Nhà sinh học Hungary tìm ra chìa khóa nguồn gốc sự sống

Theo National Geographic, phần lớn sự nghiệp của ông Ganti đều ở phía sau Bức màn Sắt đã chia rẽ châu Âu hàng chục năm, cản trở mọi quá trình trao đổi thông tin. Nếu giả thiết của ông Ganti được biết tới rộng rãi thời trước, ông giờ có thể được coi là một trong những nhà sinh học sáng tạo nhất thế kỷ 20. Đó là nhờ ông đã nghĩ ra một mô hình về sinh vật sống đơn giản nhất mà ông gọi là chemoton, từ đó dẫn tới một giải thích thú vị về cách sự sống bắt đầu trên Trái Đất.

Nguồn gốc sự sống là một trong những bí ẩn phức tạp nhất của khoa học. Có lẽ câu hỏi khó trả lời nhất về điều này chính là một câu hỏi rất đơn giản: Sinh vật đầu tiên là gì?

Nhà sinh học Eors Szathmary thuộc Trung tâm Nghiên cứu Sinh thái ở Tihany, Hungary nhận xét: “Tôi cho rằng Ganti đã suy nghĩ về những điều cơ bản của sự sống nhiều hơn bất kỳ ai tôi từng biết”.

Ngày nay, khoa học vẫn chưa có định nghĩa thống nhất về sự sống. Không mấy người biết rằng Ganti đã có một cách hiểu khác cách đây 20 năm. 

Khi còn trẻ, Ganti rất thích nghiên cứu về bản chất các vật thể sống. Ông đã học công nghệ hóa chất rồi trở thành nhà hóa sinh công nghiệp. Năm 1966, ông xuất bản cuốn sách về sinh học phân tử Forradalom az Élet Kutatásában (Nghiên cứu cách mạng sự sống). Đây là cuốn sách giáo khoa đại học phổ biến nhiều năm liền ở Hungary. Cuốn sách đặt ra câu hỏi liệu giới khoa học đã hiểu sự sống được tổ chức thế nào không, và kết luận là không.

Năm 1971, ông Ganti đã giải quyết vấn đề trong một cuốn sách mới Az Élet Princípiuma (Nguyên tắc sự sống). Chỉ được xuất bản bằng tiếng Hungary, cuốn sách có phiên bản đầu tiên của mô hình chemoton, theo đó mô tả điều ông coi là đơn vị cơ bản của sự sống. Tuy nhiên, mô hình đầu về sinh vật này không hoàn chỉnh và ông mất ba năm nữa để xuất bản cuốn sách mà hiện nay được coi là phiên bản cuối cùng.

Trên toàn cầu, năm 1971 là năm đặc biệt thành công với nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Ngoài công trình của Ganti, giới khoa học đưa ra hai mô hình giả thiết quan trọng. 

Mô hình đầu tiên là của nhà sinh học lý thuyết Mỹ Stuart Kauffman. Ông cho rằng sinh vật sống phải có khả năng tự sao chép. Nói về quá trình này trước khi tế bào hình thành, ông giải thích bằng việc kết hợp các hóa chất. Ông cho rằng hóa chất A thúc đẩy hình thành hóa chất B, rồi hóa chất B lại thúc đẩy hóa chất C hình thành, cứ như vậy cho tới khi có thứ gì đó trong chuỗi này tạo thành phiên bản mới của hóa chất A. Sau một vòng tuần hoàn, sẽ có hai bản sao của cùng bộ hóa chất. Ông cho rằng các nhóm hóa chất này có thể là nền tảng của sự sống đầu tiên.

Mô hình thứ hai là của nhà hóa học Đức Manfred Eigen. Ông mô tả chu trình hóa học mà một số hóa chất tự xúc tác kết hợp lại để hình thành hóa chất lớn hơn. Ý tưởng của Eigen có điểm khác biệt quan trọng: Trong chu trình hóa học, một số hóa chất là gien và do đó được cấu tạo từ ADN hoặc một số axit nucleic; còn một số hóa chất là protein được tạo ra theo yêu cầu dựa trên thông tin trong gien. Hệ thống này có thể tiến hóa dựa trên các thay đổi trong gien. Đây chính là chức năng mà mô hình của Kauffman còn thiếu.

Ganti tự mình tìm ra được khái niệm tương tự, nhưng ông còn đưa nó đi xa hơn. Ông cho rằng hai quy trình chủ chốt phải diễn ra trong mọi sinh vật sống. Đầu tiên, đó là nó phải xây dựng và duy trì cơ thể, tức là cần sự trao đổi chất. Thứ hai, nó cần có hệ thống lưu trữ thông tin, như gien, để có thể được sao chép và truyền cho thế hệ sau.

Phiên bản đầu tiên của mô hình này là hai bộ tự xúc tác có chức năng riêng biệt, được kết hợp thành một bộ tự xúc tác lớn hơn. Điều này không quá khác so với mô hình chu trình hóa học của Eigen. Tuy nhiên, năm sau đó, Ganti đã được một nhà báo chỉ ra lỗ hổng quan trọng trong phiên bản. Ganti giả định hai hệ thống này được hình thành dựa trên các hóa chất trôi nổi trong nước. Nhưng nếu để mặc như vậy, các hóa chất sẽ giạt khắp nơi và chemoton sẽ “chết”.

Giải pháp duy nhất là bổ sung một hệ thống thứ ba: hàng rào bên ngoài để chứa chúng. Trong tế bào sống, hàng rào này là lớp màng làm từ các hóa chất như mỡ, được gọi là lipid. Chemoton phải có hàng rào như vậy để giữ bản thân không bị phân tách. Ganti kết luận rằng chemoton phải tự xúc tác để có thể duy trì bản thân và phát triển. 

Theo khái niệm về sinh vật sống đơn giản nhất của Ganti, một chemoton đầy đủ gồm có gien, sự trao đổi chất và màng. Ba thứ này đều kết nối với nhau. 

Nhà sinh học tổng hợp Nediljko Budisa thuộc Đại học Manitoba ở Winnipeg (Canada) nhận xét: “Ông Ganti đã nắm bắt thực sự tốt về sự sống. Thông tin mang tính phát hiện”. Tuy nhiên, ông Budisa chỉ biết tới tác phẩm của Ganti vào năm 2005. Còn bên ngoài Đông Âu, sách này vẫn không được biết tới suốt hàng chục năm và chỉ có vài bản dịch tiếng Anh trên thị trường.

Khái niệm về chemoton bằng tiếng Anh có năm 1987 và chỉ được dịch sơ sài. Không mấy ai chú ý tới khái niệm đó. Về sau, nhà sinh học Eors Szathmary mới để chemoton có vị trí xứng đáng trong cuốn sách The Major Transitions in Evolution (Những biến đổi lớn trong tiến hóa) xuất bản năm 1995 của ông và tác giả John Maynard Smith. Sau đó, cuốn sách năm 1971 của Ganti mới được dịch ra tiếng Anh và được bổ sung tài liệu rồi ra mắt năm 2003. Tuy nhiên, khái niệm chemoton vẫn chưa có vị trí xứng đáng. Sáu năm sau, Ganti qua đời.

Xét về một mặt nào đó, bản thân Ganti không làm cho mô hình của mình được yêu thích. Ông vốn là một đồng nghiệp khó tính, rất khó làm việc cùng. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất với mô hình chemoton là trong những thập niên cuối cùng của thế kỷ 20, xu hướng nghiên cứu là loại bỏ tính phức tạp của sự sống để chọn cách tiếp cận tối giản hơn bao giờ hết. Trong khi đó, mô hình của Ganti lại phức tạp.

Tuy nhiên, tới thế kỷ 21, các nhà khoa học đã thay đổi. Các nghà nghiên cứu giờ có xu hướng tập trung vào nghiên cứu cách các hóa chất của sự sống phối hợp với nhau và tìm hiểu xem các mạng lưới phối hợp này xuất hiện thế nào.

Từ năm 2003, nhà khoa học Jack Szotak thuộc khoa y trường Đại học Harvard cùng đồng nghiệp đã phát triển tế bào sơ khai ngày càng giống thật: phiên bản đơn giản của tế bào chứa một loạt hóa chất. Những tế bào sơ khai này có thể lớn lên và phân chia, có nghĩa là chúng có thể tự thay thế.

Năm 2013, ông Szostak và sinh viên đã khiến RNA tự sao chép trong tế bào sơ khai. Hơn nữa, gien và màng có thể kết hợp: khi RNA phát triển bên trong, nó gây áp lực lên màng ngoài, thúc đẩy tế bào sơ khai phình to hơn.

Nhà sinh học tổng hợp Petra Schwille thuộc Viện Sinh hóa Max Planck tại Martinsried (Đức) nhận xét nghiên cứu của Szostak rất giống của Ganti. 

Theo một luận điểm phản bác ý tưởng chemoton là sự sống đầu tiên, chemoton cần rất nhiều thành phần hóa học, như axit nucleic, protein và lipid. Nhiều chuyên gia cho rằng khó có thể có khả năng các hóa chất này cùng xuất hiện từ cùng vật liệu khởi đầu ở cùng chỗ.

Tuy nhiên, các nhà hóa sinh gần đây đã tìm thấy bằng chứng rằng mọi chất hóa học quan trọng của sự sống có thể hình thành từ cùng vật liệu khởi đầu đơn giản. Trong nghiên cứu đăng hồi tháng 9, các nhà nghiên cứu tại Viện hàn lâm Khoa học Ba Lan ở Warsaw đã tổng hợp cơ sở dữ liệu của hàng chục năm thí nghiệm nhằm tạo ra các khối hóa chất của sự sống. Bắt đầu chỉ với 6 hóa chất đơn giản, như nước và metan, họ đã thấy rằng việc tạo ra hàng chục nghìn thành phần chủ chốt là khả thi.

Chưa thí nghiệm nào phát triển thành công một chemoton. Đó có thể là do quá khó, hoặc có thể công thức chính xác của Ganti không thực sự là cách sự sống đầu tiên bắt đầu. Dù vậy, chemoton cũng cho các nhà khoa học một cách để suy nghĩ về việc các thành phần của sự sống đã kết hợp với nhau thế nào.  

Giờ đây, ngày càng nhiều người trích dẫn tác phẩm của Ganti. Các cách tiếp cận với nguồn gốc sự sống giờ đã tiến gần hơn với những gì mà Ganti nghĩ. Đó là cách tiếp cận phối hợp, không chỉ tập trung vào một hệ thống chủ chốt của sự sống.

Sự sống không phải là protein, không phải là RNA, không phải là lớp kép lipid. Đó là tất cả những thứ đó kết hợp với nhau theo đúng trật tự.