Năm 1953, Stanley Miller, một sinh viên tốt nghiệp Đại học Chicago, dùng hai chiếc chậu – một chứa một ít nước tượng trưng cho đại dương nguyên sinh, chiếc còn lại chứa hỗn hợp mêtan, amoniac, và khí hydro sunfua tượng trưng cho bầu khí quyển nguyên sinh của trái đất – nối chúng với nhau bằng các ống cao su, và đưa vào đó vài tia lửa điện tượng trưng cho sấm sét. Vài ngày sau, nước trong hai chiếc chậu này chuyển sang màu xanh lá và vàng và trở thành hỗn hợp axít amin, axít béo, các loại đường và các hỗn hợp hữu cơ khác. Khi quan sát thử nghiệm của Miller, Harold Urey bình luận, “Nếu Thượng đế không làm thế thì Người đã bỏ nhỡ một dịp tốt”.
Các bài báo khi ấy đã hợp lý hóa mọi việc cứ như thể chỉ cần có một nhân vật nào đó có thể tạo ra đời sống này. Theo thời gian, chúng ta nhận thấy rằng mọi việc không đơn giản như thế. Dù trải qua nửa thế kỷ nghiên cứu, chúng ta vẫn chẳng bước thêm được bước nào kể từ năm 1953. Ngày nay các nhà khoa học tin rằng bầu khí quyển ban sơ không giống với những khám phá của Miller và Urey, thay vì vậy nó là hỗn hợp ít phản ứng hơn giữa nitơ và cacbon đioxyt. Lặp lại những thử nghiệm của Miller với các dữ liệu mới, họ nhận thây kết quả chỉ cho ra axít amin. Trong mọi tình huống, việc tạo ra axít amin không phải là vấn đề quan trọng. Điều quan trọng ở đây chính là protein (chất đạm).
Protein là thứ bạn có được khi tổng hợp các loại axít amin cùng nhau, và chúng ta cần có nhiều protein. Không ai thực sự biết rõ nhưng có lẽ có khoảng một triệu loại protein trong cơ thể con người và mỗi loại là một phép mầu khác nhau. Nhưng theo mọi quy luật xác suất có thể xảy ra, các loại protein là thứ không thể tồn tại. Để có được protein bạn cần phải tập hợp axít amin theo một trật tự nhất định, giống cách bạn lắp ghép các chữ cái để thành lập một từ ngữ. Vấn đề ở đây là: các từ ngữ trong bảng chữ cái axít amin thường quá dài. Để có được collagen, tên của một loại protein phổ biến, bạn cần phải lắp ghép 1.055 loại axít amin theo một chuỗi hoàn toàn chính xác. Nhưng – và đây là điểm cốt lõi – bạn không tạo ra nó. Nó tự hình thành, rất tự nhiên, không gò ép, và đây chính là khá năng khó xảy ra.
Khả năng để một chuỗi gồm 1.055 phân tử có thể tự sắp xếp để hình thành collagen, nói thực, là bằng không. Điều đó không thể xảy ra. Bạn hãy hình dung một cỗ máy giật xèng (đánh bài) tự động điển hình tại Las Vegas nhưng được phóng đủ lớn để chứa được 1.055 bánh xe xoay tròn thay vì ba hoặc bốn như chúng ta thường thấy, và với hai mươi biểu tượng trên mỗi bánh xe (mỗi biểu tượng đại diện cho một loại axít amin) [1]. Bạn có thể bấm nút bao nhiêu lượt trước khi 1.055 biểu tượng này xuất hiện theo trật tự đúng đắn? Mãi mãi, đúng vậy. Ngay cả khi bạn giảm con số các bánh xe này xuống còn hai trăm, cơ hội để bạn có được trật tự đúng đắn là 1/10260 (10260 có nghĩa là con số 1 và sau nó là 260 con số 0. Đây là con số lớn hơn cả con số nguyên tử có trong vũ trụ).
Tóm lại, protein là các thực thể phức hợp. Hemoglobin chỉ gồm có 146 axít amin, đây là loại protein đơn giản nhất, tuy thế nó vẫn có thể được cấu thành từ chuỗi kết hợp giữa 10190 loại axít amin, đây là lý do tại sao nhà hóa học Max Perutz của Đại học Cambridge phải mất hai mươi lăm năm sự nghiệp mới có thể hiểu rõ về nó. Để có được sự ngẫu nhiên để hình thành chỉ một loại protein cũng đã là việc hầu như không thể xảy ra – có thể ví như việc một cơn lốc xoáy xuất hiện giữa đống phụ tùng phơi trên sân, khi bỏ đi nó để lại một chiếc phi cơ được lắp ráp hoàn chỉnh, theo cách ví von của nhà thiên văn Fred Hoyle, rõ ràng đây là điều không thể.
Song chúng ta lại đang nói đến vài trăm nghìn loại protein khác nhau, thậm chí con số này có thể là hàng triệu, cấu thành sự sống của bạn. Protein chỉ có tác dụng khi nó không những phải lắp ghép các axít amin theo một chuỗi hợp lý mà còn phải sắp xếp các chất hóa học theo trình tự hợp lý và tự hình thành với hình dạng nhất định. Ngay cả khi đã có được cấu trúc phức hợp như thế này, protein vẫn không giúp ích được gì cho bạn nếu nó không thể tự tái tạo và quả thực là protein không thể tự tái tạo. Để có thể tái tạo protein thì bạn phải cần đến DNA. Thế nên chúng ta có một tình huống nghịch lý. Protein không thể tồn tại nếu không có DNA, và DNA trở thành vô nghĩa nếu không có protein. Vậy thì chúng ta có thể nói rằng chúng xuất hiện cùng một lúc để hỗ trợ lẫn nhau? Nếu thế thì: thật ấn tượng!
Và còn hơn thế nữa. DNA, protein và các yếu tố khác cấu thành sự sống không thể phát triển mà không có một loại màng bao bọc chúng. Không một nguyên tử hay phân tử nào có thể tồn tại độc lập. Bạn hãy lấy đi bất kỳ loại nguyên tử nào khỏi cơ thể mình, lập tức cơ thể của bạn sẽ không hơn gì một hạt cát. Chỉ khi chúng kết hợp cùng nhau trong một tế bào thì chúng mới cấu thành sự sống. Nếu không có tế bào này, chúng chỉ là các loại hóa chất. Nhưng nếu không có các hóa chất này thì tế bào cũng trở thành vô nghĩa. Theo lời nhà vật lý học Paul Davies thì, “Nếu mọi thứ đều tương thuộc lẫn nhau, vậy làm sao phân tử đầu tiên có thể xuất hiện được?”. Việc này có thể ví với việc các chất liệu trong nhà bếp của bạn tự kết hợp với nhau và tự nướng chúng thành một chiếc bánh – nhưng là một chiếc bánh có thể tự nhân đôi số lượng để tạo ra nhiều bánh hơn khi cần thiết. Đây là những gì chúng ta gọi đó là điều kỳ diệu của sự sống. Và chúng ta cũng chỉ mới bắt đầu hiểu đôi chút về điều kỳ diệu này.
* * *
Vậy thì mọi sự phức tạp đến mức kỳ diệu này là gì? Có khả năng nó không kỳ diệu như chúng ta nghĩ. Đối với các loại protein, sự kỳ diệu mà chúng ta nhận thấy nơi chúng xuất nguồn từ kết luận rằng chúng xuất hiện một cách trọn vẹn. Nhưng điều gì xảy ra nếu các chuỗi protein không xuất hiện cùng một lúc? Điều gì xảy ra nếu có vài bánh xe tròn trong cỗ máy giật xèng (đánh bài) bị mắc kẹt? Nói cách khác, điều gì xảy ra nếu các loại protein không đột nhiên xuất hiện cùng một lúc mà chỉ tiến hóa chầm chậm?
Bạn hãy hình dung nếu bạn lấy mọi chất liệu cấu thành một con người – cacbon, hydro, oxy, và vân vân – và bỏ chúng vào một chiếc tô với một ít nước, bạn khuấy nó lên và từ đó bạn có một con người trọn vẹn. Đó là điều khó có thể tin được. Đó là điều mà Hoyle và những người khác (kể cả nhiều chuyên gia) tranh luận khi họ đề xuất rằng các loại protein xuất hiện đồng thời với nhau. Không hề – chúng không thể xuất hiện đồng thời với nhau như thế. Theo lý luận của Richard Dawkins trong cuốn The Blind Watchmaker thì, ắt hẳn đã có một quá trình sàng lọc nào đó cho phép các axít amin tập hợp lại với nhau thành nhóm. Có thể là hai hoặc ba loại axít amin kết hợp cùng với nhau vì một vài mục tiêu đơn giản nào đó và sau đó theo thời gian tiếp xúc và kết hợp với một nhóm khác và qua quá trình như thế chúng “khám phá” được những ý nghĩa mới.
Các phản ứng hóa học liên quan đến sự sống thực sự là điều bình thường. Theo lời Stanley Miller và Harold Urey thì có thể chúng ta không tạo ra được sự sống trong phòng thí nghiệm, nhưng vũ trụ có thể dễ dàng tạo ra sự sống. Nhiều phân tử trong tự nhiên kết hợp cùng nhau để hình thành nên các chuỗi dài được gọi là các hợp chất cao phân tử. Các loại đường không ngừng kết hợp cùng nhau để hình thành các loại tinh bột. Các loại thủy tinh có thể làm được nhiều việc tương tự thế – tái tạo, phản ứng với những kích thích từ môi trường, hình thành những phức hợp mới. Dĩ nhiên, chúng chưa bao giờ có được sự sống, nhưng chúng cho thấy rằng sự phức hợp là một quá trình tự nhiên, tự phát, hoàn toàn bình thường. Có thể có hoặc không có nhiều sự sống trong vũ tru bao la, nhưng không hiếm sự tự lắp ghép để hình thành các chỉnh hợp mới.
Xung lực tự lắp ghép này mạnh đến mức nhiều nhà khoa học ngày nay tin rằng sự sống có thể dễ dàng xuất hiện hơn so với những gì chúng ta thường nghĩ – theo lời nhà hóa sinh người Bỉ đã từng nhận giải Nobel tên là Christian de Duve thì, “sự sống có thể xuất hiện tại bất kỳ nơi nào có các điều kiện thích hợp”. De Duve cho rằng các điều kiện thích hợp để cấu thành sự sống có thể xuất hiện một triệu lần tại mỗi dải ngân hà.
Rõ ràng chẳng có gì kỳ lạ khi các chất hóa học cấu thành sự sống của chúng ta. Nếu bạn muốn tạo ra một vật sống khác, một con cá vàng hoặc một ngọn rau diếp hoặc một con người, bạn chỉ cần có bốn nguyên tố chính – cacbon, hydro, oxy, và nitơ – cùng vài nguyên tố phụ, chủ yếu là sulphur, photpho, canxi, và sắt. Bạn hãy kết hợp chúng với nhau thành khoảng ba mươi tổ hợp (hợp chất) để hình thành vài loại đường, vài loại axít, và các hợp chất cơ bản khác và rồi bạn có thể tạo ra bất kỳ thứ gì sống động. Theo lời Dawkins thì: “Chẳng có gì đặc biệt về các chất hình thành sự sống. Các vật sống là tập hợp các phân tử, giống như mọi thứ khác”.
Điểm cốt yếu ở đây là, sự sống khiến chúng ta ngạc nhiên và hài lòng, cũng có thể là điều kỳ diệu, nhưng không phải là điều không thể – như những gì chúng ta không ngừng chứng thực cùng sự sống nhỏ bé của mình. Chỉ có điều là, quá trình hình thành sự sống diễn ra thật ngẫu nhiên. Điều này cũng giống như việc cho đường vào một cốc nước và chờ đợi nó vón cục lại. Điều này không thể xảy ra, nhưng bằng cách nào đó điều này đã xảy ra.
Một trong những bất ngờ lớn nhất trong khoa học suốt vài chục năm qua là khám phá về việc “sự sống xuất hiện trên trái đất này từ khi nào”. Mãi đến năm 1950, người ta nghĩ rằng sự sống xuất hiện trên trái đất trước đó không đến 600 triệu năm. Vào những năm 1970, vài nhà khoa học cho rằng sự sống đã xuất hiện trên trái đất trước đó 2,5 tỷ năm. Hiện nay các nhà khoa học cho rằng sự sống xuất hiện trên trái đất cách đây 3,85 tỷ năm, đây là con số khiến mọi người phải ngạc nhiên. Bề mặt của trái đất chỉ trở nên vững chắc cách đây khoảng 3,9 tỷ năm.
“Chúng ta chỉ có thể suy luận được rằng không khó để loài vi khuẩn có thể xuất hiện và tiến hóa trên các hành tinh có các điều kiện thích hợp”, Stephen Jay Gould phát biểu trên tờ New York Times vào năm 1996.
Thật ra, sự sống xuất hiện nhanh chóng đến mức một số nhà khoa học nghĩ rằng ắt hẳn nó đã có được sự trợ giúp nào đó – thậm chí nhiều sự trợ giúp. Ý tưởng cho rằng sự sống trên trái đất có lẽ đã đến từ không gian đã trở thành một câu chuyện dài trong lịch sử. Chính Lord Kelvin đề xuất khả năng này tại cuộc họp khoa học năm 1871, ông đề xuất rằng “các vi sinh vật có lẽ đã được đưa đến trái đất qua các thiên thạch”. Ý tưởng này tồn tại mãi đến một ngày Chủ nhật nọ vào tháng Chín năm 1969 khi hàng chục nghìn người Úc phải hốt hoảng bởi một loại âm thanh trầm và hình ảnh một quả cầu lửa lao xé gió trên bầu trời hướng từ Tây sang Đông. Khi nó đã bay xa nó để lại mùi giống như mùi cồn pha metanola và một số người cho rằng đó là mùi rất khó chịu.
Quả cầu lửa này phát nổ trên không trung, bên trên thị trấn Murchison, thị trấn này có sáu trăm người thuộc phía Bắc Melbourne, và các mảnh vỡ rơi xuống như mưa, một vài mảnh có trọng lượng lên đến mười hai pound. Rất may là không ai bị thương tích gì. Thiên thạch này là một loại chất hiếm được biết là sụn than và người dân trong thị trấn có thể thu gom được khoảng hai trăm pound chất này.
Trước đó gần hai tháng, các phi hành gia tàu Apollo 11 quay về trái đất với một túi đầy các loại đá trên mặt trăng, thế nên các phòng thí nghiệm trên thế giới lập tức đổ lỗi cho họ về sự xuất hiện của thiên thạch này.
Thiên thạch Murchison được xác định là 4,5 tỷ năm tuổi, và nó chứa nhiều axít amin – tổng cộng bảy mươi bốn loại, tám trong số này có liên quan đến cấu trúc của các loại protein trên trái đất. Cuối năm 2001, hơn ba mươi năm sau sự xuất hiện của thiên thạch Murchison, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trung tâm khảo cứu Ames tại California thông báo rằng thiên thạch Murchison cũng chứa các loại đường phức hợp được gọi là các polyol trước đó chưa từng được tìm thấy trên trái đất.
Vài loại sụn than khác bị thất lạc trên trái đất – một loại được tìm thấy vào tháng Một năm 2000 tại khu vực rộng lớn thuộc Bắc Mỹ – và các nhà khoa học khẳng định rằng vũ trụ đầy ắp các hợp chất hữu cơ. Ngày nay người ta cho rằng sao chổi Halley chứa 25% các phân tử hữu cơ. Nếu có đủ các phân tử này va chạm vào một nơi thích hợp – chẳng hạn trái đất – thì chúng ta sẽ có được các nguyên tố cơ bản cần cho sự sống.
Có hai vấn đề đối với các khái niệm về thuyết tha sinh, còn được gọi là học thuyết về đời sống xuất nguồn từ không gian bên ngoài. Một là, nó không trả lời được bất kỳ câu hỏi nào liên quan đến vấn đề “sự sống hình thành ra sao”, mà chỉ quy trách nhiệm cho một nơi khác. Hai là, có thể nói rằng thuyết tha sinh là học thuyết khá khinh suất. Francis Crick, người đồng khám phá cấu trúc DNA và đồng nghiệp là Leslie Orgel đã đề xuất rằng trái đất “đã được gieo hạt mầm của sự sống bởi người ngoài hành tinh”, đây là ý tưởng mà Gribbin cho là “quá cực đoan trong khoa học” – hoặc có thể nói rằng đây là một ý tưởng quá điên cuồng nếu nó không được phát ra từ một người đã từng nhận giải Nobel như thế. Fred Hoyle và đồng nghiệp của ông là Chandra Wickramasinghe còn ủng hộ thuyết tha sinh bằng cách đề xuất rằng không gian bên ngoài đã đưa đến cho chúng ta không chỉ sự sống mà còn cả nhiều chứng bệnh chẳng hạn bệnh cúm và bệnh dịch hạch, lẽ dĩ nhiên đây là những ý tưởng bị các nhà hóa sinh bác bỏ ngay lập tức. Hoyle – ông vốn là một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất của thế kỷ hai mươi – thậm chí còn cho rằng mũi của chúng ta đã tiến hóa từ những chiếc lỗ hướng lên trời, mũi của chúng ta có hình dáng ngày nay là để tránh các mầm bệnh rơi xuống từ không gian bên ngoài.
Matt Ridley nói, “Dù bạn có đi đến đâu, bất kỳ loài động vật nào, bất kỳ loài thực vật nào bạn trông thấy, nếu nó còn sống, cũng sẽ dùng chung một cuốn từ điển và biết đến cùng một mật mã. Toàn bộ sự sống chỉ là một”. Tất cả chúng ta là kết quả của gen di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác suốt gần bốn tỷ năm qua. Nói cách khác, sự sống tự nó hình thành.
Những hiểu biết về sự xuất hiện của sự sống – hay một cái gì đó giống như thế – được thu thập và đặt trên một chiếc kệ tại văn phòng của một nhà địa hóa học dễ mến tên là Victoria Bennett tại Đại học Australian National University của Canberra (ANU). Là một người Mỹ, cô Bennett đến với ANU từ California theo bản hợp đồng hai năm vào năm 1989 và đã làm việc tại đó mãi đến nay. Khi tôi đến thăm cô vào năm 2001, cô đưa tôi một tảng đá nặng có các đưòrng sọc đan chéo nhau giống như loại thạch anh trắng chúng ta thường thấy và một chất liệu có màu xanh lá xám được gọi là clinopyroxene. Tảng đá này đến từ đảo Akilia tại băng đảo, khu vực mà chúng ta thường tìm được các loại đá cổ vào năm 1997. Tảng đá này có độ tuổi là 3,85 tỷ năm và tiêu biểu cho các loại trầm tích biển cổ nhất đã từng được tìm thấy.
“Chúng tôi không thể khẳng định được thứ bạn đang cầm trên tay đã từng chứa các sinh vật sống”, Bennett nói với tôi. “Nhưng nó có nguồn gốc từ lớp trầm tích mà đời sống cổ xưa nhất được khai quật, thế nên nó có thể đã từng có chứa đựng sự sống”. Bạn cũng không thể tìm được vi khuẩn hóa thạch trong đó dù bạn có nghiên cứu cẩn thận cách mấy. Đáng tiếc là bất kỳ loại vi khuẩn nào cũng bị nướng thành than qua quá trình chuyển hóa từ bùn nhão dưới lòng biển thành đá cứng. Thay vì thế, nếu chúng ta nghiền tảng đá này ra và nghiên cứu cẩn thận thì chúng ta sẽ tìm thấy các loại cặn bã của các hóa chất mà các vi khuẩn đã để lại – các đồng vị cacbon và một loại photphat được gọi là apatit, đây là bằng chứng xác thực cho thấy rằng tảng đá này đã từng chứa các động vật sống. “Chúng ta chỉ có thể ước đoán hình dáng của các vi sinh vật này”, Bennett nói. “Dù sao thì nó đã sống. Nó đã phát triển”.
Và cuối cùng nó tiến hóa thành chúng ta.
Nếu bạn muốn tìm hiểu các loại đá cổ, ANU là nơi thuận lợi chất cho công việc của bạn. Nhờ bởi tài năng của một người tên là Bill Compston, ông đã nghỉ hưu vào những năm 1970, ông là người phát minh máy thông dò ion đầu tiên (thường được gọi là máy SHRIMP, viết tắt của Sensitive High Resolution Ion Micro Probe). Máy này có thể đo được tốc độ phân rã của urani thành các khoáng chất cực nhỏ được gọi là các ziricon. Ziricon xuất hiện trong hầu hết các loại đá ngoại trừ đá bazan và cực kỳ bền vững, nó chỉ giảm thiểu số lượng theo thời gian nhưng không hoàn toàn biến mất. Chiếc máy này của Compston giúp chúng ta xác định được độ tuổi của các loại đá chính xác đến mức không gì có thể sánh bằng. Trong lần sử dụng chính thức đầu tiên, năm 1982, nó cho thấy loại đá cổ nhất được khám phá trên trái đất có độ tuổi là 4,3 tỷ năm, loại đá này được tìm thấy tại miền Tây Australia.
Cô ấy dẫn tôi vào đại sảnh để xem chiếc máy hiện đại hơn, SHRIMP II. Nó là một cỗ máy to và nặng được làm bằng thép không gỉ, dài khoảng 12 foot và cao khoảng 5 foot. Tại bảng điều khiển phía trước cỗ máy là một người không ngừng quan sát các dãy số liên tục thay đổi trên màn ảnh, anh ta tên là Bob đến từ Đại học Canterbury tại New Zealand. SHRIMP II vận hành liên tục 24 tiếng/ngày; có nhiều loại đá đang chờ để được xác định độ tuổi. Bob nói rằng phải mất khoảng 17 phút để xác định được độ tuổi của một loại ziricon và cần phải xác định được độ tuổi của hàng chục loại ziricon từ mỗi loại đá thì mới có thể có được các dữ liệu đáng tin cậy.
Quay lại văn phòng của Bennett, tôi nhận thấy trên tường có treo một áp–phích minh họa hình ảnh của trái đất cách đây 3,5 tỷ năm (Thời thái cổ). Áp-phích mô tả hình ảnh một ngọn núi lửa lớn đang phun trào, nền trời đỏ rực và mặt nước biển màu đồng đang bốc hơi. Chẳng có vẻ gì cho thấy rằng đây là nơi thích hợp cho sự sống. Tôi hỏi cô ấy rằng liệu bức tranh này có mô tả đúng sự thật không.
“Có một trường phái cho rằng vào thời điểm ấy trái đất rất mát mẻ vì khi ấy mặt trời yếu hơn ngày nay nhiều. Nhưng dù vậy, chỉ cần có tia nắng mặt trời yếu ớt thì tia cực tím cũng có thể phá vỡ mọi quan hệ phôi thai của các phân tử”. Cô đáp lời.
“Vậy thì chúng ta không biết chính xác khi ấy thế giới này ra sao à?”
“Mmmm”, cô tán thành với vẻ đăm chiêu.
“Trong mọi trường hợp dường như trái đất này không phải là nơi có lợi cho sự sống”.
Cô gật đầu đồng ý. “Nhưng ắt hẳn phải có một cái gì đó thích hợp cho sự sống. Nếu không thế thì chúng ta đâu thể có mặt ở đây”.
Rõ ràng trái đất vào thời điểm đó không hề thích hợp cho sự sống của chúng ta. Nếu bạn bước ra từ chiếc máy quay ngược thời gian để đến với thế giới thời Thái cổ, bạn sẽ phải lập tức quay ngược lại, vì khi ấy trên trái đất không có nhiều oxy để hô hấp, lượng oxy ở trái đất khi ấy còn ít hơn cả lượng oxy trên sao Hỏa ngày nay. Chỉ có các loại khí độc từ axít clohyđric và axít sunfuric đủ mạnh để có thể làm mục quần áo và làm giộp da bạn. Đó là trái đất, nhưng không phải trái đất như ngày nay.
Suốt hai tỷ năm từ thời Thái cổ, vi khuẩn là vật sống duy nhất trên trái đất này. Chúng đã sống, sinh sản, tụ họp thành đàn, nhưng chúng không thể hiện sự tiến hóa. Tại một thời điểm nào đó trong một tỷ năm đầu tiên của sự sống, các vi khuẩn xyano, hay còn gọi là tảo xanh tím, đã học được cách tìm đến những nơi có nguồn dinh dưỡng dồi dào – hydro tồn tại nhiều trong nước. Chúng hút các phân tử nước, hút hydro và thải oxy và từ đó chúng tạo ra sự quang hợp. Theo lời Margulis và Sagan thì “sự quang hợp rõ ràng là sự tiến hóa quan trọng nhất đối với quá trình trao đổi chất trong lịch sử sự sống trên hành tinh này” – và nó được tạo ra bởi các loại vi khuẩn chứ không phải bởi thực vật.
Vi khuẩn xyano sinh sôi nảy nở và thế giới này có nhiều oxy đến mức chúng nhận thấy rằng oxy là thứ vô cùng độc hại. Trong thế giới kỵ khí (không sử dụng oxy), oxy là thứ cực kỳ độc hại. Thực ra bạch cầu của chúng ta sử dụng oxy để giết chết các vi khuẩn trong cơ thể. Sở dĩ chúng ta thích hợp với oxy là vì chúng ta đã tiến hóa để chung sống và tận dụng nó. Đối với mọi đối tượng khác thì oxy là nỗi khiếp sợ. Chính oxy làm cho bơ bị ôi và làm sắt bị gỉ. Ngay cả chúng ta cũng chỉ chịu đựng được oxy ở mức độ nào đó. Lượng oxy trong các tế bào của chúng ta chỉ bằng một phần mười so với mật độ oxy trong khí quyển.
Các sinh vật mới sử dụng oxy có hai thuận lợi. Oxy là thứ có thể tạo năng lượng hiệu quả và nó có thể chế ngự được các sinh vật kỵ khí. Một số sinh vật kỵ khí cố gắng trốn tránh oxy bằng cách lui về sống dưới lớp sình lầy hoặc đáy hồ. Một số khác cũng trốn tránh tương tự nhưng về sau (rất lâu sau đó) tiến hóa thành các sinh vật có hệ tiêu hóa giống như bạn và tôi. Ngay lúc này đây có nhiều sinh vật thái cổ vẫn còn tồn tại trong cơ thể bạn, giúp bạn tiêu hóa thức ăn, nhưng chúng không thể chịu được oxy dù với lượng rất nhỏ. Số còn lại không có khả năng thích nghi sau đó biến mất.
Vi khuẩn xyano cũng trốn chạy thành công. Trước tiên, lượng oxy mà chúng thải ra không tích lũy trong khí quyển, nhưng lại kết hợp với sắt để hình thành oxít sắt, oxít sắt chìm vào đáy biển. Suốt hàng triệu năm, thế giới này tràn ngập sắt. Nếu bạn quay trở về thời Đại nguyên sinh bạn sẽ chẳng tìm thấy bất kỳ dấu hiệu nào hứa hẹn sự sống về sau.
Nhưng cách đây khoảng 3,5 tỷ năm, một điều gì đó rất đặc biệt đã xảy ra. Tại những nơi nước biển cạn, các cấu trúc hữu hình bắt đầu xuất hiện. Qua các phản ứng hóa học, vi khuẩn xyano trở thành các sinh vật được bao bọc bởi lớp bụi và cát – đây là các thạch tầng được mô tả trong bức tranh tại văn phòng của Victoria Bennett. Các thạch tầng xuất hiện ở nhiều hình thức và kích cỡ khác nhau. Đôi khi chúng trông giống những bông cải súp–lơ khổng lồ, đôi khi xuất hiện hình cột, cao hàng chục mét nhô lên khỏi mặt nước – thậm chí cao hàng trăm mét. Với sự xuất hiện của chúng, chúng là một loại đá có sự sống và chúng tiêu biểu cho các loài sống trên cạn lẫn các loài sống dưới nước. Thế giới đã có được hệ sinh thái đầu tiên của nó.
Suốt nhiều năm, các nhà khoa học chỉ biết đến các thạch tầng từ các cấu trúc hóa thạch, nhưng năm 1961 họ thực sự ngạc nhiên khi khám phá quần hợp các thạch tầng sống tại vịnh Shark phía tây bắc bờ biển Australia. Ngày nay vịnh Shark là nơi thu hút khách du lịch hàng đầu thế giới. Người ta xây dựng các lối đi bằng ván để du khách có thể tản bộ và ngắm nhìn các thạch tầng tại đây rõ hơn, các thạnh tầng có màu xám, thực ra trông chúng giống phân bò hơn. Thật thú vị khi bạn có thể ngắm nhìn tàn dư còn sót lại cách đây 3,5 tỷ năm. Có khoảng ba tỷ sinh vật sống trong mỗi yard vuông đá này. Đôi khi nếu bạn quan sát kỹ bạn có thể trông thấy nhiều bọt tăm nổi lên mặt nước khi chúng thải oxy ra. Trong hai tỷ năm qua các sinh vật nhỏ bé này đã nâng lượng oxy trong khí quyển lên 20 phần trăm, sẵn sàng mở ra một chương mới trong lịch sử sự sống.
Người ta cho rằng vi khuẩn xyano tại vịnh Shark có lẽ là loài chậm tiến hóa nhất trên trái đất, và rõ ràng ngày nay chúng thuộc những chủng loài hiếm hoi nhất trên trái đất. Sở dĩ chúng xuất hiện tại vịnh Shark là vì nước ở đây quá mặn nên không thích hợp cho các chủng loài thường chọn chúng làm khẩu phần.
Một lý do khiến sự sống tinh vi trên trái đất chậm xuất hiện như thế là vì thế giới đã phải chờ đợi mãi đến khi các sinh vật đơn giản đã oxy hóa bầu khí quyển đến độ thích hợp. Phải mất khoảng 2 tỷ năm, xấp xỉ 40% lịch sử trái đất, để mức độ oxy đạt đến mức độ dày đặc như hiện nay. Nhưng một khi độ oxy đã đáp ứng đủ thì lập tức một loại tế bào mới xuất hiện – loại tế bào có nhân và các hạt cơ quan. Người ta cho rằng quá trình này đã xuất hiện khi một số loài vi khuẩn hay di chuyển hoặc đã tấn công hoặc đã bị bắt giữ bởi một số loài vi khuẩn khác và kết quả là hai loài này hòa hợp với nhau, vi khuẩn bị bắt giữ được gọi là loài ký sinh (các nhà sinh học thường gọi là sự cộng sinh). Sự ký sinh này tạo ra đời sống có cơ cấu phức tạp hơn. (Nơi thực vật thì sự cộng sinh này tạo ra các lạp lục giúp chúng quang hợp).
Loài ký sinh tạo ra oxy và oxy giải phóng năng lượng từ các loại thực phẩm. Nếu không có sự ký sinh thì sự sống trên trái đất ngày nay vẫn chỉ là các loài vi khuẩn. Loài ký sinh này rất nhỏ bé – khoảng không gian chỉ bằng hạt cát cũng có thể chứa hàng tỷ vi khuẩn ký sinh – và rất đói. Gần như mọi chất dinh dưỡng bạn hấp thụ đều trở thành thức ăn của chúng.
Chúng ta không thể sống trong hai phút nếu không có chúng, tuy thế suốt một tỷ năm qua các loài ký sinh vẫn chưa bao giờ rời bỏ chúng ta. Chúng duy trì DNA của chúng. Có thể ví rằng có người lạ trong nhà bạn, nhưng là người lạ đã ở đó suốt hàng tỷ năm qua.
Một loại tế bào mới được gọi là thuộc nhân có đặc tính trái ngược với loại tế bào thuộc nhân cũ.
Loại tế bào thuộc sinh cổ xưa nhất được gọi là Grypania đã được khám phá nơi lớp trầm tích sắt tại
Michigan vào năm 1992.
Các tế bào thuộc nhân cũ chẳng khác nào những chiếc “túi hóa chất”, theo lời nhà địa chất Stephen Drury. Các tế bào thuộc nhân mới lớn hơn – khoảng mười nghìn lần – và chứa lượng DNA nhiều hơn gấp một nghìn lần so với các tế bào thuộc nhân cũ đơn giản hơn. Theo thời gian, sự sống tiến hóa thành hai hình thức khác nhau – các sinh vật thải oxy (chẳng hạn thực vật) và các sinh vật hấp thụ oxy (chẳng hạn bạn và tôi).
Các đơn bào thuộc nhân đã từng được gọi là sinh vật nguyên sinh (“tiền động vật”), nhưng về sau người ta bác bỏ từ ngữ này. Ngày nay người ta thường gọi chúng là sinh vật đơn bào. So với loại vi khuẩn đã biến mất trước đó, các sinh vật đơn bào này có cấu trúc tinh vi hơn. Loài amip đơn giản nhất, chỉ lớn bằng một tế bào, có DNA chứa 400 triệu phần tử – đủ để lấp đầy tám mươi cuốn sách dày một trăm trang, theo lời Carl Sagan.
Cuối cùng các tế bào thuộc nhân này tiến hóa theo thời gian – khoảng một tỷ năm. Chúng học được cách kết hợp cùng nhau để hình thành sinh vật đa bào. Nhờ bởi sự đổi mới này, các thực thể hữu hình, to lớn, tinh vi như chúng ta đã xuất hiện. Trái đất đã sẵn sàng cho một thời kỳ thịnh vượng hơn.
Nhưng lúc này chúng ta cần ghi nhớ rằng trái đất này, như chúng ta sắp sửa tìm hiểu, vẫn là một thế giới thuộc về các vi sinh vật.
____________
[1] Thực ra có hai mươi hai loại axit amin được biết đến trên trái đất và còn nhiều loại khác chúng ta vẫn chưa khám phá được, nhưng chỉ có hai mươi trong số này cần thiết cho sự sống của chúng ta và sự sống của hầu hết các vật sống khác. Loại axít amin thứ hai mươi hai được gọi là pyrrolysine, được khám phá vào năm 2002 bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Ohio và chỉ được tìm thấy nơi loài tồn tại thời thái cổ được gọi là Methanosarcina barkeri.
