Thế giới PAH

Một tập hợp PAH đang nhóm lại: PAH gắn với base; sau đó tạo chuỗi ribôzơ.

Thế giới PAH (thế giới hydrocarbon đa vòng thơm) là một giai đoạn giả định trong lịch sử phát sinh sự sống trên Trái Đất, trong đó các phân tử PAH (viết tắt từ "Polycyclic Aromatic Hydrocarbons", nghĩa là hydrocarbon thơm đa vòng) vốn có nhiều trong vũ trụ, kể cả ở các sao chổi, đã là thành phần rất quan trong trong nồi súp nguyên thủy của Trái đất sơ khai, từ đó dẫn đến thế giới RNA, rồi mới đến thế giới DNA và protein - đóng vai trò chủ yếu trong quá trình hình thành nguồn gốc sự sốn g.

Cho đến nay, giả thuyết này vẫn chưa được kiểm chứng trực tiếp.

Tổng quan

Sơ đồ minh hoạ thí nghiệm Miller-Urey tạo ra các hợp chất hữu cơ từ một số chất vô cơ có trong điều kiện nguyên thủy của Trái đất cổ xưa.

• Vào năm 1952, thí nghiệm Miller-Urey và một số nghiên cứu khác đã chứng minh sự tổng hợp các hợp chất hữu cơ, trong đó có cả amino acid, hoàn toàn có thể xảy từ những tiền chất ban đầu là các chất vô cơ, theo con đường phi sinh học.
• Năm 1961, Joan Oró phát hiện ra adenin có thể được tạo ra từ hỗn hợp acid hydrocyanic (HCN) với amonia trong nước, nghĩa là cũng theo con đường phi sinh học.
• Sau đó, các thí nghiệm khác đã tiến hành cũng cho thấy con đường phi sinh học còn có thể tạo ra các nucleobase, qua các phản ứng hóa học tiền sinh học mô phỏng ở môi trường khí quyển khử (reducing atmosphere).
• Giả thuyết thế giới RNA đã cho thấy làm thế nào mà RNA có thể trở thành chất xúc tác cho chính nó (ribozyme). Vậy, trước đó còn thiếu giai đoạn làm thế nào để các phân tử RNA đầu tiên có thể được hình thành. Giả định về "một thế giới PAH" của Simon Nicholas Platts đề xuất vào năm 2004 là một cố gắng điền vào giai đoạn còn thiếu này. Sau đó ít lâu, một lý thuyết khoa học được xây dựng kỹ lưỡng hơn về giai đoạn này đã được nhà nữ vật lý thiên văn người Áo Pascale Ehrenfreund (Đại học Vienna) và cộng sự công bố. Từ đó hình thành nên tập hợp các lý thuyết khoa học mà tiếng Anh gọi là PAH world hypothesis (giả thuyết về thế giới hydrocarbon đa vòng thơm).

Nguồn PAH

Tinh vân Cat's Paw Nebula trong Ngân hà và nằm trong chòm Scorpius. Các khu vực màu lục là vùng bức xạ từ các ngôi sao nóng va chạm với đám mây PAH làm chúng phát huỳnh quang. (Kính thiên văn vũ trụ Spitzer, 2018).

PAH (Polycyclic aromatic hydrocarbons) tức hydrocarbon thơm đa vòng là loại phổ biến nhất và phong phú nhất trong số nhóm phân tử polyatomic đã biết trong vũ trụ và đã được xem là thành phần có thể có trong đại dương nguyên thủy.

Các PAH cũng đã được phát hiện gần đây trong những tinh vân xa xôi. Chẳng hạn: tháng 4 năm 2019, các nhà khoa học làm việc với kính viễn vọng Hubble, đã phát hiện các phân tử ion hóa lớn và phức tạp của C₆₀ (buckminsterfullerene) trong không gian giữa các vì sao. Các loại phân tử này liên quan đến nguồn gốc của sự sống trên Trái đất - theo nhà thiên văn học Letizia Stanghellini - vì chúng "có thể là những mầm mống ngoài vũ trụ góp phần tạo nên hạt giống cho sự sống trên Trái đất".

Vào tháng 9 năm 2012, các nhà khoa học của NASA đã báo cáo rằng PAH ở khoảng không gian giữa các hành tinh (ISM) đã biến đổi qua quá trình hydro hóa, oxy hóa và hydroxyl hóa tạo nên các chất hữu cơ phức tạp hơn là amino acid và nuclêôtit - những "vật liệu" thô xây dựng nên protein và DNA.

Giai đoạn giả định

Theo giả thuyết này, quá trình tiến hoá hoá học hình thành sự sống trên Trái Đất gồm các giai đoạn:

Chất vô cơ → Chất hữu cơ đơn giản → PAH → RNA → DNA,

từ đó hình thành nên tế bào sơ khai và sự sống chuyển sang quá trình tiến hoá tiền sinh học. Sự hình thành RNA từ PAH được hình dung như sau.

Gắn base-nitơ vào PAH

Sự xuất hiện các base-nitơ của axit nuclêic (tức các nucleobase) có thể diễn ra trước hoặc đồng thời với PAH trong quá trình tiến hoá hoá học. Trong PAH hiện nay, khoảng cách giữa các vòng liền kề là 0,34 nm là trùng hợp với khoảng cách giữa các nucleotide liền kề trong RNA cũng như DNA theo mô hình Crick-Oatsơn (Crick-Watson model). Do đó, có thể có khả năng các phân tử nhỏ hơn này sẽ tự nhiên gắn vào các vòng PAH có vai trò như giàn giáo (scaffolding), thông qua liên kết hydro. Sự gắn kết này được mô tả là ưu tiên cho các loại base nitơ phẳng như pyrimidin và purin là thành phần chính tạo nên RNA.

Gắn "xương sống" oligomeric

Khi các nucleobase được gắn với giàn giáo PAH, thì sẽ xuất hiện các phân tử kích thước lớn hơn, chẳng hạn như oligomers formaldehyde nhỏ (methanal), cũng ở "nồi súp" nguyên thủy, nhờ liên kết cộng hóa trị với các base-nitơ đã gắn, tạo thành một "xương sống" vững nhưng linh hoạt cho cả phân tử.

Sự tách rời của chuỗi giống như RNA

Sự giảm độ pH (nghĩa là làm tăng độ axit), là kết quả của núi lửa phát sinh khí lưu huỳnh dioxide hoặc khí carbon dioxide, sẽ cho phép các base đã gắn tách ra khỏi giàn giáo PAH, tạo thành dạng RNA với xương sống formaldehyd (thay cho xương sống ribose-phosphate được sử dụng bởi RNA "hiện đại"), nhưng cùng một khoảng 0,34 nm.

Hình thành các cấu trúc giống ribozyme

Sau khi chuỗi đơn giống RNA được tách ra khỏi giàn giáo PAH, cùng với độ pH tăng lên (giảm độ axit), thì chúng sẽ có xu hướng tự gập lại, với các chuỗi nucleobase tự tìm kiếm sự bổ sung lẫn nhau qua liên kết hydro, tạo ra các cấu trúc giống như chuỗi RNA ổn định, tương tự như ribozyme. Các oligo formaldehyde cuối cùng sẽ được thay thế bằng các phân tử ribose-phosphate ổn định hơn cho xương sống, dẫn đến khởi đầu cho thế giới RNA.

Xem thêm

• Hóa học thiên thể (Astrochemistry).
• Vật lý thiên văn nguyên tử và phân tử (Atomic and molecular astrophysics).
• Hoá học vũ trụ (Cosmochemistry).
• Thiên văn học ngoài Ngân Hà (Extragalactic astronomy).
• Lịch sử Trái Đất (History of the Earth).
• Sinh tổng hợp nhiệt (Biothermosynthesis).

Liên kết ngoài

• Life's ingredients found in early universe New Scientist Magazine 14:49 ngày 29 tháng 7 năm 2005
• RNA-directed amino acid homochirality