tay với nó.[92]
Clark đã gợi ý rằng tính đồng nhất về đồng phân quang học có thể bắt nguồn từ ngoài không gian, vì các nghiên cứu về amino acid trên thiên thạch Murchison cho thấy L-alanine xuất hiện thường xuyên hơn gấp đôi dạng D của nó, và Axit L-glutamic phổ biến hơn ba lần so với dạng D của nó. Các bề mặt tinh thể bất đối xứng khác nhau cũng có thể hoạt động như các vị trí để có thể cô đặc và tổng hợp các đơn vị monomer cùng thuận tay thành các đại phân tử.[93][94] Các hợp chất được tìm thấy trên thiên thạch gợi ý rằng tính đồng nhất về đồng phân quang học của sự sống bắt nguồn từ sự tổng hợp phi sinh học, vì các amino acid từ thiên thạch cho thấy xu hướng thuận tay trái, trong khi đường cho thấy xu hướng thuận tay phải, giống như được tìm thấy trong các sinh vật sống.[95]
Thực đơn
Phát sinh phi sinh họcLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Phát sinh phi sinh học