Toàn bộ sự sống trên Trái Đất có chung một tổ tiên, và nó cổ xưa hơn chúng ta từng nghĩ

Con người, cây cối, nấm, động vật và những vi khuẩn nhỏ bé nhất trông hoàn toàn khác nhau. Nhưng ở cấp độ sâu nhất của sinh học, tất cả sự sống tế bào hiện nay đều mang những dấu hiệu cho thấy chúng có chung một tổ tiên xa xưa. Tổ tiên đó được gọi là LUCA — Last Universal Common Ancestor, hay “tổ tiên chung cuối cùng của sự sống”.

Điều gây kinh ngạc là LUCA có thể đã xuất hiện sớm hơn rất nhiều so với những ước tính trước đây. Một nghiên cứu công bố trên Nature Ecology & Evolution năm 2024 ước tính LUCA sống khoảng 4,2 tỷ năm trước, tức chỉ vài trăm triệu năm sau khi Trái Đất hình thành.

LUCA là gì?

LUCA không phải là “sinh vật đầu tiên” xuất hiện trên Trái Đất. Đây là một điểm rất quan trọng. LUCA là tổ tiên chung gần nhất của toàn bộ sự sống tế bào còn tồn tại ngày nay, từ vi khuẩn và cổ khuẩn cho đến thực vật, nấm và động vật.

Các nhà khoa học suy ra sự tồn tại của LUCA từ những đặc điểm cơ bản được chia sẻ rộng rãi bởi sự sống hiện đại: mã di truyền gần như phổ quát, hệ thống tổng hợp protein, bộ máy ribosome và việc sử dụng ATP như một dạng “đồng tiền năng lượng” của tế bào.

LUCA không nhất thiết là dạng sống đầu tiên. Nó là nhánh tổ tiên chung mà hậu duệ của nó đã tồn tại liên tục cho tới sự sống ngày nay.

Một sinh vật 4,2 tỷ năm tuổi?

Tuổi của LUCA rất khó xác định bằng hóa thạch trực tiếp, bởi những tế bào cổ đại như vậy hầu như không để lại hóa thạch rõ ràng. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu tiến hóa phân tử, các gene cổ được bảo tồn và những mốc thời gian từ hóa thạch vi sinh vật cùng hồ sơ đồng vị.

Phương pháp được gọi là “cross-bracing” giúp kết hợp nhiều mốc thời gian tiến hóa thay vì dựa vào một nguồn dữ liệu duy nhất. Kết quả cho thấy LUCA có thể đã sống trong khoảng 4,09–4,33 tỷ năm trước, với ước tính trung tâm khoảng 4,2 tỷ năm.

Nếu con số này đúng, LUCA xuất hiện chỉ khoảng 400 triệu năm sau khi Trái Đất hình thành. Đó là một khoảng thời gian địa chất cực kỳ ngắn, đặc biệt khi hành tinh khi ấy vẫn còn trải qua những điều kiện rất khắc nghiệt.

LUCA có thể không hề đơn giản

Một trong những phát hiện thú vị nhất của nghiên cứu là LUCA có vẻ phức tạp hơn nhiều so với hình dung về một tế bào nguyên thủy cực kỳ đơn giản.

Phân tích cho thấy bộ gene của LUCA có thể đạt ít nhất khoảng 2,5 triệu cặp base và mã hóa khoảng 2.600 protein. Quy mô này nằm trong phạm vi của nhiều sinh vật nhân sơ hiện đại.

Các nhà nghiên cứu tái dựng LUCA như một sinh vật nhân sơ kỵ khí có khả năng sống bằng quá trình tạo acetate. Nó có thể sử dụng những phản ứng hóa học liên quan đến carbon dioxide và hydro để thu nhận năng lượng và xây dựng vật chất hữu cơ.

LUCA có thể đã sở hữu hệ miễn dịch sơ khai

Điều đặc biệt hơn nữa là các dấu hiệu di truyền cho thấy LUCA có thể đã có một hệ thống phòng vệ chống lại virus hoặc các tác nhân di truyền có khả năng xâm nhập tế bào.

Nếu cách diễn giải này đúng, cuộc chạy đua tiến hóa giữa tế bào và virus có thể đã bắt đầu rất sớm trong lịch sử sự sống — gần thời điểm mà các hệ sinh thái vi sinh vật đầu tiên đang hình thành.

• LUCA có thể là một sinh vật nhân sơ kỵ khí.
• Bộ gene của nó có thể chứa khoảng 2.600 protein.
• Nó có thể đã sở hữu một hệ miễn dịch sơ khai.
• LUCA nhiều khả năng không sống hoàn toàn cô lập mà là một phần của hệ sinh thái vi sinh vật.

LUCA không sống một mình

Hình ảnh phổ biến về một “tổ tiên của mọi sự sống” dễ khiến chúng ta tưởng tượng LUCA là một tế bào đơn độc tồn tại giữa Trái Đất nguyên thủy. Nhưng nghiên cứu lại gợi ý một bức tranh khác.

Hoạt động trao đổi chất của LUCA có thể tạo ra những sản phẩm mà các vi sinh vật khác sử dụng. Chẳng hạn, các chất thải từ một nhóm vi sinh vật có thể trở thành nguồn nguyên liệu hoặc năng lượng cho nhóm khác. Điều này tạo nên một mạng lưới trao đổi vật chất sơ khai.

Nói cách khác, khi LUCA tồn tại, một hệ sinh thái vi sinh vật có thể đã xuất hiện xung quanh nó. LUCA là mắt xích chung của sự sống hiện đại, nhưng không nhất thiết là sinh vật duy nhất trên Trái Đất vào thời điểm đó.

Vậy sự sống bắt đầu từ đâu trước LUCA?

Đây mới là một trong những câu hỏi lớn nhất còn bỏ ngỏ. Nghiên cứu về LUCA không giải thích hoàn toàn cách vật chất không sống chuyển thành hệ thống có khả năng tự duy trì, sao chép và tiến hóa.

Nếu LUCA đã tương đối phức tạp và sống trong một hệ sinh thái, thì nguồn gốc của những hệ thống sinh học trước LUCA phải còn cổ xưa hơn nữa. Có thể đã tồn tại nhiều dòng sự sống sơ khai, nhưng chỉ một số dòng để lại hậu duệ kéo dài tới ngày nay.

Vì vậy, LUCA giống như một “điểm gặp nhau” trên cây sự sống hơn là điểm bắt đầu tuyệt đối của sự sống. Phần lịch sử nằm trước nó vẫn còn là một trong những chương bí ẩn nhất của sinh học.

Một cây gia phả dài 4,2 tỷ năm

Từ LUCA, các dòng tiến hóa dần phân tách thành những nhánh lớn của sự sống. Hàng tỷ năm sau, những nhánh đó tiếp tục phân hóa thành vô số dạng sống mà chúng ta nhìn thấy ngày nay.

Điều đáng kinh ngạc là khoảng cách giữa con người và một vi khuẩn hiện đại có thể lên tới hàng tỷ năm tiến hóa, nhưng cả hai vẫn mang trong mình những dấu vết của một lịch sử chung sâu xa: cùng sử dụng mã di truyền, cùng dựa vào bộ máy tổng hợp protein và cùng vận hành tế bào bằng những nguyên tắc sinh hóa nền tảng.

LUCA vì thế không chỉ là một nhân vật trong lịch sử sự sống. Nó nhắc chúng ta rằng toàn bộ sinh giới hiện đại có thể được nối với nhau bằng một nhánh gia phả kéo dài gần như tới buổi bình minh của Trái Đất — và câu chuyện về cách sự sống đầu tiên xuất hiện thậm chí còn bắt đầu trước LUCA rất lâu.