Các hợp chất đầu tiên trên Trái đất đã thức dậy thế nào? Các nhà khoa học chưa thể nói chắc chắn về điều đó vì họ chưa thể tạo ra sự sống từ hoá chất trong phòng thí nghiệm.

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.

Khi nói rằng chúng ta tiến hoá từ các vi khuẩn hiếu nhiệt hay từ các vi khuẩn lam thì điều đó có nghĩa là gì? Hay cụ thể hơn, tiến hoá có nghĩa là gì?

Kể từ khi Charles Darwin trình bày thuyết tiến hoá năm 1859, các nhà khoa học đã tranh luận về vấn đề này. Vì vi khuẩn tiến hoá theo những cách thức phức tạp hơn là các sinh vật đã phát triển, những kiến thức mới thu được khi nghiên cứu về vi khuẩn đưa ra một vài gợi ý về cách thức sinh vật thay đổi và phát triển theo thời gian.

Cách thứ nhất, theo học thuyết của Darwin, là những biến dị ngẫu nhiên, hay là những thay đổi diễn ra từ thế hệ này sang thế hệ khác. Ngày nay chúng ta đã biết biến dị di truyền xảy ra một cách ngẫu nhiên hoặc xảy ra trong quá trình gene tự nhân bản. (Gene là một đoạn DNA lập trình cho một protein hoàn chỉnh hay một đoạn protein).

Một biến dị đơn giản là một thay đổi trong chuỗi các nucleotides (phân tử tiền tố của nucleic acid) trong một genome (bộ gene), làm thay đổi các hướng dẫn sinh học trong quá trình hình thành của một sinh vật. Sinh vật mới hình thành chuyển các gene của nó cho thế hệ sau với tần suất thường xuyên hơn là những sinh vật tương tự chỉ khi sự biến dị cho nó một số lợi thế trong việc cạnh tranh đoạt lấy những yếu tố cần thiết trong môi trường và trong quá trình tự sinh sản. Điều Darwin làm sáng tỏ là cơ chế của quá trình tiến hoá, đó là sự thích nghi đối với thay đổi của môi trường thông qua đột biến gene.

Cách tiến hoá thứ hai là cách của vi khuẩn. Vi khuẩn sinh sôi bằng các tăng kích thước lên gấp đôi, nhân đôi chuỗi DNA, và phân chia, mỗi tế bào mới nhận một chuỗi DNA. Mỗi hai mươi phút, những vi khuẩn nhanh nhẹn lại tự nhân đôi. Nếu bị đe doạ, vi khuẩn thải các “vật liệu gene” của nó ra môi trường và các vi khuẩn khác nhặt lại một vài loại vật liệu đó.

Sau đó, vi khuẩn tái tạo lại DNA của chúng, giống như kiểu mà loài người chỉ mới đang học cách làm. Vi khuẩn thay đổi khoảng 15 phần trăm vật liệu gene mỗi ngày, chúng hình thành một mạng lưới linh hoạt cho phép chúng trao đổi vật liệu gene vô cùng nhanh chóng.

Cách tiến hoá thứ ba được gọi là “tiến hoá cộng sinh” (symbiogenesis). Tiến hoá theo cách này xảy ra khi hai sinh vật tiến hành cộng sinh vĩnh viễn. Một ví dụ dễ thấy là những vi khuẩn không thể hoạt động trong môi trường có oxygen, nhưng vẫn có thể sống trong ruột, nơi có oxygen, để hỗ trợ tiêu hoá thức ăn.

Trong 2 tỉ năm, với khoảng thời gian từ 3,8 tỉ năm đến 1,8 tỉ năm trước, vi khuẩn phát triển theo cách bí ẩn riêng của nó. Suốt thời gian đằng đẵng này, vi khuẩn sản xuất men, tổng hợp các hợp chất có nitrogen, quang hợp, di chuyển và tạo ra các thành phần cơ bản khác của hệ sinh thái trên Trái đất.

Lúc ban đầu, khi những tế bào đầu tiên không có đủ gene để kiểm soát mọi amino acid, nucleotides, vitamin, và enzyme mà chúng cần, chúng đã thu nạp luôn các thành phần của môi trường. Khi vi khuẩn sinh sôi và bắt đầu tiêu thụ dưỡng chất, những con sống sót phải tự tạo ra cách thức trao đổi chất mới để tách lấy thực phẩm và năng lượng từ các nguyên liệu có sẵn.

Một trong những cải biến đầu tiên xảy ra khi vi khuẩn chuyển hoá đường thành năng lượng. Các vi khuẩn khác, sống trong bùn và nước, thiếu ánh sáng Mặt trời, tự tìm ra cách phá vỡ chất đường (tức quá trình lên men), phương pháp vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay. Một số vi khuẩn phát triển được khả năng thu nạp khí nitrogen từ khí quyển và chuyển hoá nó thành các chuỗi amino acid. Tất cả các sinh vật ngày nay đều phụ thuộc vào một nhóm nhỏ các vi khuẩn có thể tổng hợp nitrogen từ không khí.

Vi khuẩn cũng đã tiến hoá để có thể quang hợp, tức chuyển hoá ánh sáng và CO₂ trong không khí thành thực phẩm. Các vi khuẩn ban đầu lấy hydrogen trực tiếp trong không khí để kết hợp với carbon tạo ra carbohydrate. Thành tựu trong việc trao đổi chất này, mà đến nay người ta cũng chưa hiểu tường tận, được đánh giá là một trong những sự kiện quan trọng nhất đã xảy ra trên hành tinh chúng ta. Vi khuẩn cũng có khả năng chuyển hoá nước, các loại khí và hợp chất hoà tan có trong khí quyển để điều hoà môi trường sống của chúng.

Khi vi khuẩn đã được gần 2 tỉ năm tuổi (cách nay 1,8 tỉ năm), chúng có mặt ở khắp mọi ngóc ngách trên quả đất. Vi khuẩn các màu tím, hung sặc sỡ nhan nhản trong các ao hồ cạn. Các mảng váng xanh nâu lững lờ trôi trên mặt nước, bám vào bờ, làm đổi màu đất ẩm. Xa xa, miệng núi lửa vẫn còn nghi ngút khói, và không khí nồng nặc mùi hôi do hàng lớp vi khuẩn thải ra.

Đến lúc này, vi khuẩn dường như đã có các hệ trao đổi chất và enzyme, nhưng chúng vẫn còn là các tế bào không có nhân được gọi là prokaryote. Gene của chúng bơi lội thoải mái bên trong vì chúng chưa nhóm lại thành các chromosome bọc trong một cái màng để trở thành nhân. Nhưng ngay cả như vậy, vi khuẩn cũng đã thiết lập được các yếu tố căn bản của đời sống trên hành tinh này.