Không có gì quý hơn sự sống. Không những các nhà đạo đức, thần học, tu hành tôn giáo nói thế mà cả các nhà khoa học cũng xác định như vậy. Điều khác biệt là các nhà bác học đặt vấn đề nặng nề phần vật lý hơn đạo lý.
Tuy nhiên cả hai nguồn tư tưởng đó đều có chung một nhận định xuất phát: Sự sống là huyền diệu. Sự huyền diệu đó do đâu mà có? Đó là kết quả của một sự lựa chọn tự nhiên theo các định luật tự nhiên, sản phẩm của một loạt những biến hóa, tiến triển, không ai khiến mà tự nhiên thành? Hay do một quyết định huyền bí của một đấng tối cao trong vũ trụ này, tạo ra sự sống để tiến hóa đến sự sống thông minh, với một mục đích cũng thật huyền bí, chưa ai có thể thăm dò cho thấu?
Chúng tôi xin đứng ngoài sự tranh cãi nói trên và trong dịp đầu Xuân này, chỉ muốn bàn đến sự bắt đầu của sự sống trong phạm vi một bài báo ngắn về khoa học tự nhiên. Điều này không có nghĩa là chúng tôi bác bỏ những quan niệm đạo đức hay tôn giáo về sự sống mà chúng tôi hết sức tôn trọng. Chúng tôi cũng không đứng hẳn về mảnh đất nào trong hai lĩnh vực duy tâm và duy vật. Chúng tôi chỉ ước ao với sự hiểu biết nông cạn của mình, được đứng ở lằn ranh mỗi lúc một mờ giữa siêu mình học và vật lý học, để cùng bạn đọc Mùa Xuân của Sự Sống chia sẻ những nét khái quát nhất của phát triển khoa học, dường như đang xóa mờ lằn ranh đó.
Riêng trong lãnh vực khoa học thực nghiệm, chúng tôi nghĩ những khám phá mới nhất ở cuối Thế kỷ 20 này trong môn vật lý, hóa học, sinh học và di truyền học, có lẽ cũng đã làm các nhà khoa học xưa nay chuyên về duy vật phải bàng hoàng mà thốt ra hai chữ "huyền diệu" nhiều hơn bao giờ hết, so với khoảng thời gian 100 năm trước đây khi Thế kỷ 20 mới bắt đầu.
Ngày nay, suy tư về sự sống bắt buộc phải nêu ra nhiều câu hỏi, có lẽ cũng nằm chung trong một định luật không thể chối cãi. Khoa học là việc nêu ra những câu hỏi. Sự tìm kiếm của khoa học rõ rệt là để trả lời những câu hỏi, nhưng lạ lùng thay, những khám phá của khoa học nếu trả lời được một câu hỏi, lại nêu ra làm nổi bật lên hàng chục hàng trăm câu hỏi khác. Biển học vô biên là vậy.
Sự sống xuất phát từ đâu? Trong vũ trụ mênh mông liệu có sự sống hay không, nhất là có những loài có tri thức, có trí thông minh như chúng ta hay không? Đó là câu hỏi lớn của thời đại.
Nhưng để trả lời câu hỏi này, trong khi chưa đóng được phi thuyền bay khỏi Thái Dương hệ hay bắt được "liên lạc" với các loài thông minh khác ở quanh các vì sao xa thẳm, có lẽ chúng ta hãy tìm hiểu ngay những vấn đề trước mắt: Sự sống của loài người trên Trái Đất này.
Tại sao có chúng ta? Câu hỏi cổ xưa như Trái Đất bắt buộc phải đưa đến một câu hỏi tiên quyết: Sự sống ở Địa Cầu đã bắt đầu như thế nào? Và để trả lời câu hỏi tiên quyết này, bắt buộc sự suy tư phải đặt một vấn đề tiên quyết hơn nữa: Sự sống có nghĩa là gì? Câu hỏi thật đơn giản, nhưng câu trả lời chẳng đơn giản chút nào, dù chỉ ở trong phạm vi giới hạn của khoa học thực nghiệm. Sinh học (biology) là môn học về sự sống - sự sống nói chung bao quát cả mọi sinh vật, chớ không riêng gì sự sống của con người.
Sinh học đã nằm trong cỗi rễ tư duy của con người từ thời đại xa xưa, bởi vì đức hiếu sinh (biophilia) luôn luôn tiềm tàng trong tâm hồn từ thời ăn lông ở lỗ cho đến ngày nay, nhờ vậy loài người chúng ta mới tồn tại và phát triển.
Trong thời đại văn minh vật chất này, đức hiếu sinh vẫn chẳng phai lạt, các giáo lý tôn giáo đã bồi dưỡng nó, các ngành học tự nhiên và nhân văn đã thúc đẩy nó, dù nó có bị đổi sắc bên ngoài, nhưng tiềm ẩn bên trong tâm hồn của con người, di sản quý giá nhất đó vẫn còn. Chúng ta nuôi những con vật thân yêu trong nhà, chúng ta chơi vườn bông cây cảnh, chậu cá lồng chim...chúng ta thích du ngoạn rừng cây, ngọn núi, thăm các vườn bách thú, bách thảo, chính là do đức hiếu sinh còn tiềm ẩn trong lòng mỗi người chúng ta.
Sự sống là gì mà có sức quyến rũ kỳ diệu như vậy? Sự sống có muôn vàn hình dạng. Cái cây lá cỏ là sự sống. Con giun con kiến là sự sống. Và trong các sinh vật, từ loài người chúng ta cho đến các con vi trùng, vi khuẩn cũng là sự sống.
Mùa xuân của sự sống
Làm thế nào tìm một định nghĩa khái quát cho sự sống?
Chúng ta có thể nói đơn giản như thế này: sự sống của một vật (sinh vật) có nghĩa là vật đó có sinh có tử, có hấp thụ năng lượng và thải phế, có sinh sản cho thế hệ tương lai. Các nhà bác học cười: Nếu vậy ngôi sao cũng là một sinh vật, vì ngôi sao có sống có chết, có những tuổi phát triển, có hấp thụ và tiêu thụ năng lượng, nhất là cũng sinh sản. Và theo đà này mà luận, các galaxy (thiên hà) và cho đến cả vũ trụ này cũng là một sinh vật. Dĩ chí đến trái đất chúng ta đang ở cũng là một hệ sinh tử, có môi sinh, có tan có hợp và theo một trong nhiều luận thuyết, Trái Đất tạo ra muôn loài trong đó có loài người chúng ta.
Thôi hãy tạm giới hạn suy tư trong khuôn khổ coi sự sống như những sinh vật có linh hồn. Ở đây các vị tu hành mỉm cười. Khi Đức Phật giảng kinh có "trời rồng tám bộ" đến nghe, quỷ thần cũng phải nghe, hồn ma bóng quế cũng phải nghe. Và các nhà thơ nhà văn chúng ta nói: "Ai bảo bướm không có hồn, hoa không có linh?"
Cấu trúc sinh học
Chúng ta đành phải trở lại câu hỏi trong phạm vi bó chặt hơn nữa là sự sống của con người trên Trái Đất này.
Chúng tôi đã xin phép chỉ nói đến những phát triển của khoa học thực nghiệm trong lãnh vực sự sống mà chúng ta biết trên mặt Địa Cầu, không lạm bàn đến những lý thuyết tôn giáo hay triết lý về sự phát sinh nguyên thủy của loài người.
Môn sinh hóa (biochemistry) đã dẫn dắt chúng ta tìm hiểu từ những chất vô cơ cho đến các chất hữu cơ, trong một tổ chức vô cùng kỳ diệu.
Một đặc tính cơ bản của sự sống là trình độ tổ chức rất cao để tạo thành cấu trúc sinh vật. Ta hãy coi cấu trúc sinh vật là một tòa lâu đài vĩ đại, vì ở nền móng của lâu đài này là những mô hình đơn giản nhất, rồi từ đó xây dựng mỗi tầng một cao hơn với định luật hiển nhiên là tầng trên phải dựa vào tầng dưới mà kiến thiết, và tầng càng cao nền trật tự càng tinh vi. Ở cõi thế này và ở trái đất này, tầng cao nhất, xây dựng có trật tự tinh vi và phức tạp nhất là loài người chúng ta.
Môn vật lý đã cho chúng ta biết nền tảng của mọi vật chất - kể cả sinh vật - là các nguyên tử.
Môn hóa học cho thấy các nguyên tử được họp lại thành một cơ cấu gọi là phân tử và trong sinh học, những phân tử đó rất phức tạp, chẳng hạn như phân tử protein là đầu mối của sự sống. Các phân tử của sự sống họp lại thành các vi bào Phân tử protein là đầu mối của sự sống. Các phân tử của sự sống họp lại thành các vi bào (organoles).
Vi bào họp lại thành tế bào (cells)...(organoles). Vi bào họp lại thành tế bào (cells).
Có những sinh vật đơn tế bào, nhưng lại có rất nhiều sinh vật đa tế bào và những tế bào này họp lại thành những "cơ quan", những bộ phận khác nhau trong những sinh vật phức như thảo mộc và muôn loài trong trời đất mà đỉnh cao nhất là loài người chúng ta. Các tế bào họp thành những nhóm đặc biệt gọi là mô (tissues). Chúng ta hãy chỉ quan tâm đến các sinh vật có ít hay nhiều trí khôn, nên hãy nói đến một thí dụ điển hình nhất là bộ não.
Các xung điện não ra lệnh cho con người làm mọi cử động như đi đứng, ngồi, giơ tay hay chớp mắt, mở mồm, đã được truyền qua một loại tế bào đặc biệt gọi là não tử (neuron). Các mô não trong óc của chúng ta có hàng tỷ não tử, sắp xếp thành một mạng lưới truyền thông vô cùng phức tạp. Cố nhiên bộ óc của chúng ta không phải chỉ gồm các mô não tử, mà còn gồm các mô khác chẳng hạn mô tiếp dẫn làm thành những màng mỏng bao bọc và bảo vệ các mô não tử. Bộ óc cũng chỉ là một bộ phận trong hệ thần kinh vì còn đường tủy xương sống và muôn triệu dây thần kinh để nối tiếp đường tủy này với các bộ phận khác nhau của cơ thể con người.
Đây chỉ là một thí dụ nhỏ trong cấu trúc lớn của cơ thể con người, với những sợi dây liên hệ này không phải chỉ nằm trong phạm vi một cá thể. Nó còn ràng buộc đến những tập thể chẳng hạn những cá thể cùng một chủng loại gọi là cộng đồng chủng loại. Loài người cũng là một cộng đồng chủng loại khác với những cộng đồng của những sinh vật đa dạng trên Địa Cầu.
Các cộng đồng sinh vật ở chung một môi trường sinh sống gọi là cộng đồng sinh học. Các cộng đồng sinh học tương tác với nhau và tương tác cả với những vật vô sinh như đất và nước của môi trường, họp thành một hệ môi sinh (ecosystem).
Việc khai phá, mở ra và tìm hiểu tổ chức sinh học ở mọi tầng cấu trúc, từ toà nhà tế bào cho đến cấu trúc môi sinh, là cơ sở chính của môn học đời sống.
Hãy trở lại mùa Xuân của sự sống. Nếu các tế bào là viên gạch cơ bản của sự sống thì trong quá trình sinh sản và tổ chức với một cấp trật tự cao, nó phải có một đặc tính vô cùng thiết yếu là sự thông tin. Nếu không, các tế bào sẽ mọc loạn. Và trong một chủng loại sinh vật, các tế bào cũng bắt buộc phải có thông tin di truyền, để loại nào sinh ra loại đó.
Một thí dụ gần gũi nhất là loài người chúng ta. Khi còn là một giọt máu trong bụng mẹ, nói một cách thật nôm na nhất, chúng ta cũng xuất phát từ một tế bào. Tế bào đó nẩy nở sinh sản bằng cách phân chia: một thành hai, hai thành bốn, bốn thành tám... Các tế bào đó phải có thông tin di truyền để bảo cho nhau biết khi bào thai thành hình trong bụng mẹ, cái nào họp thành những mô gan, phổi, máu, thịt, tóc, tai, da, mắt v.v... cũng như những nét di truyền khác.
Thông tin là một sắc thái vô cùng quan trọng trong sự sống.
Nhưng các tế bào báo tin cho nhau biết bằng cách nào?
Các chỉ thị sinh học được mã số hóa, ghi trong một phân tử gọi là deoxyribonucleic acid, viết tắt là DNA. DNA là tinh túy của các đơn vị di truyền gọi là gien (genes) đã được truyền tin tức.
Các đơn vị có nhiệm vụ đem thông tin đến các gien được gọi là ribonucleic acid viết tắt là RNA. Mấy chữ tắt DNA đã nổi bật trên báo chí thường ngày từ sáu tháng qua, khi bắt đầu vụ án O.J Simpson mà mọi người đã biết. Ở đây môn sinh học đã gắn liền với một sắc thái quan trọng của cuộc sống xã hội: ngành Tư Pháp. Người ta phân chất DNA để tìm ra chứng cứ buộc tội phạm nhân.
DNA cũng như dấu chỉ tay là căn cước không thể chối cãi về căn cước của một cá nhân. Cho đến nay người ta coi như mỗi người chỉ có một thứ DNA riêng, họa chăng trong hàng chục triệu người chỉ có một dấu vết rất nhỏ tạm gọi là gần giống chớ không giống hệt. Bởi vậy trong cơ thể con người, chỗ nào cũng có những phân tử DNA nhỏ xíu: trong máu, sợi tóc, thịt, mảnh da, mẩu xương và ngay cả trong tinh dịch của người đàn ông. Do DNA lấy được ở những hiện trường phạm pháp, đọ với những DNA của các nghi can, người ta có thể nêu ra những chứng cớ buộc tội mà ngày nay các tòa án Mỹ đã chấp nhận.
Chiếc thang cuốn xoắn
Nhưng DNA hình thù ra sao? Và cấu trúc của nó như thế nào để phân biệt người này với ngưới khác?
Năm 1953, hai nhà bác học James Watson và Francis Crick, làm việc ở Đại Học viện Cambridge, đã đưa ra mô hình sơ khởi của DNA là một cặp chong chóng (double helix) và sau hai ông đã được giải Nobel về khám phá này.
Theo từ ngữ dễ hiểu nhất, phân tử DNA giống như hình thang cuốn xoắn vặn. Hai thành thang cuốn này được nối liền với nhau bằng từng nhóm hóa chất căn bản gọi là nucleotide. Mỗi một gạch nối như vậy gồm các nucleotides.
Trong mỗi DNA của con người chỉ có bốn loại nucleotides, sắp xếp thành các nấc thang nối liền hai thành xoắn. Nếu dùng một hình ảnh mô phỏng, chúng ta hãy nói DNA là cuốn sổ căn cước, trong đó những từ ngữ để viết chỉ gồm có bốn chữ cái. Trong mẫu tự thường dùng của chúng ta hiện nay có 26 chữ cái, khởi đầu là ABC, để viết ra những ngôn ngữ quen thuộc. Sự sắp xếp những chữ cái đó là cách viết ra những tiếng nóikhác nhau. Thí dụ như trong tiếng Anh ta thử dùng ba mẫu tự R A T để ghép, ta sẽ có các chữ khác nhau. Nếu RAT, đó là chuột. Nếu lộn lại viết TAR, đó là bồ hóng. Còn nếu xoay ra ART, đó là nghệ thuật.
Nhưng trong cuốn sổ DNA chỉ có 4 mẫu tự để ghép, không phải 26, làm sao viết nhiều được? Nếu biết dùng các chữ có 4 mẫu tự đó mà thay đổi cách đặt trước đặt sau không cần ý nghĩa gì, rồi mỗi chữ lại thay đổi chỗ suôi ngược khác nhau, thay đổi từng cụm, thay đổi từng lớp chữ, với thứ tự lộn xà ngầu thì cố nhiên không có cuốn sách nào giống cuốn sách nào.
Mỗi cuốn sách DNA là căn cước riêng cho mỗi cá nhân. Vậy cuốn sách đó lớn và dày mỏng như thế nào? Cuốn Bách Khoa Từ Điển Britanica Encyclopedia, mỗi cuốn khoảng 1,500 trang.
Nếu đổi một từ trong cuốn sách dày bằng tòa nhà ba tầng lầu đó thì sao? Một người sẽ hóa thành một người khác. Còn nếu đổi vài hàng chữ trong một chương của cuốn sách căn cước đó thì sao? Một người sẽ biến thành một con bò.
Phép lạ mầu nhiệm
Chúng ta hãy trở lại với những con người của chúng ta.
Các nhà khoa học sững sờ trước những khám phá của họ chăng?
Chúng ta, những người dân thường, đứng ngoài vòng kiềm tỏa của cái học từ chương, có thể tự do nhìn lên trời cao thẳm và nói phép lạ mà Đấng Tối Cao ban cho loài người chúng ta quả thật nhiệm mầu.
Chúng ta hãy nhìn vào một vài con số so sánh để nhìn rõ hơn nữa phép mầu đó.
Phân tử DNA của mỗi người chúng ta được phân phối trong hơn 23 loại nhiễm sắc thể (chromosomes) để phân biệt thành nam nữ, sắc tộc, màu da, hình dạng...
Mỗi hình thang cuốn xoắn đó lớn như thế nào? Nó chỉ bằng một vài micron (micron là một phần ngàn của ly hay một phần triệu của mét). Nhưng nếu một nhà sinh hóa học gỡ xoắn kéo nó ra, nó dài đến hai mét.
Mỗi DNA như vậy chứa 3 tỷ nucleotides. Mỗi nấc thang nối liền hai thành thang xoắn có 4 nucleotides, được đặt tên bằng các chữ đầu của các tên hóa chất. A (adenine), C (cystosine), G (guanine) và T (thymine).
Trong cơ thể con người có hàng tỷ DNA, nhưng chỉ có khoảng 20% là gien di truyền. Con người có chừng từ 50,000 đến 100,000 gien, mỗi gien lại do một hay nhiều DNA họp thành.
Tính chung gien có từ 1,000 đến 2 triệu bộ từ nucleotides khác nhau.
Chúng ta hãy tạm ngừng ở đây để tìm hiểu một phép mầu khác nữa: Tại sao có sinh vật trên Trái Đất này và ngưỡng cửa của vật vô sinh biến thành vật hữu sinh như thế nào.
Từ những phân tử vô sinh làm sao biến thành những phân tử hữu sinh? Nói cách khác, ai đã làm cho vật chất bước qua được ngưỡng cửa lằn ranh giữa sự sống và sự chết ở trên Trái Đất này?
Chúng ta hãy tạm ghé qua môn Thiên văn một chút để biết về đại khái về sự hình thành của Địa Cầu. Ngày nay phối hợp nhiều môn học người ta đã biết Mặt Trời của chúng ta đã sinh ra khoảng 4,600 triệu năm trước đây. Lúc đầu là một đám bụi vũ trụ xoay tròn, do tác động của lực hấp dẫn cái lõi thành hình và biến thành một vì sao sáng với những phản ứng hạt nhân.
Đám bụi còn lại xung quanh tiếp tục xoay tròn và kết lại từng cục do lực hấp dẫn. Khoảng hơn 100 triệu năm sau những cục đó dần trở thành lớn trung bình vào cỡ trái đất ngày nay. Khởi thủy Trái Đất là một trái cầu nóng bỏng đỏ như đất nung, sau nguội dần để vỏ bên ngoài cứng lại. Hình ảnh hết sức khái quát của sự khai thiên lập địa trên đất chúng ta là như vậy.
Các phân tử hữu cơ
Chúng ta không quên vật chất do các nguyên tử tạo thành và để xây dựng lâu đài vật chất, các nguyên tử phải họp lại thành các phân tử qua phản ứng hóa học. Các phân tử này rất đa dạng, có loại phân tử do hàng chục hàng trăm nguyên tử khác nhau họp thành. Dù sao các phân tử đó cũng chỉ là những phân tử vô cơ.
Vậy phân tử hữu cơ ở đâu mà ra? Phân tử hữu cơ có thể được coi như ông tổ đầu tiên của sự sống, một loại phân tử đa nguyên tử, trong đó điều kiện cơ bản là phải có nguyên tử carbon (than) để móc nối các loại nguyên tử khác, tạo ra đặc điểm của sự sống: nó phải biết hấp thụ năng lượng tự phát triển và sinh sản ra các phân tử tương tự như nó.
Không phải chỉ có một loại phân tử như vậy. Phải có hàng chục loại phân tử khác nhau cũng thuộc loại hữu cơ mới có thể xúm lại tạo thành những tế bào căn bản của sự sống.
Một số những phân tử hữu cơ này được gọi là amino acids và các amino acids khác nhau họp thành những phân tử lớn hơn gọi là protein. Có nhiều loại protein cần thiết cho các chủng loại sinh vật. Ngày nay trong bất cứ loại sinh nào trên trái đất, người ta cũng tìm thấy chất protein để nuôi dưỡng các tế bào sống, kể cả tế bào của con người.
Nhưng làm thế nào các nguyên tử của vật chất vô cơ như nguyên tử khinh khí, nguyên tử dưỡng khí, nguyên tử ni-trô, nguyên tử than lại có họp lại thành phân tử hữu cơ để tạo các loại amino acids đưa đến chất protein?
Hóa học tiền sinh học
Trước hết phải nhận định rõ là sau khi vỏ địa cầu nguội đi, Trái Đất chẳng có hình dạng như trái đất chúng ta biết ngày nay. Tất cả chỉ là một quả cầu đá cứng, có những chỗ nứt nẻ, lửa ở trong ruột địa cầu phun ra ngoài, tỏa ra những chất hơi độc. Nghiên cứu những vụ lửa phun ra ngày nay người ta cũng có thể hiểu những chất độc đó như thế nào. Địa cầu lúc đầu không có nước, không có biển mà cũng chẳng có không khí. Nó còn nóng và bao trùm bởi những đám mây dày đặc không phải như mây ngày nay mà hơi độc, chất khí methane.
Khoảng thập niên 30 của Thế kỷ này, một ngành Hóa học mới xuất hiện gọi là Hóa học tiền sinh học (prebiotic chemistry), nghĩa là nghiên cứu các chất hóa học của trái đất trước khi có sự sống ra đời.
Hai nhà bác học thời đó, ông Alexander I. Oparin ở Nga và ông J.B.S Haldane ở Anh, chỉ ra rằng các hợp chất hữu cơ không thể nào hình thành trên trái đất, nếu địa cầu lúc đó có những đám hơi gồm nhiều dưỡng khí như ngày nay. Tại sao vậy?
Giản dị dưỡng khí là loại khí dễ bắt lấy khinh khí để tạo ra nước, nếu có quá nhiều dưỡng khí, nó chỉ việc nuốt cho bằng hết khinh khí làm thành nước (phân tử vô cơ) và như vậy nó làm cản trở cho việc kết hợp của nguyên tử khí các-bôn để tạo ra những phân tử phức tạp hơn, tức là phân tử hữu cơ.
Theo hai nhà bác học này, bầu khí quyển của địa cầu hồi mới sơ sinh phải có rất ít dưỡng khí và rất nhiều khinh khí để phối hợp với các khí khác như methane và ammonia. Có nhiều khinh khí là chuyện dễ hiểu, vì khinh khí là loại nguyên tử đơn giản nhất và cũng có nhiều nhất trong vũ trụ. Vậy tại sao các nhà bác học lại biết có khí methane và ammonia?
Trước hết nó ở núi lửa phun ra. Và sau, quan trọng hơn, người ta đã "nhìn" thấy có khá nhiều ở các "khí quyển" trên các hành tinh sinh ra sau trái đất. Đó là những hành tinh chạy trên quỹ đạo vòng ngoài địa cầu tính từ mặt trời trở ra. Khoa Thiên Văn ngày nay xác định rằng các hành tinh ở vòng ngoài trái đất sinh ra muộn hơn.
Chúng ta đã biết Mộc Tinh là trái cầu hơi khổng lồ ở vòng ngoài trái đất, gồm phần lớn là khí ammonia. Năm 1953, một cuộc thí nghiệm trứ danh gọi là thí nghiệm Miller-Urey lần đầu tiên thí nghiệm môn Hóa học tiền sinh học.
Sự sống trong phòng thí nghiệm
Giáo sư Harold C. Urey của trường Đại Học Chicago và sinh viên Stanley L. Miller của phòng thí nghiệm Urey, khảo cứu những phản ứng hóa học trên mặt địa cầu khi còn bao phủ bởi những chất hơi như hai ông Oparin và Haldane đã vạch ra cho thấy.
Vào một thời điểm mà đám hơi bao phủ dày đặc che khuất ánh nắng Mặt Trời làm vỏ địa cầu càng nguội đi mau lẹ, một số dưỡng khí đã có dịp bắt lấy khinh khí để tạo thành một thứ tạm gọi là "Nước" (vì nước đó không phải chỉ có dưỡng khí mà còn lẫn các chất hơi độc khác). Sự bốc hơi của loại nước này tạo thành mây, mây lại hóa ra mưa, và một khi "không khí" lúc đó đã lạnh, mây lại hóa ra mưa làm thành những hố biển nhỏ trên địa cầu, và tự nhiên khi có phản ứng khí quyển với tĩnh điện là có sấm, chớp và sét.
Giáo sư Miller liền tạo ra một môi trường như vậy trong phòng thí nghiệm của ông.
Trong bộ máy thí nghiệm của ông đóng kín với môi trường bên ngoài, có một bình nước nhỏ. Nước đó được hâm nóng, coi như ánh sáng Mặt Trời làm nóng nước để nó bốc hơi. Hơi đó được dẫn vào một cái bầu trong có chứa các chất hơi của bầu "khí quyển" Trái Đất khoảng 4,000 triệu năm trước đây, tức là gồm hơi nước, khí methane, khí ammonia và khinh khí. Kế đó ông cho các tia điện xẹt coi như sét đánh, đập vào chất hơi hỗn hợp nói trên. Cố nhiên nước trong bình được tuần hoàn, nghĩa là sau khi bị trộn và bị "sét đánh", nó lại trở lại bình cũ để hóa ra nước, để rồi tiếp tục bị hâm nóng, trở lại thành hơi và lại bay lên cái bình chứa điện xẹt.
Sau mấy ngày tuần hoàn như vậy, giáo sư Miller đem chất nước trong bình ra phân chất. Ông đã tìm thấy gì? Ông nhận thấy khoảng 10% các nguyên tử các-bôn đã họp thành các chất hữu cơ. Một số ít là chất lạ, nhưng có đến 2% là các nguyên tử các-bôn đã họp thành các phân tử amino acids mà ngày nay người ta biết đó là những viên gạch đầu tiên xây dựng thành hợp chất protein là thành phần cơ bản của tế bào sự sống.
Sự sống từ vũ trụ đem lại
Kết luận sơ khởi của các cuộc thí nghiệm này là vào thời điểm đó, gần 3,500 triệu năm trước đây, chính ông Thiên lôi của cụ Trời đã tạo ra sự thần kỳ là đẩy các chất vô cơ nhảy qua lằn ranh sống chết mà trở thành các chất hữu cơ. Nhưng sự đời lại không phải chỉ đơn giản có vậy. Nó còn phức tạp hơn nhiều.
Các cuộc thí nghiệm trong những năm kế tiếp còn cho thấy một chuyện lạ: chẳng cần có tia sét đánh, các phân tử trong nồi súp tiền sinh học của trái đất cũng có thể tự họp thành một loạt những phân tử hữu cơ thật đơn giản, trong đó có hợp chất hydro cyanide (ký hiệu HCN) và hợp thành chất adehydes.
Chất adehydes phối hợp với ammonia và HCN đưa đến một hợp chất tạm aminionitriles. "Tạm" vì hợp chất này hòa với nước trong "biển" nguyên thủy cũng tạo ra các phân tử amino acids.
Năm 1961 nhà bác học Juan Oró của trường Đại Học Houston thử tìm hiểu xem các chất amino acids có thể nào được họp thành bởi một phản ứng hóa học đơn giản hơn cuộc thí nghiệm Miller- Urey hay không. Ông trộn chất hydrogene cyanide và chất ammonia trong một dung dịch nước. Kết quả sự pha trộn này cũng đem lại các amino acids. Nhưng có một vài điều bất ngờ nhất: trong các amino acids được tìm thấy bằng cách này, nhiều nhất lại là một chất gọi là adenine.
Ngày nay người ta biết adenine là một trong 4 chất tạo thành phân tử cơ bản RNA và DNA, những viên gạch đắp thành chất protein của sinh vật. Nhưng chưa hết chuyện lạ. Khoa học ngày nay đã tìm thấy những chất hữu cơ ... ngay cả ở trong vũ trụ, trong các đám tinh vân còn non chưa kịp biến thành thái dương hệ, trên các đầu sao chổi, các vân thạch.
Trong khoảng 500 triệu năm đầu sau khi được thành hình, trái đất luôn luôn bị các cuộc "oanh tạc" của các sao chổi, các vẫn thạch, thiên thạch khổng lồ bắn trúng vào nó. Liệu các chất hữu cơ có sống nổi sau khi bị bắn vào trái đất hay không, đó còn là một đề tài tranh luận.
Một thiên thạch rớt xuống Úc châu mấy năm trước đây và khi khảo cứu các mảnh vỡ của thiên thạch này, người ta cũng đã tìm thấy những chất amino acids mà các nhà khoa học đã tổng hợp được trong các phòng thí nghiệm.
Như vậy sự sống trên trái đất đã được đem đến từ vũ trụ hay sao? Có thể cả hai, hoặc từ nhiều nguồn khác nữa. Chẳng hạn như khi vỏ trái đất nứt ra ở dưới đáy biển, các chất hơi trong ruột trái đất trộn vào nước biển cũng có thể mồi cho sự sống đầu tiên thành hình. Khoa học chưa giải đáp được hết, chỉ một phần của sự thật.
Chúng ta cũng có thể tạm kết luận rằng con đường đi tìm nguồn gốc của sự sống trên trái đất còn dài.
Một lịch trình khái quát
Tuy nhiên ngay trong lúc này, trừ những dữ kiện thật chính xác của nguồn gốc sự sống ở giai đoạn đầu, người ta cũng đã có thể có một hình ảnh khái quát của lịch sử sự sống theo cùng với lịch sử tiến triển của địa cầu.
Trái đất được thành hình 4,600 triệu năm trước, nhưng những loại đá cổ nhất được đào thấy cho đến ngày nay chỉ có 3,500 triệu tuổi. Đó là vì thời gian đầu tiên khoảng 900 triệu năm, vỏ trái đất còn nóng và mềm. Cũng trong khoảng thời gian này, sự "oanh tạc" của vũ trụ đã kéo dài nhiều nhất.
Những vật hóa thạch ghi nhận từ 3,000 triệu năm trước đây cho thấy sự sống đầu tiên đã nẩy mầm dưới dạng sinh vật đơn tế bào và kéo dài trong suốt 2,000 triệu năm ít có biến hóa hay hoạt động, có thể vào cuối thời kỳ này, sự sống là những đám rong biển bao phủ mặt biển rất nhiều, tựa hồ như rong rêu ta thấy ngày nay.
Vào khoảng 900 triệu năm trước đây, các sinh vật đa tế bào đã xuất hiện. Và khoảng 600 triệu năm trước đây, các thủy tổ của loài cá xuất hiện ở biển và kế đó các thủy tổ của loài thảo mộc xuất hiện trên mặt đất.
Còn động vật bao giờ xuất hiện? Khoảng 300 triệu năm trước đây, loài bò sát xuất hiện. Loài vật có vú chỉ xuất hiện 100 triệu năm sau đó, nghĩa là khoảng 200 triệu năm trước đây.
Loài bò sát đã phát triển rất mau lẹ và đa dạng: có các loại thân hình rất lớn ngày nay báo chí hay gọi là "khủng long" (dinosaur), sự thật chỉ là một loài thằn lằn khổng lồ. Loài này có vẻ đã ngự trị địa cầu vào thời đó.
Nhưng 65 triệu năm trước đây, loại khủng long này đã biến mất trên mặt trái đất một cách khá mau lẹ, nhường chỗ cho một sự nở rộ của muôn loài cầm thú. Xin nhắc lại đây chỉ là hình ảnh khái quát, hết sức khái quát bước tiến hóa của cái mà ta gọi là sự sống trên trái đất này.
Chúng ta đã phải bỏ qua những lý thuyết hết sức phức tạp và mới nhất về sự kết hợp thành cái "mầm" đầu tiên của tế bào, với một loạt những amino acids tạo thành các phân tử DNA và RNA. Chúng ta đã phải bỏ qua những hóa thạch đầu tiên của một vật đơn tế bào - một sinh hóa gọi là prokaryotic (một dạng vi trùng đơn tế bào) - nằm trong những tụ thạch cổ từ 3.500 triệu năm tìm thấy ở dưới các nền đất của Phi Châu và Úc Châu.
Chúng ta cũng đã phải rảo bước thật nhanh qua những giai đoạn phát triển của sinh vật mà sách vở cổ điển gọi là các "thời đại": thời đại sinh vật không xương của các sinh vật đơn tế bào, thời đại có xương của loài cá, thời đại loài bò sát, thời đại loài có vú, để đi mau đến chủ đề "thời đại con người". Chúng ta sẽ có dịp bàn đến thủy tổ của con người trong dạng ngày nay mà ta biết với câu hỏi: Con người tiền sử xuất hiện ở nơi nào trước hết.(1995)
Sơn Điền Nguyễn Viết Khánh
Nhấn Vào Đây Để Tải Tập Tin PDF
Tuy nhiên cả hai nguồn tư tưởng đó đều có chung một nhận định xuất phát: Sự sống là huyền diệu. Sự huyền diệu đó do đâu mà có? Đó là kết quả của một sự lựa chọn tự nhiên theo các định luật tự nhiên, sản phẩm của một loạt những biến hóa, tiến triển, không ai khiến mà tự nhiên thành? Hay do một quyết định huyền bí của một đấng tối cao trong vũ trụ này, tạo ra sự sống để tiến hóa đến sự sống thông minh, với một mục đích cũng thật huyền bí, chưa ai có thể thăm dò cho thấu?
Chúng tôi xin đứng ngoài sự tranh cãi nói trên và trong dịp đầu Xuân này, chỉ muốn bàn đến sự bắt đầu của sự sống trong phạm vi một bài báo ngắn về khoa học tự nhiên. Điều này không có nghĩa là chúng tôi bác bỏ những quan niệm đạo đức hay tôn giáo về sự sống mà chúng tôi hết sức tôn trọng. Chúng tôi cũng không đứng hẳn về mảnh đất nào trong hai lĩnh vực duy tâm và duy vật. Chúng tôi chỉ ước ao với sự hiểu biết nông cạn của mình, được đứng ở lằn ranh mỗi lúc một mờ giữa siêu mình học và vật lý học, để cùng bạn đọc Mùa Xuân của Sự Sống chia sẻ những nét khái quát nhất của phát triển khoa học, dường như đang xóa mờ lằn ranh đó.
Riêng trong lãnh vực khoa học thực nghiệm, chúng tôi nghĩ những khám phá mới nhất ở cuối Thế kỷ 20 này trong môn vật lý, hóa học, sinh học và di truyền học, có lẽ cũng đã làm các nhà khoa học xưa nay chuyên về duy vật phải bàng hoàng mà thốt ra hai chữ "huyền diệu" nhiều hơn bao giờ hết, so với khoảng thời gian 100 năm trước đây khi Thế kỷ 20 mới bắt đầu.
Ngày nay, suy tư về sự sống bắt buộc phải nêu ra nhiều câu hỏi, có lẽ cũng nằm chung trong một định luật không thể chối cãi. Khoa học là việc nêu ra những câu hỏi. Sự tìm kiếm của khoa học rõ rệt là để trả lời những câu hỏi, nhưng lạ lùng thay, những khám phá của khoa học nếu trả lời được một câu hỏi, lại nêu ra làm nổi bật lên hàng chục hàng trăm câu hỏi khác. Biển học vô biên là vậy.
Sơn Điên Nguyen Viết Khánh công bố giải Viết Về Nước Mỹ 2000.
Sự sống là gì?Sự sống xuất phát từ đâu? Trong vũ trụ mênh mông liệu có sự sống hay không, nhất là có những loài có tri thức, có trí thông minh như chúng ta hay không? Đó là câu hỏi lớn của thời đại.
Nhưng để trả lời câu hỏi này, trong khi chưa đóng được phi thuyền bay khỏi Thái Dương hệ hay bắt được "liên lạc" với các loài thông minh khác ở quanh các vì sao xa thẳm, có lẽ chúng ta hãy tìm hiểu ngay những vấn đề trước mắt: Sự sống của loài người trên Trái Đất này.
Tại sao có chúng ta? Câu hỏi cổ xưa như Trái Đất bắt buộc phải đưa đến một câu hỏi tiên quyết: Sự sống ở Địa Cầu đã bắt đầu như thế nào? Và để trả lời câu hỏi tiên quyết này, bắt buộc sự suy tư phải đặt một vấn đề tiên quyết hơn nữa: Sự sống có nghĩa là gì? Câu hỏi thật đơn giản, nhưng câu trả lời chẳng đơn giản chút nào, dù chỉ ở trong phạm vi giới hạn của khoa học thực nghiệm. Sinh học (biology) là môn học về sự sống - sự sống nói chung bao quát cả mọi sinh vật, chớ không riêng gì sự sống của con người.
Sinh học đã nằm trong cỗi rễ tư duy của con người từ thời đại xa xưa, bởi vì đức hiếu sinh (biophilia) luôn luôn tiềm tàng trong tâm hồn từ thời ăn lông ở lỗ cho đến ngày nay, nhờ vậy loài người chúng ta mới tồn tại và phát triển.
Trong thời đại văn minh vật chất này, đức hiếu sinh vẫn chẳng phai lạt, các giáo lý tôn giáo đã bồi dưỡng nó, các ngành học tự nhiên và nhân văn đã thúc đẩy nó, dù nó có bị đổi sắc bên ngoài, nhưng tiềm ẩn bên trong tâm hồn của con người, di sản quý giá nhất đó vẫn còn. Chúng ta nuôi những con vật thân yêu trong nhà, chúng ta chơi vườn bông cây cảnh, chậu cá lồng chim...chúng ta thích du ngoạn rừng cây, ngọn núi, thăm các vườn bách thú, bách thảo, chính là do đức hiếu sinh còn tiềm ẩn trong lòng mỗi người chúng ta.
Sự sống là gì mà có sức quyến rũ kỳ diệu như vậy? Sự sống có muôn vàn hình dạng. Cái cây lá cỏ là sự sống. Con giun con kiến là sự sống. Và trong các sinh vật, từ loài người chúng ta cho đến các con vi trùng, vi khuẩn cũng là sự sống.
Mùa xuân của sự sống
Làm thế nào tìm một định nghĩa khái quát cho sự sống?
Chúng ta có thể nói đơn giản như thế này: sự sống của một vật (sinh vật) có nghĩa là vật đó có sinh có tử, có hấp thụ năng lượng và thải phế, có sinh sản cho thế hệ tương lai. Các nhà bác học cười: Nếu vậy ngôi sao cũng là một sinh vật, vì ngôi sao có sống có chết, có những tuổi phát triển, có hấp thụ và tiêu thụ năng lượng, nhất là cũng sinh sản. Và theo đà này mà luận, các galaxy (thiên hà) và cho đến cả vũ trụ này cũng là một sinh vật. Dĩ chí đến trái đất chúng ta đang ở cũng là một hệ sinh tử, có môi sinh, có tan có hợp và theo một trong nhiều luận thuyết, Trái Đất tạo ra muôn loài trong đó có loài người chúng ta.
Thôi hãy tạm giới hạn suy tư trong khuôn khổ coi sự sống như những sinh vật có linh hồn. Ở đây các vị tu hành mỉm cười. Khi Đức Phật giảng kinh có "trời rồng tám bộ" đến nghe, quỷ thần cũng phải nghe, hồn ma bóng quế cũng phải nghe. Và các nhà thơ nhà văn chúng ta nói: "Ai bảo bướm không có hồn, hoa không có linh?"
Cấu trúc sinh học
Chúng ta đành phải trở lại câu hỏi trong phạm vi bó chặt hơn nữa là sự sống của con người trên Trái Đất này.
Chúng tôi đã xin phép chỉ nói đến những phát triển của khoa học thực nghiệm trong lãnh vực sự sống mà chúng ta biết trên mặt Địa Cầu, không lạm bàn đến những lý thuyết tôn giáo hay triết lý về sự phát sinh nguyên thủy của loài người.
Môn sinh hóa (biochemistry) đã dẫn dắt chúng ta tìm hiểu từ những chất vô cơ cho đến các chất hữu cơ, trong một tổ chức vô cùng kỳ diệu.
Một đặc tính cơ bản của sự sống là trình độ tổ chức rất cao để tạo thành cấu trúc sinh vật. Ta hãy coi cấu trúc sinh vật là một tòa lâu đài vĩ đại, vì ở nền móng của lâu đài này là những mô hình đơn giản nhất, rồi từ đó xây dựng mỗi tầng một cao hơn với định luật hiển nhiên là tầng trên phải dựa vào tầng dưới mà kiến thiết, và tầng càng cao nền trật tự càng tinh vi. Ở cõi thế này và ở trái đất này, tầng cao nhất, xây dựng có trật tự tinh vi và phức tạp nhất là loài người chúng ta.
Môn vật lý đã cho chúng ta biết nền tảng của mọi vật chất - kể cả sinh vật - là các nguyên tử.
Môn hóa học cho thấy các nguyên tử được họp lại thành một cơ cấu gọi là phân tử và trong sinh học, những phân tử đó rất phức tạp, chẳng hạn như phân tử protein là đầu mối của sự sống. Các phân tử của sự sống họp lại thành các vi bào Phân tử protein là đầu mối của sự sống. Các phân tử của sự sống họp lại thành các vi bào (organoles).
Vi bào họp lại thành tế bào (cells)...(organoles). Vi bào họp lại thành tế bào (cells).
Có những sinh vật đơn tế bào, nhưng lại có rất nhiều sinh vật đa tế bào và những tế bào này họp lại thành những "cơ quan", những bộ phận khác nhau trong những sinh vật phức như thảo mộc và muôn loài trong trời đất mà đỉnh cao nhất là loài người chúng ta. Các tế bào họp thành những nhóm đặc biệt gọi là mô (tissues). Chúng ta hãy chỉ quan tâm đến các sinh vật có ít hay nhiều trí khôn, nên hãy nói đến một thí dụ điển hình nhất là bộ não.
Các xung điện não ra lệnh cho con người làm mọi cử động như đi đứng, ngồi, giơ tay hay chớp mắt, mở mồm, đã được truyền qua một loại tế bào đặc biệt gọi là não tử (neuron). Các mô não trong óc của chúng ta có hàng tỷ não tử, sắp xếp thành một mạng lưới truyền thông vô cùng phức tạp. Cố nhiên bộ óc của chúng ta không phải chỉ gồm các mô não tử, mà còn gồm các mô khác chẳng hạn mô tiếp dẫn làm thành những màng mỏng bao bọc và bảo vệ các mô não tử. Bộ óc cũng chỉ là một bộ phận trong hệ thần kinh vì còn đường tủy xương sống và muôn triệu dây thần kinh để nối tiếp đường tủy này với các bộ phận khác nhau của cơ thể con người.
Đây chỉ là một thí dụ nhỏ trong cấu trúc lớn của cơ thể con người, với những sợi dây liên hệ này không phải chỉ nằm trong phạm vi một cá thể. Nó còn ràng buộc đến những tập thể chẳng hạn những cá thể cùng một chủng loại gọi là cộng đồng chủng loại. Loài người cũng là một cộng đồng chủng loại khác với những cộng đồng của những sinh vật đa dạng trên Địa Cầu.
Các cộng đồng sinh vật ở chung một môi trường sinh sống gọi là cộng đồng sinh học. Các cộng đồng sinh học tương tác với nhau và tương tác cả với những vật vô sinh như đất và nước của môi trường, họp thành một hệ môi sinh (ecosystem).
Việc khai phá, mở ra và tìm hiểu tổ chức sinh học ở mọi tầng cấu trúc, từ toà nhà tế bào cho đến cấu trúc môi sinh, là cơ sở chính của môn học đời sống.
Sơn Điền Nguyễn Viết Khánh Sinh ngày 2 -10-1921 tại Hà Nội Mất ngày 12-8 2012, tại San Jose, hưởng thọ 92 tuổi. Làm báo từ năm 1948, nguyên Tổng Thư Ký Việt Nam Thông Tấn Xã, Giáo sư dạy về báo chí tại các Đại Học Vạn Hạnh và Đại Học Đà Lạt Từ 1992, chủ biên sáng lập Việt Báo, Chánh chủ khảo của giải thưởng Viết Về Nước Mỹ 2000-2002
Thông tin di truyềnHãy trở lại mùa Xuân của sự sống. Nếu các tế bào là viên gạch cơ bản của sự sống thì trong quá trình sinh sản và tổ chức với một cấp trật tự cao, nó phải có một đặc tính vô cùng thiết yếu là sự thông tin. Nếu không, các tế bào sẽ mọc loạn. Và trong một chủng loại sinh vật, các tế bào cũng bắt buộc phải có thông tin di truyền, để loại nào sinh ra loại đó.
Một thí dụ gần gũi nhất là loài người chúng ta. Khi còn là một giọt máu trong bụng mẹ, nói một cách thật nôm na nhất, chúng ta cũng xuất phát từ một tế bào. Tế bào đó nẩy nở sinh sản bằng cách phân chia: một thành hai, hai thành bốn, bốn thành tám... Các tế bào đó phải có thông tin di truyền để bảo cho nhau biết khi bào thai thành hình trong bụng mẹ, cái nào họp thành những mô gan, phổi, máu, thịt, tóc, tai, da, mắt v.v... cũng như những nét di truyền khác.
Thông tin là một sắc thái vô cùng quan trọng trong sự sống.
Nhưng các tế bào báo tin cho nhau biết bằng cách nào?
Các chỉ thị sinh học được mã số hóa, ghi trong một phân tử gọi là deoxyribonucleic acid, viết tắt là DNA. DNA là tinh túy của các đơn vị di truyền gọi là gien (genes) đã được truyền tin tức.
Các đơn vị có nhiệm vụ đem thông tin đến các gien được gọi là ribonucleic acid viết tắt là RNA. Mấy chữ tắt DNA đã nổi bật trên báo chí thường ngày từ sáu tháng qua, khi bắt đầu vụ án O.J Simpson mà mọi người đã biết. Ở đây môn sinh học đã gắn liền với một sắc thái quan trọng của cuộc sống xã hội: ngành Tư Pháp. Người ta phân chất DNA để tìm ra chứng cứ buộc tội phạm nhân.
DNA cũng như dấu chỉ tay là căn cước không thể chối cãi về căn cước của một cá nhân. Cho đến nay người ta coi như mỗi người chỉ có một thứ DNA riêng, họa chăng trong hàng chục triệu người chỉ có một dấu vết rất nhỏ tạm gọi là gần giống chớ không giống hệt. Bởi vậy trong cơ thể con người, chỗ nào cũng có những phân tử DNA nhỏ xíu: trong máu, sợi tóc, thịt, mảnh da, mẩu xương và ngay cả trong tinh dịch của người đàn ông. Do DNA lấy được ở những hiện trường phạm pháp, đọ với những DNA của các nghi can, người ta có thể nêu ra những chứng cớ buộc tội mà ngày nay các tòa án Mỹ đã chấp nhận.
Chiếc thang cuốn xoắn
Nhưng DNA hình thù ra sao? Và cấu trúc của nó như thế nào để phân biệt người này với ngưới khác?
Năm 1953, hai nhà bác học James Watson và Francis Crick, làm việc ở Đại Học viện Cambridge, đã đưa ra mô hình sơ khởi của DNA là một cặp chong chóng (double helix) và sau hai ông đã được giải Nobel về khám phá này.
Theo từ ngữ dễ hiểu nhất, phân tử DNA giống như hình thang cuốn xoắn vặn. Hai thành thang cuốn này được nối liền với nhau bằng từng nhóm hóa chất căn bản gọi là nucleotide. Mỗi một gạch nối như vậy gồm các nucleotides.
Trong mỗi DNA của con người chỉ có bốn loại nucleotides, sắp xếp thành các nấc thang nối liền hai thành xoắn. Nếu dùng một hình ảnh mô phỏng, chúng ta hãy nói DNA là cuốn sổ căn cước, trong đó những từ ngữ để viết chỉ gồm có bốn chữ cái. Trong mẫu tự thường dùng của chúng ta hiện nay có 26 chữ cái, khởi đầu là ABC, để viết ra những ngôn ngữ quen thuộc. Sự sắp xếp những chữ cái đó là cách viết ra những tiếng nóikhác nhau. Thí dụ như trong tiếng Anh ta thử dùng ba mẫu tự R A T để ghép, ta sẽ có các chữ khác nhau. Nếu RAT, đó là chuột. Nếu lộn lại viết TAR, đó là bồ hóng. Còn nếu xoay ra ART, đó là nghệ thuật.
Nhưng trong cuốn sổ DNA chỉ có 4 mẫu tự để ghép, không phải 26, làm sao viết nhiều được? Nếu biết dùng các chữ có 4 mẫu tự đó mà thay đổi cách đặt trước đặt sau không cần ý nghĩa gì, rồi mỗi chữ lại thay đổi chỗ suôi ngược khác nhau, thay đổi từng cụm, thay đổi từng lớp chữ, với thứ tự lộn xà ngầu thì cố nhiên không có cuốn sách nào giống cuốn sách nào.
Mỗi cuốn sách DNA là căn cước riêng cho mỗi cá nhân. Vậy cuốn sách đó lớn và dày mỏng như thế nào? Cuốn Bách Khoa Từ Điển Britanica Encyclopedia, mỗi cuốn khoảng 1,500 trang.
Nếu đổi một từ trong cuốn sách dày bằng tòa nhà ba tầng lầu đó thì sao? Một người sẽ hóa thành một người khác. Còn nếu đổi vài hàng chữ trong một chương của cuốn sách căn cước đó thì sao? Một người sẽ biến thành một con bò.
Phép lạ mầu nhiệm
Chúng ta hãy trở lại với những con người của chúng ta.
Các nhà khoa học sững sờ trước những khám phá của họ chăng?
Chúng ta, những người dân thường, đứng ngoài vòng kiềm tỏa của cái học từ chương, có thể tự do nhìn lên trời cao thẳm và nói phép lạ mà Đấng Tối Cao ban cho loài người chúng ta quả thật nhiệm mầu.
Chúng ta hãy nhìn vào một vài con số so sánh để nhìn rõ hơn nữa phép mầu đó.
Phân tử DNA của mỗi người chúng ta được phân phối trong hơn 23 loại nhiễm sắc thể (chromosomes) để phân biệt thành nam nữ, sắc tộc, màu da, hình dạng...
Mỗi hình thang cuốn xoắn đó lớn như thế nào? Nó chỉ bằng một vài micron (micron là một phần ngàn của ly hay một phần triệu của mét). Nhưng nếu một nhà sinh hóa học gỡ xoắn kéo nó ra, nó dài đến hai mét.
Mỗi DNA như vậy chứa 3 tỷ nucleotides. Mỗi nấc thang nối liền hai thành thang xoắn có 4 nucleotides, được đặt tên bằng các chữ đầu của các tên hóa chất. A (adenine), C (cystosine), G (guanine) và T (thymine).
Trong cơ thể con người có hàng tỷ DNA, nhưng chỉ có khoảng 20% là gien di truyền. Con người có chừng từ 50,000 đến 100,000 gien, mỗi gien lại do một hay nhiều DNA họp thành.
Tính chung gien có từ 1,000 đến 2 triệu bộ từ nucleotides khác nhau.
Chúng ta hãy tạm ngừng ở đây để tìm hiểu một phép mầu khác nữa: Tại sao có sinh vật trên Trái Đất này và ngưỡng cửa của vật vô sinh biến thành vật hữu sinh như thế nào.
Cùng ngày 12-8 2012, hơn 400 quan khách tại buổi Họp Mặt Viêt Về Nước Mỹ đứng lên trân trọng tưởng niệm nhà báo Sơn Điền khi Việt Báo loan tin ông mất. Từ trái: Phạm Quyến, Hoà Bình Lê, Kiều Chinh, Trần Dạ Từ, Nhã Ca, Nguyễn Xuân Nghĩa và Phan Tấn Hải./.
Lằn ranh từ tử qua sinhTừ những phân tử vô sinh làm sao biến thành những phân tử hữu sinh? Nói cách khác, ai đã làm cho vật chất bước qua được ngưỡng cửa lằn ranh giữa sự sống và sự chết ở trên Trái Đất này?
Chúng ta hãy tạm ghé qua môn Thiên văn một chút để biết về đại khái về sự hình thành của Địa Cầu. Ngày nay phối hợp nhiều môn học người ta đã biết Mặt Trời của chúng ta đã sinh ra khoảng 4,600 triệu năm trước đây. Lúc đầu là một đám bụi vũ trụ xoay tròn, do tác động của lực hấp dẫn cái lõi thành hình và biến thành một vì sao sáng với những phản ứng hạt nhân.
Đám bụi còn lại xung quanh tiếp tục xoay tròn và kết lại từng cục do lực hấp dẫn. Khoảng hơn 100 triệu năm sau những cục đó dần trở thành lớn trung bình vào cỡ trái đất ngày nay. Khởi thủy Trái Đất là một trái cầu nóng bỏng đỏ như đất nung, sau nguội dần để vỏ bên ngoài cứng lại. Hình ảnh hết sức khái quát của sự khai thiên lập địa trên đất chúng ta là như vậy.
Các phân tử hữu cơ
Chúng ta không quên vật chất do các nguyên tử tạo thành và để xây dựng lâu đài vật chất, các nguyên tử phải họp lại thành các phân tử qua phản ứng hóa học. Các phân tử này rất đa dạng, có loại phân tử do hàng chục hàng trăm nguyên tử khác nhau họp thành. Dù sao các phân tử đó cũng chỉ là những phân tử vô cơ.
Vậy phân tử hữu cơ ở đâu mà ra? Phân tử hữu cơ có thể được coi như ông tổ đầu tiên của sự sống, một loại phân tử đa nguyên tử, trong đó điều kiện cơ bản là phải có nguyên tử carbon (than) để móc nối các loại nguyên tử khác, tạo ra đặc điểm của sự sống: nó phải biết hấp thụ năng lượng tự phát triển và sinh sản ra các phân tử tương tự như nó.
Không phải chỉ có một loại phân tử như vậy. Phải có hàng chục loại phân tử khác nhau cũng thuộc loại hữu cơ mới có thể xúm lại tạo thành những tế bào căn bản của sự sống.
Một số những phân tử hữu cơ này được gọi là amino acids và các amino acids khác nhau họp thành những phân tử lớn hơn gọi là protein. Có nhiều loại protein cần thiết cho các chủng loại sinh vật. Ngày nay trong bất cứ loại sinh nào trên trái đất, người ta cũng tìm thấy chất protein để nuôi dưỡng các tế bào sống, kể cả tế bào của con người.
Nhưng làm thế nào các nguyên tử của vật chất vô cơ như nguyên tử khinh khí, nguyên tử dưỡng khí, nguyên tử ni-trô, nguyên tử than lại có họp lại thành phân tử hữu cơ để tạo các loại amino acids đưa đến chất protein?
Hóa học tiền sinh học
Trước hết phải nhận định rõ là sau khi vỏ địa cầu nguội đi, Trái Đất chẳng có hình dạng như trái đất chúng ta biết ngày nay. Tất cả chỉ là một quả cầu đá cứng, có những chỗ nứt nẻ, lửa ở trong ruột địa cầu phun ra ngoài, tỏa ra những chất hơi độc. Nghiên cứu những vụ lửa phun ra ngày nay người ta cũng có thể hiểu những chất độc đó như thế nào. Địa cầu lúc đầu không có nước, không có biển mà cũng chẳng có không khí. Nó còn nóng và bao trùm bởi những đám mây dày đặc không phải như mây ngày nay mà hơi độc, chất khí methane.
Khoảng thập niên 30 của Thế kỷ này, một ngành Hóa học mới xuất hiện gọi là Hóa học tiền sinh học (prebiotic chemistry), nghĩa là nghiên cứu các chất hóa học của trái đất trước khi có sự sống ra đời.
Hai nhà bác học thời đó, ông Alexander I. Oparin ở Nga và ông J.B.S Haldane ở Anh, chỉ ra rằng các hợp chất hữu cơ không thể nào hình thành trên trái đất, nếu địa cầu lúc đó có những đám hơi gồm nhiều dưỡng khí như ngày nay. Tại sao vậy?
Giản dị dưỡng khí là loại khí dễ bắt lấy khinh khí để tạo ra nước, nếu có quá nhiều dưỡng khí, nó chỉ việc nuốt cho bằng hết khinh khí làm thành nước (phân tử vô cơ) và như vậy nó làm cản trở cho việc kết hợp của nguyên tử khí các-bôn để tạo ra những phân tử phức tạp hơn, tức là phân tử hữu cơ.
Theo hai nhà bác học này, bầu khí quyển của địa cầu hồi mới sơ sinh phải có rất ít dưỡng khí và rất nhiều khinh khí để phối hợp với các khí khác như methane và ammonia. Có nhiều khinh khí là chuyện dễ hiểu, vì khinh khí là loại nguyên tử đơn giản nhất và cũng có nhiều nhất trong vũ trụ. Vậy tại sao các nhà bác học lại biết có khí methane và ammonia?
Trước hết nó ở núi lửa phun ra. Và sau, quan trọng hơn, người ta đã "nhìn" thấy có khá nhiều ở các "khí quyển" trên các hành tinh sinh ra sau trái đất. Đó là những hành tinh chạy trên quỹ đạo vòng ngoài địa cầu tính từ mặt trời trở ra. Khoa Thiên Văn ngày nay xác định rằng các hành tinh ở vòng ngoài trái đất sinh ra muộn hơn.
Chúng ta đã biết Mộc Tinh là trái cầu hơi khổng lồ ở vòng ngoài trái đất, gồm phần lớn là khí ammonia. Năm 1953, một cuộc thí nghiệm trứ danh gọi là thí nghiệm Miller-Urey lần đầu tiên thí nghiệm môn Hóa học tiền sinh học.
Sự sống trong phòng thí nghiệm
Giáo sư Harold C. Urey của trường Đại Học Chicago và sinh viên Stanley L. Miller của phòng thí nghiệm Urey, khảo cứu những phản ứng hóa học trên mặt địa cầu khi còn bao phủ bởi những chất hơi như hai ông Oparin và Haldane đã vạch ra cho thấy.
Vào một thời điểm mà đám hơi bao phủ dày đặc che khuất ánh nắng Mặt Trời làm vỏ địa cầu càng nguội đi mau lẹ, một số dưỡng khí đã có dịp bắt lấy khinh khí để tạo thành một thứ tạm gọi là "Nước" (vì nước đó không phải chỉ có dưỡng khí mà còn lẫn các chất hơi độc khác). Sự bốc hơi của loại nước này tạo thành mây, mây lại hóa ra mưa, và một khi "không khí" lúc đó đã lạnh, mây lại hóa ra mưa làm thành những hố biển nhỏ trên địa cầu, và tự nhiên khi có phản ứng khí quyển với tĩnh điện là có sấm, chớp và sét.
Giáo sư Miller liền tạo ra một môi trường như vậy trong phòng thí nghiệm của ông.
Trong bộ máy thí nghiệm của ông đóng kín với môi trường bên ngoài, có một bình nước nhỏ. Nước đó được hâm nóng, coi như ánh sáng Mặt Trời làm nóng nước để nó bốc hơi. Hơi đó được dẫn vào một cái bầu trong có chứa các chất hơi của bầu "khí quyển" Trái Đất khoảng 4,000 triệu năm trước đây, tức là gồm hơi nước, khí methane, khí ammonia và khinh khí. Kế đó ông cho các tia điện xẹt coi như sét đánh, đập vào chất hơi hỗn hợp nói trên. Cố nhiên nước trong bình được tuần hoàn, nghĩa là sau khi bị trộn và bị "sét đánh", nó lại trở lại bình cũ để hóa ra nước, để rồi tiếp tục bị hâm nóng, trở lại thành hơi và lại bay lên cái bình chứa điện xẹt.
Sau mấy ngày tuần hoàn như vậy, giáo sư Miller đem chất nước trong bình ra phân chất. Ông đã tìm thấy gì? Ông nhận thấy khoảng 10% các nguyên tử các-bôn đã họp thành các chất hữu cơ. Một số ít là chất lạ, nhưng có đến 2% là các nguyên tử các-bôn đã họp thành các phân tử amino acids mà ngày nay người ta biết đó là những viên gạch đầu tiên xây dựng thành hợp chất protein là thành phần cơ bản của tế bào sự sống.
Sự sống từ vũ trụ đem lại
Kết luận sơ khởi của các cuộc thí nghiệm này là vào thời điểm đó, gần 3,500 triệu năm trước đây, chính ông Thiên lôi của cụ Trời đã tạo ra sự thần kỳ là đẩy các chất vô cơ nhảy qua lằn ranh sống chết mà trở thành các chất hữu cơ. Nhưng sự đời lại không phải chỉ đơn giản có vậy. Nó còn phức tạp hơn nhiều.
Các cuộc thí nghiệm trong những năm kế tiếp còn cho thấy một chuyện lạ: chẳng cần có tia sét đánh, các phân tử trong nồi súp tiền sinh học của trái đất cũng có thể tự họp thành một loạt những phân tử hữu cơ thật đơn giản, trong đó có hợp chất hydro cyanide (ký hiệu HCN) và hợp thành chất adehydes.
Chất adehydes phối hợp với ammonia và HCN đưa đến một hợp chất tạm aminionitriles. "Tạm" vì hợp chất này hòa với nước trong "biển" nguyên thủy cũng tạo ra các phân tử amino acids.
Năm 1961 nhà bác học Juan Oró của trường Đại Học Houston thử tìm hiểu xem các chất amino acids có thể nào được họp thành bởi một phản ứng hóa học đơn giản hơn cuộc thí nghiệm Miller- Urey hay không. Ông trộn chất hydrogene cyanide và chất ammonia trong một dung dịch nước. Kết quả sự pha trộn này cũng đem lại các amino acids. Nhưng có một vài điều bất ngờ nhất: trong các amino acids được tìm thấy bằng cách này, nhiều nhất lại là một chất gọi là adenine.
Ngày nay người ta biết adenine là một trong 4 chất tạo thành phân tử cơ bản RNA và DNA, những viên gạch đắp thành chất protein của sinh vật. Nhưng chưa hết chuyện lạ. Khoa học ngày nay đã tìm thấy những chất hữu cơ ... ngay cả ở trong vũ trụ, trong các đám tinh vân còn non chưa kịp biến thành thái dương hệ, trên các đầu sao chổi, các vân thạch.
Trong khoảng 500 triệu năm đầu sau khi được thành hình, trái đất luôn luôn bị các cuộc "oanh tạc" của các sao chổi, các vẫn thạch, thiên thạch khổng lồ bắn trúng vào nó. Liệu các chất hữu cơ có sống nổi sau khi bị bắn vào trái đất hay không, đó còn là một đề tài tranh luận.
Một thiên thạch rớt xuống Úc châu mấy năm trước đây và khi khảo cứu các mảnh vỡ của thiên thạch này, người ta cũng đã tìm thấy những chất amino acids mà các nhà khoa học đã tổng hợp được trong các phòng thí nghiệm.
Như vậy sự sống trên trái đất đã được đem đến từ vũ trụ hay sao? Có thể cả hai, hoặc từ nhiều nguồn khác nữa. Chẳng hạn như khi vỏ trái đất nứt ra ở dưới đáy biển, các chất hơi trong ruột trái đất trộn vào nước biển cũng có thể mồi cho sự sống đầu tiên thành hình. Khoa học chưa giải đáp được hết, chỉ một phần của sự thật.
Chúng ta cũng có thể tạm kết luận rằng con đường đi tìm nguồn gốc của sự sống trên trái đất còn dài.
Một lịch trình khái quát
Tuy nhiên ngay trong lúc này, trừ những dữ kiện thật chính xác của nguồn gốc sự sống ở giai đoạn đầu, người ta cũng đã có thể có một hình ảnh khái quát của lịch sử sự sống theo cùng với lịch sử tiến triển của địa cầu.
Trái đất được thành hình 4,600 triệu năm trước, nhưng những loại đá cổ nhất được đào thấy cho đến ngày nay chỉ có 3,500 triệu tuổi. Đó là vì thời gian đầu tiên khoảng 900 triệu năm, vỏ trái đất còn nóng và mềm. Cũng trong khoảng thời gian này, sự "oanh tạc" của vũ trụ đã kéo dài nhiều nhất.
Những vật hóa thạch ghi nhận từ 3,000 triệu năm trước đây cho thấy sự sống đầu tiên đã nẩy mầm dưới dạng sinh vật đơn tế bào và kéo dài trong suốt 2,000 triệu năm ít có biến hóa hay hoạt động, có thể vào cuối thời kỳ này, sự sống là những đám rong biển bao phủ mặt biển rất nhiều, tựa hồ như rong rêu ta thấy ngày nay.
Vào khoảng 900 triệu năm trước đây, các sinh vật đa tế bào đã xuất hiện. Và khoảng 600 triệu năm trước đây, các thủy tổ của loài cá xuất hiện ở biển và kế đó các thủy tổ của loài thảo mộc xuất hiện trên mặt đất.
Còn động vật bao giờ xuất hiện? Khoảng 300 triệu năm trước đây, loài bò sát xuất hiện. Loài vật có vú chỉ xuất hiện 100 triệu năm sau đó, nghĩa là khoảng 200 triệu năm trước đây.
Loài bò sát đã phát triển rất mau lẹ và đa dạng: có các loại thân hình rất lớn ngày nay báo chí hay gọi là "khủng long" (dinosaur), sự thật chỉ là một loài thằn lằn khổng lồ. Loài này có vẻ đã ngự trị địa cầu vào thời đó.
Nhưng 65 triệu năm trước đây, loại khủng long này đã biến mất trên mặt trái đất một cách khá mau lẹ, nhường chỗ cho một sự nở rộ của muôn loài cầm thú. Xin nhắc lại đây chỉ là hình ảnh khái quát, hết sức khái quát bước tiến hóa của cái mà ta gọi là sự sống trên trái đất này.
Chúng ta đã phải bỏ qua những lý thuyết hết sức phức tạp và mới nhất về sự kết hợp thành cái "mầm" đầu tiên của tế bào, với một loạt những amino acids tạo thành các phân tử DNA và RNA. Chúng ta đã phải bỏ qua những hóa thạch đầu tiên của một vật đơn tế bào - một sinh hóa gọi là prokaryotic (một dạng vi trùng đơn tế bào) - nằm trong những tụ thạch cổ từ 3.500 triệu năm tìm thấy ở dưới các nền đất của Phi Châu và Úc Châu.
Chúng ta cũng đã phải rảo bước thật nhanh qua những giai đoạn phát triển của sinh vật mà sách vở cổ điển gọi là các "thời đại": thời đại sinh vật không xương của các sinh vật đơn tế bào, thời đại có xương của loài cá, thời đại loài bò sát, thời đại loài có vú, để đi mau đến chủ đề "thời đại con người". Chúng ta sẽ có dịp bàn đến thủy tổ của con người trong dạng ngày nay mà ta biết với câu hỏi: Con người tiền sử xuất hiện ở nơi nào trước hết.(1995)
Sơn Điền Nguyễn Viết Khánh
Nhấn Vào Đây Để Tải Tập Tin PDF
Gửi ý kiến của bạn
