Tất cả các tế bào sống đều tự cung cấp năng lượng bằng cách dụ dỗ các electron năng lượng từ mặt này sang mặt kia của màng. Theo một nghĩa nào đó, các cơ chế dựa trên màng tế bào để thực hiện điều này là một đặc điểm phổ biến của sự sống giống như mã di truyền. Nhưng không giống như mã di truyền, các cơ chế này không giống nhau ở mọi nơi: Hai loại tế bào đơn giản nhất, vi khuẩn và vi khuẩn cổ, có màng và phức hợp protein để tạo ra năng lượng không giống nhau về mặt hóa học và cấu trúc. Những khác biệt đó làm cho khó đoán làm thế nào những tế bào đầu tiên đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng.
Điều bí ẩn này đã dẫn biệt danh ngõ, giáo sư hóa sinh tiến hóa tại Đại học College London, trước một giả thuyết không chính thống về nguồn gốc sự sống. Điều gì sẽ xảy ra nếu sự sống nảy sinh trong một môi trường địa chất nơi các gradient điện hóa qua các rào cản nhỏ xảy ra một cách tự nhiên, hỗ trợ một dạng trao đổi chất nguyên thủy trong khi các tế bào như chúng ta biết đã tiến hóa? Một nơi có thể tự đề xuất điều này: các lỗ thông hơi thủy nhiệt kiềm dưới đáy biển sâu, bên trong các thành tạo đá có độ xốp cao gần giống như bọt biển khoáng hóa.
Lane đã khám phá ý tưởng khiêu khích này trong nhiều tạp chí giấy tờ, và anh ấy đã đề cập đến nó trong một số cuốn sách của mình, chẳng hạn như Câu hỏi quan trọng, nơi anh ấy viết, "Quá trình chuyển hóa carbon và năng lượng được thúc đẩy bởi độ dốc của proton, chính xác là những gì lỗ thông hơi cung cấp miễn phí." Ông mô tả ý tưởng chi tiết hơn cho công chúng trong cuốn sách mới nhất của mình, Transformer: Hóa học sâu sắc của sự sống và cái chết. Theo quan điểm của ông, trao đổi chất là trung tâm của sự sống và thông tin di truyền xuất hiện một cách tự nhiên từ đó chứ không phải ngược lại. Lane tin rằng ý nghĩa của sự đảo ngược này chạm đến hầu hết mọi bí ẩn lớn trong sinh học, bao gồm cả bản chất của ung thư và lão hóa.
Lý thuyết của Lane vẫn chỉ là một trong số nhiều lý thuyết trong lĩnh vực nghiên cứu nguồn gốc của sự sống. Nhiều nếu không muốn nói là hầu hết các nhà khoa học đứng trước lý thuyết rằng sự sống bắt đầu bằng hỗn hợp tự sao chép of RNA và các phân tử khácvà rằng nó phát sinh trên hoặc gần bề mặt Trái đất, được nuôi dưỡng bởi ánh sáng mặt trời. Các nghiên cứu về lỗ thông hơi thủy nhiệt như lò luyện kim cho sự sống đã bùng nổ trong những thập kỷ gần đây, nhưng một số nghiên cứu ủng hộ miệng núi lửa trong nước ngọt, không phải lỗ thông hơi sâu dưới đáy biển. Tuy nhiên, trong khi lời giải thích của Lane không trả lời tất cả các câu hỏi về cách thức sự sống bắt đầu, thì nó giải quyết những câu hỏi khó về cách thức tổng hợp protein và các phân tử sinh học thiết yếu khác có thể xảy ra.
Nghiên cứu về nhu cầu năng lượng đã ảnh hưởng và hạn chế sự tiến hóa của sự sống như thế nào luôn là chủ đề trọng tâm trong sự nghiệp của Lane với tư cách vừa là một nhà khoa học — với hơn 100 bài báo trên các tạp chí được đánh giá ngang hàng — vừa là một nhà văn khoa học. Lane đã nhận được Giải thưởng của Hiệp hội Hóa sinh năm 2015 vì những đóng góp của anh ấy cho khoa học sự sống và vào năm 2016, Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn đã trao tặng anh ấy giải thưởng giải Micheal Faraday cho sự xuất sắc trong việc truyền đạt khoa học tới công chúng.
Quanta gần đây đã nói chuyện với Lane tại nhà của anh ấy ở London thông qua hội nghị truyền hình. Cuộc phỏng vấn đã được cô đọng và chỉnh sửa cho rõ ràng.
Cuốn sách của bạn lập luận rằng dòng năng lượng và vật chất cấu trúc nên sự tiến hóa của sự sống và là cách quá trình trao đổi chất "kết hợp các gen vào sự tồn tại." Lý do thuyết phục nhất để nghĩ rằng sự trao đổi chất, chứ không phải thông tin di truyền, tiến hóa đầu tiên là gì?
Quan điểm thuần túy về “thông tin là ưu tiên hàng đầu” là thế giới RNA, nơi một số quá trình trong môi trường tạo ra nucleotide và các nucleotide trải qua một quá trình khiến chúng liên kết với nhau thành chuỗi polymer. Sau đó, chúng ta có một quần thể RNA, và chúng phát minh ra mọi thứ, bởi vì chúng có khả năng xúc tác các phản ứng và tự sao chép. Nhưng sau đó làm thế nào mà các RNA phát minh ra tất cả quá trình trao đổi chất, tế bào, cấu trúc không gian, v.v.? Gen không thực sự làm điều đó ngay cả ngày hôm nay. Các tế bào đến từ các tế bào, và các gen đi cùng với chuyến đi. Vậy tại sao gen lại làm điều đó ngay từ đầu?
Và họ sẽ làm điều đó như thế nào? Giả sử có 10 bước trong lộ trình sinh hóa và bất kỳ bước nào nếu chỉ có một mình nó thì không có ích gì nhiều. Mỗi sản phẩm trong một lộ trình sẽ phải hữu ích để nó phát triển, điều này không đúng. Có vẻ như rất khó để phát triển ngay cả trên một con đường duy nhất.
Giải pháp thay thế là gì?
Thay vào đó, những điều này xảy ra một cách tự nhiên trong các điều kiện thuận lợi và bạn nhận được một lượng rất nhỏ sự chuyển đổi xen kẽ từ một trung gian này sang trung gian tiếp theo trong toàn bộ con đường đó. Nó sẽ không nhiều lắm, và nó sẽ không nhanh lắm so với các phản ứng do enzyme xúc tác, nhưng nó sẽ ở đó. Sau đó, khi một gen phát sinh ở một số giai đoạn sau, nó có thể xúc tác cho bất kỳ bước nào trong số đó, điều này sẽ có xu hướng đẩy nhanh toàn bộ quá trình.
Điều đó làm cho vấn đề dễ dàng hơn nhiều. Nhưng nó cũng đưa ra dự đoán đáng sợ này rằng tất cả các phản ứng hóa học trong con đường này phải được ưa chuộng. Và sau đó bạn nói điều đó cho một con đường khác và một con đường khác, và nó trở thành một đề xuất ngày càng đáng sợ rằng cốt lõi của hóa sinh tình cờ được ưa chuộng về mặt nhiệt động lực học khi không có gen.
Sáu hoặc bảy năm trước, đây không phải là một vị trí dễ duy trì, bởi vì thực sự không có bằng chứng cho điều đó. Nhưng kể từ đó, ít nhất ba hoặc bốn trong số các con đường này đã được chứng minh là xảy ra một cách tự nhiên và ở mức độ thấp trong phòng thí nghiệm. Không phải tất cả các con đường đều hoàn thành, nhưng các bước trung gian xảy ra. Có vẻ như không phải là không hợp lý khi nói rằng các gen đã tồn tại trong một thế giới mà chúng ta đã có một số quá trình trao đổi chất nguyên sinh khá phức tạp.
Hãy nói về quá trình trao đổi chất nguyên sinh có thể đã phát triển như thế nào trong các lỗ thông hơi thủy nhiệt dưới biển sâu. Điều gì về môi trường lỗ thông hơi khiến bạn nghĩ rằng nó ủng hộ sự khởi đầu của cái mà chúng ta gọi là chu trình Krebs, quá trình trao đổi chất lấy năng lượng từ carbohydrate, chất béo và protein?
Hãy bắt đầu với những gì cuộc sống bắt đầu: hydro và carbon dioxide, những chất không phản ứng dễ dàng. Cuộc sống khiến họ phản ứng như thế nào? Như chúng ta thấy ở ty thể và ở một số vi khuẩn nhất định, sự sống sử dụng điện tích trên màng để chuyển các electron từ hydro sang các protein lưu huỳnh sắt như ferredoxin. Những cụm ion sắt và ion lưu huỳnh nhỏ bé này ở trung tâm của các protein cổ xưa giống như những khoáng chất nhỏ. Bạn nhận được những khoáng chất này trong các lỗ thông thủy nhiệt, và bạn cũng nhận được carbon dioxide và hydro, và thậm chí còn có những rào cản mỏng trong đá xốp với điện tích trên chúng.
Câu hỏi đặt ra là: Cấu trúc này tại các lỗ thông hơi có điều khiển hiệu quả phản ứng giữa carbon dioxide và hydro không? Và câu trả lời mà chúng tôi tìm thấy trong một hoặc hai năm qua trong phòng thí nghiệm là có, nó thực sự có. Chúng tôi không nhận được nhiều, nhưng chúng tôi sẽ nhận được nhiều hơn khi chúng tôi bắt đầu tối ưu hóa quy trình của mình và những gì chúng tôi thấy được sản xuất là các chất trung gian của chu trình Krebs. Và nếu bạn cho một ít nitơ vào, bạn sẽ nhận được cùng loại axit amin mà sự sống đang sử dụng.
Vì vậy, hóa học này được ưa chuộng về mặt nhiệt động. Đó chỉ là những bước đầu tiên không tính toán, nhưng điện tích trên lỗ thông hơi thủy nhiệt dường như hạ thấp rào cản đối với bước đầu tiên đó, vì vậy phần còn lại có thể xảy ra. Trên thực tế, những gì bạn có là một dòng chảy liên tục của chất lỏng thủy nhiệt trải qua phản ứng điện hóa này, chuyển đổi khí trong môi trường thành nhiều phân tử hữu cơ hơn, mà bạn có thể tưởng tượng chúng chui vào các lỗ giống tế bào, tự cấu trúc chúng thành các thực thể giống tế bào và tạo ra nhiều hơn của mình. Đó là một hình thức tăng trưởng rất thô sơ, nhưng nó sống động như thật theo nghĩa đó.
Nhưng sau đó, làm thế nào mà những tế bào nguyên sinh đầu tiên này trở nên độc lập với gradient proton mà chúng nhận được miễn phí trong các lỗ thông hơi thủy nhiệt?
Phần lớn điều này vẫn chỉ là suy đoán, nhưng dường như câu trả lời là bạn cần gen để độc lập. Và đây là một câu hỏi cơ bản: Các gen xuất hiện ở đâu và khi nào?
Chúng tôi đã chỉ ra rằng về mặt lý thuyết, nếu bạn đưa vào các chuỗi RNA ngẫu nhiên và cho rằng các nucleotide trong đó có thể trùng hợp, bạn sẽ nhận được các chuỗi nucleotide nhỏ. Giả sử dài bảy hoặc tám chữ cái ngẫu nhiên, không có thông tin nào được mã hóa trong đó. Có hai cách điều này bây giờ có thể thực sự giúp bạn. Một là nó hoạt động như một khuôn mẫu cho nhiều RNA hơn: Nó có khả năng tạo khuôn mẫu cho một bản sao chính xác của cùng một trình tự, ngay cả khi trình tự đó không có thông tin nào trong đó. Nhưng điều thứ hai nó có thể làm về nguyên tắc là hoạt động như một khuôn mẫu cho các axit amin. Có các kiểu tương tác sinh lý không đặc hiệu giữa axit amin và các chữ cái trong RNA - axit amin kỵ nước có nhiều khả năng tương tác với các bazơ kỵ nước hơn.
Vì vậy, bạn có một chuỗi RNA ngẫu nhiên tạo ra một peptide không ngẫu nhiên. Và peptit không ngẫu nhiên đó có thể tình cờ có một số chức năng trong tế bào nguyên sinh đang phát triển. Nó có thể làm cho tế bào phát triển tốt hơn hoặc xấu đi; nó có thể giúp RNA tự sao chép; nó có thể liên kết với các đồng sáng lập. Sau đó, bạn có sự lựa chọn cho peptide đó và trình tự RNA đã tạo ra nó. Mặc dù đó là một hệ thống rất thô sơ, nhưng điều này có nghĩa là chúng ta vừa bước vào thế giới của gen, thông tin và chọn lọc tự nhiên.
Chúng ta vừa chuyển từ một hệ thống không có thông tin sang một hệ thống có thông tin, hầu như không có bất kỳ thay đổi nào trong chính hệ thống đó. Tất cả những gì chúng tôi đã làm là giới thiệu RNA ngẫu nhiên. Bây giờ, nó có đúng không? Họ nói rằng những ý tưởng đẹp đẽ nhất có thể bị giết chết bởi những sự thật xấu xí. Và nó có thể không đúng, nhưng nó có khả năng giải thích cao đến mức tôi không thể tin rằng nó không đúng.
Vì vậy, trong các lỗ thông hơi thủy nhiệt, chúng tôi nhận được một số chất trung gian của chu trình Krebs. Nhưng rồi làm thế nào mà tất cả chúng lại kết hợp với nhau thành một vòng tuần hoàn? Điều quan trọng là điều này hoạt động như một chu kỳ chứ không phải là một chuỗi phản ứng tuyến tính?
Chúng ta thường tập trung vào chu trình Krebs thực hiện lặp đi lặp lại các phản ứng tạo ra năng lượng giống nhau. Nhưng chu trình Krebs có thể hoạt động theo cả hai hướng. Trong ty thể của chúng ta, nó tách carbon dioxide và hydro ra khỏi các phân tử trung gian để tạo ra điện tích trên màng để lấy năng lượng. Tuy nhiên, ở nhiều vi khuẩn cổ đại, nó hoàn toàn ngược lại: Nó sử dụng điện tích trên màng để điều khiển các phản ứng với carbon dioxide và hydro để tạo ra các chất trung gian đó, trở thành tiền chất để tạo ra các axit amin cần thiết cho sự phát triển.
Và không chỉ ở vi khuẩn cổ đại — các tế bào của chúng ta vẫn sử dụng chu trình Krebs để sinh tổng hợp. Từ những năm 1940, chúng ta đã biết rằng chu trình Krebs đôi khi có thể chạy ngược lại trong tế bào của chúng ta và các phân tử trung gian của nó đôi khi được sử dụng làm tiền chất để tạo ra axit amin. Ti thể của chúng ta đang cân bằng hai quá trình đối nghịch nhau, tạo năng lượng và sinh tổng hợp, dựa trên nhu cầu của các tế bào của chúng ta. Có một loại âm và dương về điều này.
Chu trình Krebs chưa bao giờ thực sự hoạt động như một chu trình thực sự ngoại trừ trong những tế bào có năng lượng cao nhất, như cơ bay của chim bồ câu, nơi nó được phát hiện lần đầu tiên. Trong hầu hết các tế bào, chu trình Krebs giống một bùng binh hơn là một chu trình, với những thứ đi vào và đi ra ở những điểm khác nhau. Và đó là một bùng binh có thể đi theo cả hai hướng, vì vậy nó hơi lộn xộn.
Làm thế nào là sự gia tăng của oxy liên quan đến hướng thuận lợi của dòng trao đổi chất và sự tiến hóa của các động vật đa bào đầu tiên?
Những loài động vật đầu tiên dường như đã tiến hóa khi nồng độ oxy rất thấp trong phần lớn thời gian. Chúng bò lổm ngổm trong bùn đầy sunfua, giống như khí trong cống rãnh. Những con giun ban đầu này cần một ít oxy để bò, nhưng chúng cũng cần giải độc tất cả lượng sunfua này và xử lý rất nhiều carbon dioxide trong môi trường của chúng.
Tôi chợt nhận ra rằng cách duy nhất bạn có thể làm được điều đó là có các loại mô khác nhau đảm nhiệm những công việc khác nhau. Ngay khi bạn đang bò, bạn cần cơ bắp, và bạn cần một loại hệ thống hô hấp nào đó. Đó là hai loại mô khác nhau, một trong số đó phải giữ oxy và cung cấp khi bạn cần, trong khi loại kia cố gắng hoạt động trong điều kiện thiếu oxy. Chúng phải thực hiện quá trình sinh hóa theo những cách khác nhau, với các dòng chảy khác nhau trong chu trình Krebs của chúng. Bạn bị buộc phải làm hai hoặc ba việc cùng một lúc.
Bây giờ, ngược lại, có một nhóm sinh vật đơn giản bí ẩn được gọi là hệ động vật Ediacaran. Chúng sống ở độ sâu khoảng 200m dưới đại dương và tuyệt chủng ngay trước kỷ Cambri bùng nổ khoảng 540 triệu năm trước, khi nồng độ oxy trong môi trường giảm xuống. Hệ động vật Ediacaran không có nhiều sự khác biệt về mô và chúng chỉ có thể làm một việc về mặt sinh hóa tại một thời điểm. Khi nồng độ oxy giảm ngay trước kỷ Cambri, chúng không thể thích nghi với môi trường mới.
Nhưng ngay khi bạn có nhiều mô, bạn có thể làm mọi thứ song song. Bạn có thể cân bằng những gì mô này đang làm với những gì mô kia đang làm. Bạn không thể thực hiện quá trình sinh tổng hợp và năng lượng đồng đều cùng một lúc một cách rất dễ dàng - việc thực hiện cái này hay cái kia sẽ dễ dàng hơn. Điều đó buộc chúng ta phải có sự trao đổi chất khác nhau trong các mô khác nhau.
Vì vậy, sự khác biệt của mô không chỉ là việc có các gen nói rằng, "Đây sẽ trở thành gan" hoặc "Đây sẽ trở thành mô thần kinh." Nó cho phép những lối sống không thể tồn tại trước đây và nó cho phép những con sâu đầu tiên vượt qua những điều kiện tồi tệ giết chết mọi thứ khác. Vụ nổ kỷ Cambri xảy ra sau đó. Khi mức oxy cuối cùng đã tăng lên, những con giun được tôn vinh với nhiều mô này đột nhiên trở thành màn trình diễn duy nhất trong thị trấn.
Điều này liên quan đến một số ý tưởng của bạn về bệnh ung thư. Kể từ những năm 1970, hầu hết các cơ sở y sinh hoạt động để chữa trị và ngăn ngừa ung thư đều tập trung vào gen gây ung thư. Tuy nhiên, bạn lập luận rằng ung thư không phải là bệnh di truyền mà là bệnh chuyển hóa. Bạn có thể giải thích lý do tại sao?
Khoảng 10 năm trước, cộng đồng ung thư đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng trong một số bệnh ung thư, đột biến có thể dẫn đến các phần của chu trình Krebs chạy ngược lại. Nó đến như một cú sốc vì chu kỳ Krebs thường được dạy là chỉ quay về phía trước để tạo ra năng lượng. Nhưng hóa ra là trong khi một tế bào ung thư cần năng lượng, thì thứ mà nó thực sự cần nhiều hơn là các khối xây dựng dựa trên carbon để phát triển. Vì vậy, toàn bộ lĩnh vực ung thư học bắt đầu coi sự đảo ngược này của chu trình Krebs là một dạng tái tạo trao đổi chất giúp các tế bào ung thư phát triển.
Phát hiện này cũng gây ra sự giải thích lại về thực tế là các tế bào ung thư phát triển chủ yếu bằng cái gọi là quá trình đường phân hiếu khí. Trên thực tế, các tế bào ung thư chuyển từ đốt cháy oxy trong ty thể của chúng để hô hấp sang lên men để lấy năng lượng như tế bào nấm men, ngay cả khi có oxy. Khi Otto Warburg báo cáo điều này cách đây gần 100 năm, ông ấy đã tập trung vào khía cạnh năng lượng. Nhưng cộng đồng ung thư giờ đây coi sự thay đổi này là về sự tăng trưởng. Bằng cách chuyển sang đường phân hiếu khí để lấy năng lượng, các tế bào ung thư giải phóng ty thể của chúng cho các mục đích khác. Các tế bào ung thư có ty thể sinh tổng hợp để tạo nên các khối xây dựng của sự sống.
Đúng là bạn thấy đột biến oncogene trong bệnh ung thư. Nhưng bệnh ung thư không được gây ra đơn giản bởi một số đột biến di truyền nhất định buộc các tế bào tiếp tục phát triển mà không dừng lại. Sự trao đổi chất cũng rất quan trọng, vì nó cung cấp một môi trường thuận lợi cho sự phát triển. Tăng trưởng đến trước các gen theo nghĩa này.
Điều gì khiến chúng ta dễ bị ung thư hơn khi già đi, nếu đó không phải là sự tích tụ của các đột biến?
Tôi nghĩ rằng bất kỳ thiệt hại nào đối với quá trình hô hấp làm chậm chu trình Krebs sẽ khiến nó có nhiều khả năng đảo ngược quá trình sinh tổng hợp hơn. Khi chúng ta già đi và tích lũy đủ loại tổn thương tế bào, phần trung tâm này của quá trình trao đổi chất của chúng ta có nhiều khả năng bắt đầu đi lùi hoặc không tiến lên một cách hiệu quả. Điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ có ít năng lượng hơn; điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ bắt đầu tăng cân vì chúng ta bắt đầu biến carbon dioxide mà chúng ta thở ra trở lại thành các phân tử hữu cơ. Nguy cơ mắc các bệnh như ung thư của chúng ta tăng lên vì chúng ta có quá trình trao đổi chất dễ dẫn đến loại tăng trưởng đó.
Cộng đồng lão khoa đã nói về những dòng này trong 10 đến 20 năm. Yếu tố rủi ro lớn nhất đối với các bệnh liên quan đến tuổi tác không phải là đột biến; nó đã cũ. Nếu chúng ta có thể giải quyết được quá trình lão hóa cơ bản, thì chúng ta có thể chữa khỏi hầu hết các bệnh liên quan đến tuổi tác. Nó có vẻ đơn giản đến trêu ngươi ở nhiều khía cạnh. Chúng ta thực sự sẽ đột nhiên sống đến 120 hay 800? Tôi không thấy nó xảy ra sớm. Nhưng sau đó, câu hỏi là, tại sao không?
Tại sao chúng ta già đi? Điều gì gây ra thiệt hại tế bào gắn kết?
Trong năm hoặc sáu năm qua, chúng tôi đã phát hiện ra rằng các chất trung gian trong chu trình Krebs là những tín hiệu mạnh. Vì vậy, nếu chu kỳ chậm lại và bắt đầu quay ngược lại, thì chúng ta bắt đầu tích lũy các chất trung gian và những thứ như succinat bắt đầu chảy ra khỏi ty thể. Chúng bật và tắt hàng nghìn gen và chúng thay đổi trạng thái biểu sinh của tế bào. Lão hóa phản ánh tình trạng trao đổi chất của bạn.
Chúng ta có xu hướng quên rằng quá trình trao đổi chất có thể bao gồm 20 tỷ phản ứng mỗi giây, giây này qua giây khác, trong mỗi tế bào đơn lẻ trong cơ thể bạn. Khối lượng tuyệt đối của các phân tử được biến đổi liên tục, trong tất cả các con đường này, kể cả ngay trung tâm của chu trình Krebs, là quá lớn. Đó là một dòng sông phản ứng không thể lay chuyển. Chúng ta không thể đảo ngược dòng chảy của nó, nhưng có lẽ chúng ta có thể hy vọng chuyển nó tốt hơn một chút giữa các bờ.
