Martin Hanczyc: Ranh giới giữa sự sống và phi sự sống

Trong lịch sử luôn luôn có sự phân biệt rạch ròi giữa những gì con người cho rằng, một bên là những cơ thể không sống và bên kia là những cơ thể sống. Thế nên ta đi từ, ví dụ như, khối tinh thể phức tạp và tuyệt đẹp này như một vật thể không sống, và mặt khác, chú mèo phức tạp và xinh đẹp này là vật thể sống. Trong khoảng một trăm năm mươi năm qua, khoa học đã gần như xóa mờ sự khác biệt này giữa những cơ thể sống và không sống, và giờ chúng ta xét thấy rằng có thể có một sự chuyển giao tồn tại giữa hai thứ. Thử lấy một ví dụ ở đây: một con vi-rút là một sinh vật tự nhiên đúng không nào? Nhưng nó rất đơn giản, rất thô sơ. Nó không thực sự thỏa mãn tất cả điều kiện, nó không có những tính chất của cơ thể sống và thực tế nó là một vật kí sinh trên những cơ thể sống khác để, ví dụ như, sinh sản và tiến hóa.

Nhưng những gì chúng ta chuẩn bị nói tới ở đây tối nay là những thí nghiệm được làm trên thái cực của phi sự sống -- thực tế là làm thí nghiêm hóa học trong phòng thí nghiệm, trộn những chất không-sống với nhau để tao ra một cấu thể mới, và những cấu thể này có thể có những đặc điểm của cơ thể sống. Thật sự những gì tôi nói tới ở đây là tạo ra một sự sống nhân tạo.

Và tôi đang nói đến những đặc điểm gì? Chính là đây. Trước hết chúng tôi xét thấy rằng sự sống cần phải có một cơ thể. Giờ ta cần phải phân biệt giữa cá thể và môi trường. Sự sống còn có cả sự trao đổi chất. Đây là một quá trình mà vật thể sống có thể chuyển hóa vật chất từ môi trường thành năng lượng sống để có thể tự duy trì và phát triển. Sự sống còn phải có thông tin di truyền. Chúng ta, con người, lưu trữ thông tin này qua DNA ở trong gen, và ta truyền lại thông tin này cho con cháu. Nếu ta gộp hai tính chất đầu tiên lại -- cơ thể và sự trao đổi chất -- chúng ta có thể tạo ra một cơ thể có khả năng di chuyển và tái tạo, còn nếu chúng ta gộp những tính chất này với thông tin di truyền, ta có thể tạo ra một cơ thể giống sự sống hơn, và có thể còn tiến hóa nữa. Thế nên đây là những thứ chúng tôi đang cố gắng thực hiện trong phòng thí nghiệm: làm thí nghiệm để tạo ra một trong những đặc điểm của sự sống hoặc nhiều hơn thế.

Vậy chúng tôi đã làm thế nào? Chúng tôi sử dụng một cơ thể mẫu mà chúng tôi gọi là tế bào nguyên mẫu. Bạn có thể xem cái này như là một tế bào nguyên thủy. Nó là một mẫu hóa học rất cơ bản của một tế bào sống, và ví dụ nếu bạn xem xét một tế bào trong cơ thể mà cần hàng triệu loại phân tử khác nhau gộp lại, tương tác với nhau trong một hệ thống vô cùng phức tạp để tạo ra cái mà ta gọi là sự sống. Trong phòng thí nghiệm những gì chúng tôi muốn làm cũng tương tự như thế, nhưng chỉ với hàng chục loại phân tử khác nhau -- giảm đáng kể về mặt phức tạp, nhưng vẫn cố gắng tạo ra một thứ giống như sự sống. Và đó là những gì chúng tôi làm, chúng tôi bắt đầu đơn giản và tiến tới những cơ thể sống. Ta hãy xem lời dẫn trích này của Leduc, khoảng một trăm năm trước, khi ông xem xét một loại sinh học tổng hợp: “Sự tổng hợp của sự sống, nếu có diễn ra, sẽ không phải là một sự phát hiện kì diệu mà chúng ta thường liên tưởng đến ý tưởng này.” Đó là lời đầu tiên của ông ấy. Thế nên nếu chúng ta có thực sự tạo ra sự sống trong phòng thí nghiệm, có thế nó cũng chẳng ảnh hưởng đến cuộc sống của chúng ta cả.

“Nếu chúng ta chấp nhận giả thuyết tiến hóa, thì những ý tưởng đầu tiên về sự tổng hợp của sự sống phải bao gồm sự tạo thành của những thể chất trung gian giữa thế giới vô cơ và hữu cơ, hoặc giữa thế giới sống và không sống, những thể chất chỉ mang một số yếu tố cơ bản của sự sống” -- thế nên, những gì tôi vừa nhắc tới -- “những yếu tố khác sẽ dần dần được cộng thêm trong quá trình phát triển qua những bước tiến hóa của môi trường.” Thế nên chúng tôi bắt đầu rất đơn giản, chúng tôi tạo ra những cấu trúc có những đặc điểm này của sự sống, và sau đó phát triển để nó trở nên giống sự sống hơn. Đây là cách chúng tôi có thể bắt đầu làm một tế bào nguyên mẫu. Chúng tôi dựa trên ý tưởng của sự tự liên kết. Có nghĩa là, tôi trộn một số hóa chất với nhau trong một ống nghiệm trong phòng thí nghiệm, và những hóa chất này bắt đầu tự liên kết với nhau tạo thành một cấu trúc lớn dần và lớn dần. Thế nên khi hàng chục nghìn, hàng trăm nghìn phân tử liên kết lại với nhau sẽ tạo thành một cấu trúc lớn chưa từng tồn tại trước đó. Và cụ thể trong ví dụ này, những gì tôi sử dụng là một vài phân tử màng, trộn với nhau trong một môi trường thích hợp, và trong vòng vài giây nó sẽ tạo ra những cấu trúc khá là phức tạp và xinh đẹp như thế này. Những lớp màng này cũng khá giống với màng tế bào trong cơ thể bạn, về cấu trúc cũng như chức năng, và chúng ta có thể sử dụng chúng, như đã nói, để tạo ra cơ thể cho một tế bào nguyên mẫu.

Tương tự, chúng tôi có thể làm với những cơ thể dầu và nước. Như các bạn biết đấy, khi bạn đặt dầu và nước cạnh nhau, chúng không hòa lẫn vào nhau, nhưng qua quá trình tự liên kết, chúng tôi có thể có một giọt dầu xinh xắn được tạo thành, và thực ra ta có thể sử dụng nó như cơ thể cho sinh vật nhân tạo hay tế bào nguyên mẫu, như tí nữa bạn sẽ thấy. Thế là tạo ra được cơ thể rồi phải không nào? Một số cấu trúc. Thế còn những tính chất khác của cơ thể sống thì sao? Chúng tôi tạo ra một mẫu tế bào nguyên mẫu như tôi cho các bạn xem ở đây. Chúng tôi bắt đầu với một mẫu đất sét, gọi là montmorillonit. Đây là một chất tự nhiên từ môi trường, mẫu đất sét này. Nó hình thành một bề mặt có tính chất hóa học. Nó có thể tự thực hiện quá trình trao đổi chất. Một số loại phân tử đặc biệt có xu hướng kết hợp với đất sét. Ví dụ, trong trường hợp này, RNA, màu đỏ, -- nó là bà con với DNA, một phân tử mang thông tin di truyền -- nó có thể đến gần và bắt đầu kết hợp với bề mặt của mẫu đất sét. Cấu trúc này, sau đó, có thể sắp xếp tạo ra một lớp màng bao quanh chính nó, để có thể tạo ra một cơ thể phân tử lỏng xung quanh, và nó có màu xanh trong bức ảnh này. Và thế là chỉ với quá trình tự liên kết, trộn các thứ lại với nhau trong phòng thí nghiêm, chúng tôi đã tạo ra, một bề mặt trao đổi chất với một số phân tử thông tin đính kèm bên trong cơ thể màng này, đúng không nào?

Và thế là chúng ta đang trên đường tiến tới những cơ thể sống rồi. Nhưng nếu bạn thấy tế bào nguyên mẫu này, bạn sẽ không nhầm nó với một vật sống khác. Thực ra nó gần như phi sự sống. Một khi được tạo thành, nó không thực sự làm cái gì cả. Thế nên, có cái gì đó đang thiếu ở đây. Ta đang thiếu cái gì đó. Và cái ta đang thiếu chính là, ví dụ, nếu bạn có một nguồn năng lượng qua một cơ thể, những gì chúng tôi muốn là một tế bào nguyên mẫu có khả năng hấp thụ một phần năng lượng đó để duy trì bản thân, giống như một cơ thế sống. Thế nên chúng tôi tạo ra một tế bào nguyên mẫu khác và nó thực ra còn đơn giản hơn cái trước đó. Trong mẫu tế bào này chỉ là một giọt dầu, nhưng có một sự trao đổi chất hóa học trong đó, có thể khiến tế bào nguyên mẫu này sử dụng năng lượng để làm cái gì đó, để trở nên năng động, như chúng ta thấy ở đây. Bạn cho thêm một giọt nữa vào trong hệ thống. Có một vũng nước, và tế bào nguyên mẫu bắt đầu tự chuyển động trong hệ thống này. Được chứ? Giọt dầu hình thành qua quá trình tự liên kết, có sự trao đổi chất hóa học bên trong để nó có khả năng sử dụng năng lượng, và dùng năng lượng đó để tự chuyển động xung quanh trong môi trường.

Như ta nghe vừa nãy, sự chuyển động rất quan trọng đối với những cơ thể sống này. Nó chuyển động, khám phá môi trường xung quanh, và tổ chức lại môi trường, như bạn thấy, bằng những làn sóng hóa học tạo ra bởi tế bào nguyên mẫu. Thế nên có thể nói nó hoạt động như một cơ thể sống đang cố gắng duy trì bản thân. Chúng ta lấy cùng tế bào nguyên mẫu này, và ta đặt nó vào một thí nghiệm khác, cho nó chuyển động. Sau đó tôi sẽ cho thêm một số thức ăn vào trông hệ thống này, và bạn thấy nó màu xanh nhé? Và tôi cho thêm một chút thức ăn vào hệ thống này. Tế bào nguyên mẫu bắt đầu chuyển động. Nó gặp phải thức ăn. Nó tự biến dạng và sau đó có khả năng leo tới những nơi có nồng độ thức ăn cao nhất trong hệ thống và ngừng ở đó. Được chưa? Thế là không chỉ hệ thống này có một cơ thể, nó có quá trình trao đổi chất, nó có thể sử dụng năng lượng, nó chuyển động vòng quanh. Nó còn có thể cảm nhận môi trường xung quanh và thực sự tìm ra những nguồn năng lượng trong môi trường để duy trì bản thân.

Nào, nó không có não, nó không có một hệ thống thần kinh. Nó chỉ là một chút hóa chất mà có thể có được những hoạt động thú vị và phức tạp giống thật như thế. Nếu chúng ta đếm số hóa chất trong hệ thống đó, tính cả nước trong đĩa, ta có năm hóa chất mà có thể làm được điều này. Thế nên khi ta đặt những tế bào nguyên mẫu này trong một thí nghiệm đơn giản để xem chúng sẽ làm gì, và tùy vào điều kiện môi trường, ta có một số tế bào nguyên mẫu ở bên trái chuyện động vòng quanh và thích chạm vào những cấu trúc khác trong môi trường. Mặt khác ta có hai tế bào nguyên mẫu chuyển động thích xoay vòng quanh nhau, và chúng tạo ra kiểu như một điệu nhảy, một điệu nhảy phức tạp với nhau. Đúng không? Thế là không chỉ những tế bào nguyên mẫu có hoạt động riêng biệt, những hoạt động chúng ta nhận thấy trong hệ thống này, mà chúng ta còn có một hoạt động mang tính chất cộng đồng tương tự như sinh vật sống. Thế là giờ bạn đã siêu sao về tế bào nguyên mẫu rồi, chúng ta sẽ chơi một trò chơi với những tế bào này. Chúng ta sẽ làm hai loại khác nhau. Tế bào A có một loại hóa chất đặc biệt trong nó, mà khi được kích thích, tế bào bắt đầu rung và nhảy nhót. Nhớ nhé, đây là những thứ hết sức thô sơ, nên những tế bào nguyên mẫu nhảy múa, khá là thú vị đấy. (Tiếng cười)

Tế bào nguyên mẫu thứ hai có một loại hóa chất khác bên trong, mà khi được kích thích, tế bào sẽ gộp lại với nhau và hợp nhất thành một khối lớn. Đúng không? Và chúng ta sẽ cho 2 cái vào với nhau trong cùng một hệ thống. Có loại A có loại B, và sau đó ta kích thích hệ thống và tế bào nguyên mẫu B có màu xanh lam, chúng tiến về phía nhau. Chúng hợp nhất để tạo thành một viên tròn to, và tế bào nguyên mẫu kia chỉ nhảy múa xung quanh. Và cái này sẽ tiếp tục cho đến khi tất cả năng lượng của hệ thống bị dùng hết, và sau đó, trò chơi kết thúc. Sau đó tôi lặp lại thí nghiệm này rất nhiều lần, và có một lần một điều rất thú vị đã xảy ra. Tôi cho những tế bào nguyên mẫu này vào hệ thống, và tế bào A và tế bào B hợp nhất lại với nhau tạo ra một tế bào tổng hợp AB. Điều này chưa từng xảy ra trước đó. Và giờ thì có rồi. Giờ ta có tế bào AB trong hệ thống này. Tế bào AB thích nhảy nhót vòng quanh một chút, trong khi tế bào B hợp nhất, ôkê?

Nhưng sau đó một điều còn thú vị hơn nữa xảy ra. Nhìn xem khi hai tế bào nguyên mẫu lớn này, những tế bào lai, hợp nhất với nhau. Giờ chúng ta có một tế bào nguyên mẫu nhảy múa và quá trình tự tái tạo. Đúng rồi. (Tiếng cười) Cũng lại chỉ với một chút hóa chất. Cách làm việc của hệ thống này là, bạn có một cơ thể đơn giản chỉ với năm hóa chất, một cơ thế đơn giản ở đây. Và khi chúng lai với nhau, bạn tạo ra một thứ khác lúc trước nó phức tạp hơn trước đó, và bạn thấy xuất hiện một loại hoạt động sống mà trong trường hợp này là sự tái tạo.

Và vì chúng ta có thể làm một số tế bào nguyên mẫu thú vị mà ta thích, màu sắc thú vị và hoạt động thú vị, và chúng rất dễ làm, và chúng có những đặc điểm sống thú vị, có thể những tế bào nguyên mẫu này nói lên điều gì đó về nguồn gốc của sự sống trên Trái đất. Có thế chúng tượng trưng một bước ảnh hưởng dễ dàng, một trong những bước đầu tiên khi sự sống bắt đầu trên Trái đất. Chắc hẳn, phải có những phân tử có mặt trên Trái đất ngày xưa, nhưng chúng không thể nào là những hợp chất tinh khiết mà ta sử dụng trong phòng thí nghiệm và trong những thí nghiệm tôi cho các bạn xem. Hơn thế, chúng phải là những hợp chất phức tạp của tất cả các loại, bởi vì phản ứng hóa học không được kiểm soát tạo ra một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ vô cùng đa dạng. Xem nó như một chất bùn nguyên thủy nhé? Và nó đúng là một đống thứ rất khó để có thể mô tả một cách đầy đủ thậm chí với phương pháp hiện đại, và sản phẩm nhìn nâu nâu, như chút nhựa đường ở đây, phía bên trái. Một hợp chất tinh khiết được đặt phía bên phải, để thấy sự khác biệt.

Bạn sẽ thấy điều tương tự khi bạn lấy ít tinh thể đường tinh trong bếp, bạn cho vào trong chảo và cung cấp năng lượng. Bạn đun nóng, bạn bắt đầu tạo ra hoặc phá hủy những liên kết hóa học trong đường, tạo ra đường caramen màu nâu, đúng không? Nếu bạn cứ đun như thế không điều chỉnh, bạn sẽ tiếp tục tạo ra và phá hủy liên kết hóa học, tạo ra một hỗn hợp còn đa dạng hơn bao gồm những phân tử mà sau đó tạo ra thứ màu đen giống hắc ín này trong chảo, đúng, và nó rất khó để rửa sạch. Và sự khởi đầu của sự sống nhìn giống như thế đó. Bạn cần phải lấy sự sống ra khỏi cái đống này mà tồn tại trên Trái đất xa xưa, bốn, bốn tỉ rưỡi năm trước đây. Và thử thách là, bỏ tất cả những hóa chất tinh khiết trong phòng thí nghiệm, và cố làm một loại tế bào nguyên mẫu với đặc điểm sống từ những chất bùn nguyên thủy này.

Và sau đó chúng ta có thể thấy quá trình tự liên kết của những giọt dầu này lại lần nữa như chúng ta thấy vừa nãy, và những đốm đen ở trong đó tượng trưng thứ hắc ín màu đen này -- thứ hắc ín hữu cơ màu đen rất phức tạp, đa dạng này. Và chúng ta cho chúng cùng vào một trong những thí nghiệm, như bạn thấy vừa nãy, và sau đó ta thấy xuất hiện những chuyển động rất sinh động. Chúng nhìn rất tốt, những chuyển động rất xinh xắn, và chúng còn có vẻ như có một dạng hoạt động kiểu như xoay quanh lẫn nhau và theo sau nhau, tương tự như những gì chúng ta đã thấy -- nhưng một lần nữa, chỉ với những điều kiện hết thức nguyên thủy, không hợp chất tinh khiết. Những tế bào nguyên mẫu hắc ín này, chúng còn có khả năng phát hiện nguồn vật chất trong môi trường. Tôi sẽ cho thêm một chút vật chất vào bên trái, ở đây, hòa vào môi trường, và bạn có thể thấy, chúng rất thích điều đó. Chúng trở nên rất hoạt động, và có thể tìm nguồn vật chất trong môi trường, giống như những gì ta thấy trước đó. Nhưng lại lần nữa, những điều này được làm trong điều kiện nguyên thủy, những điều kiện cực kì hỗn độn, chứ không phải những điều kiện vô trùng trong phòng thí nghiệm. Đây là những tế bào nguyên mẫu bé nhỏ bẩn thỉu, thực tế là vậy. (Tiếng cười) Nhưng chúng có đặc điểm sống, đó mới quan trọng.

Vậy nên, làm thí nghiệm sự sống nhân tạo như thế này giúp chúng ta định nghĩa một ranh giới tiềm tàng giữa cơ thế sống và không sống. Và không chỉ có vậy, nó còn giúp chúng ta mở rộng tầm hiểu biết vế sự sống là gì và có thế có những sự sống nào ngoài kia -- sự sống có thế rất khác biệt với sự sống mà ta thấy trên Trái đất. Và nó dẫn tôi đến thuật ngữ tiếp theo, đó là "sự sống kì dị". Đây là một thuật ngữ tạo ra bởi Steve Benner. Nó được dùng trong một bản báo cáo năm 2007 bởi Hiệp hội Nghiên cứu Quốc gia ở Hoa Kỳ, trong đó họ cố gắng tìm cách hiểu làm sao chúng ta có thể tìm kiếm sự sống ở những nơi khác trong vũ trụ, ôkê, đặc biệt là nếu sự sống đó rất khác biệt với sự sống trên Trái đất. Nếu chúng ta đi tới một hành tinh khác và chúng ta nghĩ là có thể có sự sống ở đó làm thế nào chúng ta có thể nhận ra đó là sự sống?

Nào, họ nghĩ ra ba tiêu chuẩn rất cơ bản. Đầu tiên -- và nó được liệt kê ra ở đây. Đầu tiên là, một cơ thể phải ở trạng thái không cân bằng. Có nghĩa là cơ thể không được chết, đơn giản là như thế. Thực ra nó có nghĩa là, bạn có một nguồn năng lượng cung cấp cho cơ thể mà sự sống có thế sử dụng để duy trì bản thân. Đây cũng giống như có Mặt trời chiếu sáng trên Trái đất, thúc đẩy quá trình quang hợp, duy trì hệ sinh thái. Không có Mặt trời, rất có thể sẽ không có sự sống trên hành tinh này. Thứ hai, sự sống cần phải ở dạng chất lỏng, có nghĩa là thậm chí nếu chúng ta có một số cấu trúc thú vị, phân tử thú vị với nhau nhưng chúng là chất rắn bị đông cứng, thì đây không còn là nơi đất lành cho sự sống nữa. Và thứ ba, chúng ta cần có khả năng tạo ra và phá hủy liên kết hóa học. Và một lần nữa, điều này rất quan trọng bởi vì sự sống chuyển hóa vật chất từ môi trường thành năng lượng sống để duy trì bản thân.

Hôm nay tôi kể cho các bạn nghe về những tế bào nguyên mẫu rất kì dị và lạ lùng -- một số có chứa đất sét, một số có chất bùn nguyên thủy trong chúng, một số chỉ đơn giản là chứa dầu thay vì nước ở trong. Hầu hết chúng không có chứa DNA, thế nhưng chúng vẫn có những đặc điểm của sự sống. Nhưng những tế bào nguyên mẫu thỏa mãn những điều kiện chung này của cơ thể sống. Vì thế bằng những thí nghiệm hóa học này trên sự sống nhân tạo, chúng tôi hy vọng không chỉ hiểu thêm những điều căn bản về nguồn gốc của sự sống và sự tồn tại của sự sống trên hành tinh này, mà còn những sự sống có thể tồn tại ngoài vụ trụ. Cám ơn. (Vỗ tay)