TIẾN HÓA TIỀN SINH HỌC: NƠI NÓ XẢY RA VÀ ĐIỀU GÌ LÀ CẦN THIẾT - SINH HỌC - 2026

Thuật ngữ tiến hóa tiền sinh học đề cập đến một loạt các kịch bản giả thuyết nhằm giải thích nguồn gốc của sự sống bắt đầu từ vật chất không sống trong môi trường dưới điều kiện nguyên thủy.

Có ý kiến ​​cho rằng các điều kiện của khí quyển nguyên thủy đang bị khử mạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các phân tử hữu cơ, chẳng hạn như axit amin và peptit, là những khối cấu tạo nên protein; và các purin và pyrimidin, tạo thành các axit nucleic - DNA và RNA.

Nguồn: pixabay.com

Điều kiện ban đầu

Tưởng tượng ra cách thức những dạng sống đầu tiên xuất hiện trên Trái đất có thể là một câu hỏi đầy thách thức - và thậm chí gần như không thể - nếu chúng ta không đặt mình vào đúng môi trường nguyên thủy.

Vì vậy, chìa khóa để hiểu sự sống từ các phân tử phi sinh học lơ lửng trong "món súp nguyên thủy" nổi tiếng là bầu không khí trong môi trường xa xôi đó.

Mặc dù không có thỏa thuận tổng thể về thành phần hóa học của khí quyển, vì không có cách nào để xác nhận hoàn toàn, các giả thuyết bao gồm các thành phần khử (CH ₄ + N ₂ , NH ₃ + H ₂ O hoặc CO ₂ + H ₂ + N ₂ ) sang môi trường trung tính hơn (chỉ có CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

Người ta thường chấp nhận rằng bầu khí quyển thiếu oxy (nguyên tố này tăng nồng độ đáng kể khi có sự sống). Để tổng hợp hiệu quả các axit amin, purin, pyrimidin và đường, sự hiện diện của môi trường khử là cần thiết.

Nếu bầu khí quyển thực tế vào thời điểm đó không có các điều kiện hóa học tiền sinh học này, các hợp chất hữu cơ phải đến từ các hạt bụi hoặc các thiên thể không gian khác như thiên thạch.

Quá trình tiến hóa tiền sinh học xảy ra ở đâu?

Có một số giả thuyết liên quan đến không gian vật lý trên Trái đất đã cho phép phát triển các phân tử sinh học đầu tiên và các bộ sao chép.

Một lý thuyết đã thu được một ý nghĩa đáng kể trong quá trình hình thành ban đầu của các phân tử sinh học trong các miệng phun thủy nhiệt trong đại dương. Tuy nhiên, các tác giả khác nhận thấy điều đó khó xảy ra và làm mất uy tín của những vùng này là tác nhân quan trọng trong tổng hợp prebiotic.

Lý thuyết đề xuất rằng quá trình tổng hợp hóa học xảy ra thông qua sự đi qua của nước trong một gradien hạn từ 350 ° C đến 2 ° C.

Vấn đề với giả thuyết này nảy sinh do các hợp chất hữu cơ bị phân hủy ở nhiệt độ cao (350 ° C) thay vì được tổng hợp, điều này cho thấy môi trường ít khắc nghiệt hơn. Vì vậy giả thuyết đã mất đi sự ủng hộ.

Điều gì cần thiết cho quá trình tiến hóa tiền sinh học?

Để thực hiện một nghiên cứu liên quan đến quá trình tiến hóa tiền sinh học, cần phải trả lời một loạt câu hỏi cho phép chúng ta hiểu được sự xuất hiện của sự sống.

Chúng ta phải tự hỏi mình loại quá trình xúc tác nào tạo ra nguồn gốc sự sống và năng lượng tạo ra các phản ứng đầu tiên được lấy từ đâu. Khi trả lời những câu hỏi này, chúng ta có thể đi xa hơn và hỏi liệu các phân tử đầu tiên xuất hiện là màng, chất tái tạo hay chất chuyển hóa.

Bây giờ chúng ta sẽ trả lời từng câu hỏi này để hiểu được nguồn gốc có thể có của sự sống trong môi trường tiền sinh học.

Chất xúc tác

Cuộc sống, như chúng ta biết ngày nay, đòi hỏi một loạt các "điều kiện vừa phải" để phát triển. Chúng ta biết rằng hầu hết các sinh vật hữu cơ tồn tại ở nơi nhiệt độ, độ ẩm và độ pH có thể chấp nhận được về mặt sinh lý - ngoại trừ các sinh vật Cực thích, như tên gọi của chúng, sống trong môi trường khắc nghiệt.

Một trong những đặc điểm liên quan nhất của hệ thống sống là sự phổ biến của các chất xúc tác. Các phản ứng hóa học của các sinh vật được xúc tác bởi các enzym: các phân tử phức tạp có bản chất protein làm tăng tốc độ phản ứng lên một số bậc.

Những sinh vật sống đầu tiên phải có một hệ thống tương tự, có lẽ là ribozyme. Trong các tài liệu, có một câu hỏi mở rằng liệu quá trình tiến hóa tiền sinh học có thể xảy ra mà không có xúc tác hay không.

Theo bằng chứng, nếu không có chất xúc tác thì quá trình tiến hóa sinh học rất khó xảy ra - vì các phản ứng sẽ mất khoảng thời gian dài để xảy ra. Do đó, sự tồn tại của chúng được mặc định trong giai đoạn đầu của cuộc đời.

Năng lượng

Năng lượng cho quá trình tổng hợp tiền sinh học phải xuất hiện từ đâu đó. Người ta đề xuất rằng một số phân tử vô cơ, chẳng hạn như polyphosphat và thioesters, có thể đã đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất năng lượng cho các phản ứng - trong thời gian trước khi có sự tồn tại của "tiền tệ" năng lượng nổi tiếng của tế bào: ATP.

Về mặt năng lượng, sự sao chép của các phân tử mang thông tin di truyền là một sự kiện rất tốn kém. Đối với một vi khuẩn trung bình, chẳng hạn như E. coli, một sự kiện sao chép đơn lẻ cần 1,7 * 10 ¹⁰ phân tử ATP.

Nhờ sự tồn tại của con số cao phi thường này, sự hiện diện của một nguồn năng lượng là điều kiện không thể nghi ngờ để tạo ra một kịch bản có thể xảy ra trong đó sự sống bắt nguồn.

Tương tự như vậy, sự tồn tại của các phản ứng kiểu “oxy hóa khử” có thể góp phần vào quá trình tổng hợp phi sinh học. Theo thời gian, hệ thống này có thể trở thành yếu tố quan trọng trong việc vận chuyển các electron trong tế bào, liên quan đến việc sản xuất năng lượng.

Thành phần nào của tế bào có nguồn gốc đầu tiên?

Có ba thành phần cơ bản trong tế bào: màng phân định không gian tế bào và biến nó thành một đơn vị rời rạc; trình sao chép, lưu trữ thông tin; và các phản ứng trao đổi chất, xảy ra trong hệ thống này. Sự tích hợp chức năng của ba thành phần này tạo ra một tế bào.

Do đó, dưới ánh sáng của sự tiến hóa, thật thú vị khi đặt ra câu hỏi cái nào trong ba cái xuất hiện trước.

Quá trình tổng hợp màng có vẻ đơn giản, vì lipid tự phát hình thành các cấu trúc dạng mụn nước với khả năng phát triển và phân chia. Túi cho phép lưu trữ các chất tái tạo và giữ cho các chất chuyển hóa được cô đặc.

Giờ đây, cuộc tranh luận tập trung vào vai trò lãnh đạo của quá trình tái tạo so với chuyển hóa. Những người coi trọng quá trình sao chép nhiều hơn cho rằng ribozyme (RNA có sức mạnh xúc tác) có thể tự sao chép, và nhờ sự xuất hiện của các đột biến, một hệ thống trao đổi chất mới có thể hình thành.

Quan điểm ngược lại nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tạo ra các phân tử đơn giản - chẳng hạn như các axit hữu cơ có trong chu trình axit tricarboxylic - để đốt cháy dưới các nguồn nhiệt vừa phải. Từ quan điểm này, những bước đầu tiên của quá trình tiến hóa tiền sinh học liên quan đến các chất chuyển hóa này.

Người giới thiệu

1. Anderson, PW (1983). Một mô hình gợi ý cho quá trình tiến hóa tiền sinh học: Sử dụng sự hỗn loạn. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Chọn lọc đa cấp trong các mô hình tiến hóa tiền sinh học: ngăn và sự tự tổ chức trong không gian. Nguồn gốc sự sống và sự tiến hóa của sinh quyển, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Nguồn gốc và sự tiến hóa ban đầu của sự sống: hóa học tiền sinh học, thế giới tiền RNA và thời gian. Ô, 85 (6), 793-798.
4. McKenney, K. và Alfonzo, J. (2016). Từ prebiotics đến probiotics: Sự tiến hóa và chức năng của các sửa đổi tRNA. Đời sống, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA & Fontanari, JF (2008). Các mô hình gói và cuộc khủng hoảng thông tin của quá trình tiến hóa tiền sinh học. Tạp chí sinh học lý thuyết, 252 (2), 326-337.
6. Wong, JTF (2009). Tiến hóa tiền sinh học và sinh vật học chiêm tinh. CRC Nhấn.