Phóng to

Họ đã nỗ lực trong vòng năm mươi năm qua, nhưng hành tinh này đã mất ít nhất nửa tỉ năm để làm chuyện đó. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã có đủ thông tin để phác họa lại những kịch bản về sự khởi đầu của sự sống với độ tin cậy cao, để các mảnh ghép còn lại khi được tìm thấy sẽ khẳng định phỏng đoán chung của họ.

Trái đất hình thành cách đây khoảng 4,6 tỉ năm. Trong khoảng 500 triệu năm sau đó, nó vẫn là một quả cầu nham thạch lỏng, vô cùng nóng nên không có bề mặt và không có nước, vì nước không thể ngưng tụ mà chỉ tồn tại ở thể hơi trong khí quyển.

Trong 500 triệu năm đầu tiên, Trái đất nguội dần; đến khoảng cách đây 3,9 tỉ năm thì nó đủ nguội để lớp đá mỏng đầu tiên hình thành ngoài lớp vỏ vẫn còn ở thể bùn lỏng. Mẫu đá cổ nhất cho đến nay được tìm thấy tại vùng Greenland, có tuổi vào khoảng 3,8 tỉ năm. Núi lửa bùng lên từ các vết nứt và dung nham phun ra.

Thiên thạch va vào Trái đất. Bão điện nổi cơn thịnh nộ. Hơi nước bắt đầu ngưng tụ; mưa xối xả có lẽ phải đến hàng triệu năm. Sự dịch chuyển của các lớp đá giải thoát khí từ trong lòng đất, tạo ra một bầu không khí mới bao gồm hơi nước, nitrogen, argon, neon, và carbon dioxide (CO₂). Sự kiện này đôi khi được gọi là cú ợ lớn* !

Rồi không biết bằng cách nào, các tổ chức sống xuất hiện trong các điều kiện đó, trong khoảng 800 triệu năm đầu tiên vì hoá thạch cổ nhất của một vi khuẩn là khoảng 3.5 tỉ năm tuổi. Các nhà khoa học đã có lúc cho rằng khi sét đánh xuống biển, theo một cách nào đó nó kích hoạt các tế bào sống từ “nồi súp” hoá chất sơ khởi đó.

Nhưng hiện nay, người ta cho rằng dường như ít có khả năng các phân tử trong nồi súp đã tự động kết hợp lại với nhau, ngay cả khi có sét đánh xuống. Các nhà khoa học đã hình dung ra nhiều cách giải thích về việc các phân tử đã tự kết hợp thế nào; cách giải thích thuyết phục nhất là trước khi có tế bào thì đã có các tế bào nguyên thuỷ (proto-cells), hay bong bóng.

Những bong bóng này hình thành khi những phân tử nào đó kết hợp lại thành dạng màng nguyên thuỷ và cô lập một khu vực tí hon lại; chính ở đó đã diễn ra quá trình tiến hoá của những hợp chất. Những cái màng này cho phép một số phân tử, trong khi lại ngăn chặn một số khác vào bên trong. Khi một bong bóng đã phát triển quá lớn, nó vỡ ra thành các bong bóng nhỏ hơn.

Chúng chứa những thành phần phân tử khác nhau. Những bong bóng khác nhau về thành phần sẽ va chạm với nhau rồi kết hợp lại. Những bong bóng tiếp tục quá trình phản ứng hoá học thì tồn tại, những cái khác biến mất. Những tế bào đầu tiên này xuất hiện khoảng 3,9 tỉ năm về trước và dường như là phương tiện cho sự phát triển của phân tử và trao đổi chất rất phức tạp, tiếp diễn quá trình hình thành sự sống.

Ở giai đoạn đầu tiên, thành phần của bong bóng bao gồm các nguyên tố carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), potassium (K), và có thể cả sodium (Na). Khi nitrogen (N) tham gia vào hỗn hợp này, có thể dưới dạng khí ammonia (NH₃), tính đa dạng trong phản ứng hoá học tăng lên nhanh chóng, vì đời sống tế bào cần nitrogen ở hai phương diện – xúc tác và lưu trữ thông tin. Điều này xảy ra vào khoảng 3,8 tỉ năm về trước, tức là 100 triệu năm sau khi các bong bóng nhảy múa và va chạm với nhau – khoảng thời gian mà tổ tiên của thế giới này xuất hiện dưới dạng một tế bào riêng lẻ hay một chùm tế bào, để rồi từ đó đời sống trên Trái đất ra đời. Bằng chứng rằng chúng ta có một tổ tiên chung là mọi loại hình sống đều có chung một bộ mã gene, một mạng lưới sinh hoá chung. Sự kiện này đôi khi được gọi là vụ chào đời lớn.

Tế bào tổ tiên của thế giới này cuối cùng chuyển từ bong bóng thành các tế bào sống thực sự bằng cách sản sinh ra các protein, nucleic acid, và mã gene. Những tế bào sống đầu tiên này bị nhốt trong một cái màng, có khoảng 5.000 protein, cùng các chuỗi ribonucleic acid (RNA) và deoxyribonucleic (DNA) lội quanh. Các tế bào này có đường kính khoảng một phần triệu mét, có thể tự duy trì và sinh sôi bằng cách sử dụng RNA và DNA của chúng để nhân bản các phân tử RNA và DNA, và khởi động quá trình hình thành protein.

RNA có lẽ đã phát triển trước do nó có thể nhân bản chính nó và cũng đóng vai trò là một enzyme, sau đó tiến hoá thành tế bào. Chi tiết về bước chuyển cuối cùng này của sự sống vẫn còn là điều bí ẩn. Hệ thống các hợp chất hoá học tham gia vào quá trình chuyển hoá quá phức tạp nên người ta cần các khái niệm toán học mới làm công cụ để có thể hiểu được điều đó.

Tế bào tổ tiên này có thể là vi khuẩn hiếu nhiệt (archaea) sống nhờ năng lượng ở miệng núi lửa, hoặc là một tế bào vi khuẩn có liên hệ mật thiết với loại vi khuẩn lam đương đại, hoặc là váng ở ao, hồ. Hoá thạch cổ xưa nhất hiện nay còn tồn tại là mẫu đá 3,4 tỉ năm tuổi từ một ngọn núi ở Nam Phi, chứa những sợi tơ vô cùng nhỏ giống các vi khuẩn lam ngày nay.