Israel có phát hiện mới về nguồn gốc sự sống trên Trái Đất

Kết quả nghiên cứu của nhóm nhà khoa học Israel cho thấy các bề mặt có từ tính không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc không gian của các phân tử sinh học mà còn tác động đến thành phần đồng vị của chúng - hai "dấu vân tay hóa học" đặc trưng của sự sống.

Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí khoa học Chem là kết quả hợp tác giữa Giáo sư Michal Sharon thuộc Viện Khoa học Weizmann và em trai bà - Giáo sư Yossi Paltiel, nhà vật lý tại Đại học Hebrew ở Jerusalem. Điều thú vị là ý tưởng nghiên cứu lại bắt nguồn từ một bữa tối gia đình vào tối thứ Sáu, khi hai anh em trao đổi về các công trình khoa học của mình.

Theo Giáo sư Sharon, gia đình bà thường cố gắng tránh nói chuyện khoa học trong các bữa ăn nhưng điều đó hiếm khi thành công. Trong lần trò chuyện này, Giáo sư Paltiel giới thiệu các nghiên cứu về việc sử dụng bề mặt có từ tính để phân tách các phân tử theo cấu trúc không gian. Từ đó, hai nhà khoa học quyết định kết hợp chuyên môn của mình để nghiên cứu một trong những câu hỏi lớn nhất của khoa học hiện đại: "Sự sống trên Trái Đất bắt nguồn từ đâu?".

Hai "dấu vân tay" của sự sống

Một trong những bí ẩn lâu đời của sinh học là hiện tượng đối quang (chirality) - đặc tính khiến nhiều phân tử sinh học tồn tại dưới hai dạng đối xứng như bàn tay trái và bàn tay phải. Về lý thuyết, hai dạng này phải xuất hiện với tỷ lệ ngang nhau trong tự nhiên. Tuy nhiên, các sinh vật sống lại thể hiện sự mất cân đối rất rõ rệt. Các axit amin - thành phần cấu tạo nên protein - gần như đều có cấu trúc "tay trái", trong khi ADN và ARN lại có cấu trúc xoắn theo chiều ngược lại.

Theo các nhà khoa học, đây không phải là một khác biệt nhỏ. Các phản ứng sinh học phụ thuộc rất chặt chẽ vào hình dạng không gian của phân tử. Chỉ cần cấu trúc đối quang không phù hợp, phản ứng hóa học có thể không diễn ra. Vì vậy, tính đối quang từ lâu được xem là một trong những dấu hiệu quan trọng nhất để phân biệt vật chất sống với vật chất vô sinh.

Trong nhiều năm qua, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Paltiel cùng Giáo sư Ron Naaman thuộc Viện Khoa học Weizmann đã chứng minh rằng các bề mặt được từ hóa có khả năng ưu tiên thu hút một dạng đối quang hơn dạng còn lại, mặc dù bản thân các phân tử này không mang từ tính. Công nghệ này hiện đã được ứng dụng trong việc sản xuất dược phẩm, thuốc bảo vệ thực vật và nhiều hợp chất sinh học khác, bởi nhiều loại thuốc chỉ phát huy hiệu quả khi có đúng cấu trúc đối quang.

Để kiểm chứng giả thuyết, nhóm nghiên cứu thiết kế một thí nghiệm sử dụng axit amin methionine - loại axit amin thường mở đầu quá trình tổng hợp protein trong tế bào. Các nhà khoa học cho dung dịch chứa hai dạng đối quang của methionine đi qua bộ lọc giấy có gắn các hạt từ kích thước siêu nhỏ.

Điểm đặc biệt của thí nghiệm là nhóm nghiên cứu còn đưa vào phân tử hai đồng vị carbon khác nhau gồm carbon-12 và carbon-13. Đây là hai nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có khối lượng khác nhau.

Ở mỗi lần thử nghiệm, các nhà khoa học thay đổi cách gắn đồng vị vào từng dạng đối quang, đồng thời đảo chiều từ hóa của các nam châm. Sau đó, họ sử dụng phương pháp khối phổ để xác định tỷ lệ giữa các đồng vị cũng như mức độ phân tách giữa hai dạng phân tử.

Phát hiện ngoài dự đoán

Kết quả thu được khiến chính nhóm nghiên cứu cũng bất ngờ. Không chỉ phân tách các phân tử theo cấu trúc đối quang, bộ lọc từ tính còn ưu tiên giữ lại các phân tử chứa đồng vị carbon nặng hơn, bất kể chúng thuộc dạng "tay trái" hay "tay phải".

Để kiểm tra thêm, nhóm nghiên cứu tiếp tục sử dụng các phân tử methionine đều có cấu trúc "tay trái", chỉ khác nhau ở thành phần đồng vị carbon. Kết quả vẫn cho thấy bộ lọc từ tính luôn ưu tiên một thành phần đồng vị hơn thành phần còn lại. Theo Giáo sư Paltiel, đây là phát hiện quan trọng nhất của toàn bộ nghiên cứu. Ông giải thích rằng khả năng phân tách các phân tử đối quang xuất phát từ đặc tính lượng tử gọi là "mo-men từ rất nhỏ" (spin) quyết định cách phân tử tương tác với từ trường.

Trong khi đó, các đồng vị cũng khác nhau về spin, nhưng sự khác biệt nằm ở hạt nhân nguyên tử và thường rất yếu. Nhóm nghiên cứu cho rằng cấu trúc ba chiều của các phân tử sinh học có thể khuếch đại sự tương tác giữa hai loại spin này, qua đó tạo ra mối liên hệ giữa tính đối quang và thành phần đồng vị - điều trước đây chưa từng được ghi nhận.

Không chỉ tính đối quang, thành phần đồng vị cũng được xem là một "dấu vân tay" quan trọng của sự sống. Trong tự nhiên, các sinh vật thường chứa tỷ lệ đồng vị nhẹ cao hơn so với môi trường xung quanh. Chẳng hạn, thực vật và động vật thường có hàm lượng carbon-13 thấp hơn so với đá hoặc đất. Các dấu hiệu đồng vị này có thể được lưu giữ trong đá hàng tỷ năm và hiện là cơ sở quan trọng để các nhà địa chất học truy tìm dấu tích của sự sống cổ đại.

Theo nhóm nghiên cứu, lần đầu tiên hai dấu hiệu hóa học quan trọng này được chứng minh có thể liên hệ với nhau thông qua từ trường. Phát hiện mới cũng củng cố giả thuyết do Giáo sư Dimitar Sasselov thuộc Đại học Harvard đề xuất trước đây. Theo giả thuyết này, sự sống trên Trái Đất có thể hình thành trên các bề mặt giàu khoáng chất có từ tính, chẳng hạn đáy các hồ nước nông cổ đại chứa nhiều khoáng vật sắt.

Theo thời gian, các phản ứng hóa học diễn ra trên những lớp trầm tích được từ hóa này có thể đã tạo điều kiện hình thành những phân tử đầu tiên của sự sống.

Nếu giả thuyết này là đúng, từ trường không chỉ quyết định cấu trúc đối quang của các phân tử sinh học mà còn góp phần định hình thành phần đồng vị - hai đặc điểm vẫn được sử dụng để nhận diện sự sống cho đến ngày nay.