Năm 1953, Stanley Miller, một nghiên cứu sinh tại Đại học Chicago, đã dùng hai chiếc bình – một chứa một chút nước là mẫu cho nước biển nguyên sinh, một chứa hỗn hợp các khí metan, ammoniac, hiđro và hiđro sunphua là mẫu cho khí quyển sơ khai. Chúng được nối với nhau bằng các ống cao su và xúc tác là một vài tia lửa điện đóng vai trò như sét. Sau một vài ngày, nước trong các bình đã chuyển thành màu xanh và màu vàng, chứa đầy axít amin, axít béo, đường và các hợp chất hữu cơ khác. “Nếu Chúa không làm theo cách này, hẳn Người đã bỏ lỡ một cơ hội tuyệt vời,” Harold Urey, người được trao giải Nobel, đồng thời cũng là giáo sư hướng dẫn Stanley nhận xét.

Báo chí thời đó khiến người ta dễ tưởng rằng chỉ cần ai đó lắc những chiếc bình này lên thì lập tức sự sống sẽ hiện hình. Thời gian đã chứng minh mọi thứ không đơn giản như vậy. Sau nửa thế kỷ nghiên cứu sâu hơn, ngày nay chúng ta vẫn không đến gần hơn quá trình tạo ra sự sống so với năm 1953 – và ngày càng cách xa ý nghĩ rằng chúng ta làm được điều đó. Giờ đây, các nhà khoa học khá chắc chắn rằng bầu khí quyển sơ khai không hề tạo tiền đề cho sự sống nhiều như những chất khí mà Miller và Urey đã chọn, thực chất đó là một hỗn hợp khí trơ hơn nhiều bao gồm nitơ và cácbon điôxít. Lặp lại các thí nghiệm của Miller với đầu vào nghèo nàn hơn cho đến nay chỉ đem lại một loại axít amin khá nguyên thủy. Dù thế nào, việc tạo ra axít amin chưa phải là vấn đề. Vấn đề là prôtêin.

Prôtêin là thứ bạn thu được khi đặt các axít amin gần nhau và chúng ta cần một số lượng rất lớn. Không ai thật sự biết rõ nhưng có thể có tới một triệu loại prôtêin trong cơ thể người, và mỗi loại là một bí mật nho nhỏ. Theo mọi quy luật xác suất, lẽ ra prôtêin không thể tồn tại. Để tạo ra một prôtêin, bạn sẽ cần kết hợp các axít amin (tôi có nghĩa vụ phải gọi chúng theo cách truyền thống là “những viên gạch xây dựng nên sự sống”) theo một thứ tự nhất định rất giống với cách bạn phải sắp xếp các chữ cái để tạo thành một từ. Vấn đề là các từ trong bảng chữ cái axít amin thường quá dài. Để đánh vần được từ “collagen”, tên của một loại prôtêin thông dụng, bạn chỉ cần sắp xếp tám chữ cái theo đúng trật tự. Để tạo ra collagen, bạn cần sắp xếp 1055 axít amin theo một thứ tự cực kỳ chính xác. Thế nhưng – đây là một điểm hiển nhiên nhưng rất quan trọng – bạn không tạo ra nó. Nó tự tạo ra chính mình một cách tự nhiên mà không được định hướng. Đây chính là điểm bắt đầu của những điều phi thường.

Xác suất để một phân tử collagen gồm 1055 axít amin sắp xếp một cách tự nhiên, nói một cách thẳng thắn, là bằng không. Điều đó đơn giản là không thể xảy ra. Để hình dung vấn đề, hãy nghĩ đến một chiếc máy đánh bạc tiêu chuẩn ở Las Vegas nhưng được mở rộng gấp nhiều lần – gần 27m – để chứa được 1.055 guồng quay thay vì ba hoặc bốn như thường lệ, trên mỗi một guồng quay sẽ có 20 ký tự (mỗi ký tự tượng trưng cho một axít amin thông dụng). Bạn sẽ phải kéo bao nhiêu lâu để tất cả 1.055 ký tự đều xuất hiện theo đúng trật tự? Có lẽ là mãi mãi. Ngay cả khi giảm số bánh xe xuống 200, con số đặc trưng hơn cho số axít amin có trong một prôtêin, xác suất để tạo thành một chuỗi định trước là 1/10260 (nghĩa là có 260 số 0 sau số 1 ở mẫu số, đây là con số lớn hơn tất cả số nguyên tử có trong vũ trụ).1

1. Thực chất có 22 axít amin tự nhiên được phát hiện trên Trái Đất và nhiều loại khác đang chờ được phát hiện, nhưng chỉ 20 trong số chúng thật sự cần thiết để tạo ra chúng ta và đa số các dạng sống khác. Axít amin thứ 22, có tên gọi là pyrrolysine, được phát hiện vào năm 2002 bởi các nhà nghiên cứu thuộc Đại học bang Ohio chỉ ở một loại cổ khuẩn (một dạng sống cơ bản sẽ được đề cập trong phần kế tiếp của câu chuyện) gọi là methanosarcina barkeri.

Prôtêin, tóm lại, là các thực thể phức tạp. Hêmôglôbin chỉ gồm 146 axít amin, rất đơn giản so với tiêu chuẩn của prôtêin, nhưng cũng có thể có 10190 khả năng kết hợp axít amin. Do đó nhà hóa học Đại học Cambridge, Max Perutz, phải mất tới 23 năm – gần như cả sự nghiệp – để giải mã nó. Việc có thể ngẫu nhiên tạo ra dù chỉ một prôtêin gần như là điều bất khả thi – như thể một cơn lốc quét qua một bãi phế liệu và tạo ra một chiếc máy bay phản lực, nói theo cách so sánh sinh động của nhà thiên văn học Fred Hoyle.

Nhưng chúng ta đang nói về hàng trăm ngàn, thậm chí là cả triệu loại prôtêin cần thiết để tạo thành một con người khỏe mạnh và vui vẻ, mỗi loại hoàn toàn đơn nhất theo những gì chúng ta biết được. Đây mới chỉ là điểm khởi đầu. Để trở nên hữu dụng, một prôtêin không chỉ phải sắp xếp các axít amin theo đúng trật tự, nó phải tiến hành một trò gấp giấy origami trong hóa học, nghĩa là tự gấp thành những hình thù rất đặc trưng. Ngay cả khi đã đạt đến sự phức tạp về cấu trúc này, các prôtêin cũng không có ích lợi gì với bạn nếu nó không thể tự tái tạo, và thật sự là chúng không thể. Để làm được điều này bạn cần ADN – phù thủy sao chép. Nó có thể tạo ra bản sao của chính mình trong vài giây, nhưng hoàn toàn không làm gì khác. Các prôtêin không thể tồn tại nếu không có ADN, và ADN không là gì nếu thiếu các prôtêin. Liệu có thể giả định rằng chúng xuất hiện đồng thời để hỗ trợ nhau? Nếu đúng vậy, xin hãy reo vui!

Chưa hết, ADN, prôtêin và các thành tố khác của sự sống không thể phát triển mà không có một loại màng chứa chúng. Không nguyên tử hay phân tử nào đạt được sự sống một cách độc lập. Tách một nguyên tử bất kỳ khỏi cơ thể bạn, nó sẽ không thể sống và chẳng khác nào một hạt cát. Chỉ khi chúng xuất hiện cùng nhau trong nơi ẩn náu là một tế bào, thì các nguyên liệu đa dạng này mới tham gia vào điệu nhảy sôi động mang tên sự sống. Nếu thiếu tế bào, chúng sẽ đơn thuần chỉ là các chất hóa học thú vị. Như Davies từng nói, “nếu mỗi thứ đều cần một thứ khác, vậy thì cộng đồng nguyên tử đầu tiên đã xuất hiện như thế nào?” Nó khá giống như việc tất cả các nguyên liệu trong nhà bếp của bạn bằng cách nào đó tự nhào nặn và được nướng thành một chiếc bánh – nhưng là chiếc bánh đặc biệt có thể tự phân chia để tạo ra thêm những chiếc bánh khác. Đó là một kỳ quan nhỏ mà chúng ta gọi là sự kỳ diệu của cuộc sống. Cũng chính kỳ quan nhỏ đó là thứ chúng ta hầu như vẫn chưa bắt đầu hiểu được.

Vậy điều gì lý giải cho tất cả những sự phức tạp này? Có thể mọi thứ không quá kỳ bí như chúng ta tưởng. Trước hết, hãy xem các prôtêin như một sự phi lý đáng kinh ngạc. Điều kỳ diệu mà chúng ta nhận thấy ở sự sắp xếp của nó bắt nguồn từ giả định rằng chúng được hình thành đầy đủ cùng lúc. Điều gì sẽ xảy ra nếu các prôtêin không được liên kết đồng thời? Điều gì sẽ xảy ra nếu chiếc máy đánh bạc vĩ đại mà chúng ta vừa tạo ra có một số bánh xe được giữ cố định, giống như người chơi bài nắm lấy những con bài cố định? Nói cách khác, điều gì sẽ xảy ra nếu prôtêin không bất ngờ tự xác lập sự tồn tại mà là được phát triển?

Thử hình dung bạn có mọi thành phần cấu tạo nên con người – cácbon, hiđro, ôxy, vv… – hãy để chúng vào một bình chứa có nước, rồi khuấy thật mạnh. Chẳng bao lâu, từ đó một con người hoàn chỉnh bước ra. Thật đáng kinh ngạc phải không? Vâng, về cơ bản đây chính là lập luận của Hoyle và các cộng sự (gồm nhiều người theo thuyết sáng thế) khi khẳng định rằng các prôtêin được hình thành tự nhiên một cách lập tức. Tuy nhiên, điều đó là không thể. Như Richard Dawkins viết trong cuốn The Blind Watchmaker [tạm dịch: Người thợ đồng hồ mù lòa], thì chắc chắn phải có một loại quá trình chọn lọc hay tích lũy nào đó cho phép các axít amin kết hợp thành các bó. Có lẽ hai hay ba axít amin ban đầu được liên kết với nhau vì một nguyên nhân giản đơn nào đó và sau đó gặp được các bó axít amin tương tự, nhờ vậy đã “phát hiện” một cải tiến bổ sung nhất định.

Các phản ứng hóa học được cho là liên quan tới sự sống thực ra hết sức phổ biến. Việc tạo ra chúng tại phòng thí nghiệm như Stanley Miller và Harold Urey có thể vượt quá khả năng của chúng ta, nhưng vũ trụ lại rất sẵn sàng. Rất nhiều phân tử trong tự nhiên tập hợp lại để tạo thành các chuỗi dài gọi là pôlyme. Đường liên kết tạo thành tinh bột. Các tinh thể có thể thực hiện được rất nhiều việc giống như sự sống – lặp lại, phản ứng với các kích thích từ môi trường và nhận những dạng thức phức tạp. Tất nhiên, chúng chưa bao giờ đạt tới sự sống, nhưng chúng cho thấy tính phức tạp vốn là một đặc tính tự nhiên, tự phát. Có thể tồn tại hoặc không hiều sự sống trong vũ trụ nói chung, nhưng không thiếu những sự tự sắp xếp có trật tự, từ sự đối xứng của các bông tuyết cho tới các vành đai duyên dáng của sao Thổ. Sự thôi thúc của tự nhiên đối với sự sắp xếp và tổ hợp mạnh mẽ đến mức điều đó buộc các nhà khoa học phải thấy rằng sự sống mang tính tất yếu hơn so với chúng ta nghĩ. Theo lời của nhà sinh vật học đạt giải Nobel người Bỉ, Christian de Duve, “sự sống là một đặc trưng bắt buộc của vật chất, có nghĩa vụ phải hình thành khi có điều kiện thích hợp.” De Duve cho rằng có vô số cơ hội xuất hiện các điều kiện như vậy trong mọi thiên hà.

Chắc chắn không có điều gì cực kỳ lạ lùng trong các chất hóa học tạo thành chúng ta. Nếu bạn muốn tạo ra một dạng sống khác, một con cá vàng, một nhánh rau diếp hay một con người, về cơ bản cũng chỉ cần các nguyên tố chính như cácbon, hiđro, ôxy và nitơ, cùng một lượng nhỏ của vài nguyên tố khác, chủ yếu là lưu huỳnh, phốtpho, canxi và sắt. Chúng có khoảng ba tá cách kết hợp để tạo ra đường, axít và các hợp chất cơ bản để từ đó có thể tạo ra bất cứ dạng sống nào. Như Dawkins nhận xét: “Không có gì đặc biệt khi xét tới chất liệu tạo nên các dạng sống. Sinh vật là một tập hợp các phân tử giống như mọi thứ khác.”

Điểm mấu chốt là sự sống thật tuyệt và có lẽ là kỳ diệu, nhưng không thể xem nó là bất khả thi – chính sự tồn tại giản dị của chúng ta là một minh chứng cho điều đó. Chắc chắn còn nhiều chi tiết liên quan tới việc sự sống bắt đầu vẫn còn chưa được tính đến. Trong mọi trường hợp, khi nói đến những điều kiện cần thiết cho sự sống bắt đầu sẽ không thể bỏ qua nước – từ “chiếc hồ con ấm áp” nơi Darwin cho là điểm bắt đầu của sự sống cho tới những lỗ thông hơi phập phồng dưới đáy biển giờ đây đều được xem là nơi sự sống có thể đã khởi nguồn. Thế nhưng, người ta đều bỏ qua việc các đơn phân tử biến thành các mạch pôlyme (nói cách khác, chính là tạo ra các prôtêin) liên quan tới một phản ứng sinh học gọi là “liên kết hiđrat hóa”. Theo một trong những cuốn sách hàng đầu, “các nhà nghiên cứu đã đồng thuận rằng các phản ứng này sẽ không thể diễn ra một cách thuận lợi trong môi trường biển nguyên thủy, thậm chí trong bất cứ môi trường nước nào theo định luật tác dụng khối lượng.” Điều này cũng giống như việc bạn bỏ đường vào ly nước và mong nó kết thành một khối. Đúng là nó khó xảy ra nhưng bằng cách nào đó tự nhiên đã làm được. Cơ chế hóa học của tất cả những điều này khá phức tạp đối với chúng ta trong cuốn sách này, nên bạn chỉ cần hiểu rằng về lý thuyết nếu làm ướt những đơn phân tử, chúng sẽ không thể tạo thành các pôlyme – trừ trường hợp hình thành sự sống trên Trái Đất. Nguyên nhân và cách thức nó diễn ra cho đến nay vẫn là một trong những bí ẩn của ngành sinh học.

Một trong những điều ngạc nhiên lớn nhất đối với các ngành khoa học Trái Đất trong những thập kỷ gần đây là khám phá về thời điểm sự sống bắt đầu xuất hiện trên hành tinh này. Mãi đến những năm 1950, người ta vẫn tin rằng sự sống trên Trái Đất bắt đầu không quá 600 triệu năm trước. Đến những năm 1970, một số tâm hồn thích phiêu lưu đưa ra con số 2,5 tỷ năm. Nhưng con số ngày nay được khoa học xác định sẽ khiến bạn kinh ngạc vì nó quá sớm – 3,85 tỷ năm – bởi lẽ bề mặt Trái Đất thậm chí còn chưa cứng lại cho đến 3,9 tỷ năm trước.

“Điều duy nhất chúng ta có thể suy ra từ con số này là, để một dạng sống cỡ vi khuẩn xuất hiện trên các hành tinh với điều kiện phù hợp thật sự không hề khó,” Stephen Jay Gould đã phát biểu như vậy trên tờ New York Times vào năm 1996. Hay như ông đã phát biểu trong một dịp khác: thật khó tránh đi đến kết luận rằng “sự sống bắt đầu ngay khi có thể là một định mệnh về mặt hóa học.”

Thực chất, sự sống hình thành rất nhanh, đến mức một số nhà khoa học cho rằng nó, đã nhận được sự trợ giúp nào đó – thậm chí là sự trợ giúp rất lớn lao. Ý tưởng cho rằng sự sống trên Trái Đất có thể đã đến từ vũ trụ từng có một lịch sử lâu dài và đôi khi rất xán lạn. Chính Ngài Kelvin vĩ đại đã đề xuất khả năng này ngay từ năm 1871 trong một cuộc họp của Hội Anh quốc vì Sự tiến bộ của Khoa học khi ông cho rằng “các mầm sống có thể đã được đưa tới Trái Đất nhờ các thiên thạch.” Tuy nhiên, nó vẫn chỉ là một khái niệm bên lề cho đến tận một ngày Chủ nhật tháng Chín năm 1969 khi hàng chục nghìn người Australia giật mình bởi hàng loạt tiếng nổ và cảnh tượng một quả cầu lửa kéo vệt dài từ đông sang tây ngang qua bầu trời. Quả cầu lửa tạo ra một âm thanh răng rắc lạ lùng và một mùi được mô tả là kinh khủng.

Nó nổ tung trên bầu trời Murchison, một thị trấn với dân số 600 người ở thung lũng Goulburn, phía bắc Melbourne và rơi xuống như mưa, trong đó một số mảnh nặng tới năm cân, nhưng không ai bị thương. Thiên thạch này thuộc loại hiếm gặp, được biết đến với tên gọi đá chondrit cácbon và người dân địa phương đã nhiệt tình thu nhặt được khoảng 90kg. Thời điểm không thể tốt hơn. Chưa đầy hai tháng sau, các phi hành gia tàu Apollo 11 trở về với một túi chứa đá mặt trăng, và thế là các phòng thí nghiệm trên thế giới đã chạy đua để có được các mẫu đá có nguồn gốc ngoài Trái Đất.

Thiên thạch Murchison được đánh giá là có 4,5 tỷ năm tuổi và chứa 74 loại axít amin, trong đó có tám loại liên quan tới sự hình thành của các prôtêin trên Trái Đất. Cuối năm 2001, hơn 30 năm sau vụ nổ, một nhóm các nhà khoa học tại Trung tâm nghiên cứu Ames, California tuyên bố rằng đá Murchison cũng bao gồm các chuỗi đường phức tạp gọi là polyol, vốn chưa từng được tìm thấy ngoài Trái Đất trước đây.

Đá chondrit cácbon còn rơi xuống Trái Đất một vài lần kể từ năm 1969 – một lần ở gần hồ Tagish của Canada vào tháng Một năm 2000, được rất nhiều người dân Bắc Mỹ nhìn thấy – và chúng đều cho thấy vũ trụ thật sự rất giàu các hợp chất hữu cơ. Ngày nay, người ta cho rằng sao chổi Halley cũng chứa tới 25% phân tử hữu cơ. Nếu như có đủ những cú va chạm như thế với một nơi phù hợp – chẳng hạn Trái Đất – bạn sẽ có được những yếu tố cơ bản của sự sống.

Có hai vấn đề với thuyết ngoại sinh, vốn cho rằng sự sống là do các thiên thạch mang đến. Thứ nhất, nó không giải thích được câu hỏi sự sống hình thành như thế nào, mà chỉ đơn thuần đẩy nguồn gốc sang một nơi khác. Vấn đề thứ hai là thuyết ngoại sinh có xu hướng kích thích các môn đồ đáng kính nhất của nó đưa ra các suy diễn nhiều khi thiếu căn cứ. Francis Crick, người đồng phát hiện ra cấu trúc của ADN và đồng nghiệp của ông, Leslie Orgel, từng cho rằng sự sống trên Trái Đất “được gieo mầm có chủ ý bởi những người ngoài hành tinh thông minh”, ý tưởng mà Gribbin đánh giá “cách rất xa sự nghiêm túc về mặt khoa học” – hay nói cách khác, đó là một ý tưởng sẽ bị xem là điên rồ nếu người phát ngôn ra nó không phải là một nhà khoa học được trao giải Nobel. Như đã đề cập trong chương 3, Fred Hoyle và cộng sự của ông, Chandra Wickramasinghe, đã làm xói mòn thêm tính khoa học đối với thuyết ngoại sinh bằng cách suy diễn rằng vũ trụ không chỉ mang đến cho chúng ta sự sống mà còn cả nhiều loại bệnh tật khác như cúm và dịch hạch. Điều này dễ dàng bị các nhà sinh vật học bác bỏ.

Bất kể điều gì thôi thúc sự sống hình thành cũng chỉ xảy ra một lần duy nhất. Đây là điều dị thường nhất trong sinh học và có lẽ cũng là điều dị thường nhất mà chúng ta được biết. Tất cả những gì từng sống, thực vật hay động vật, đều có khởi đầu từ một cơn co giật nguyên thủy. Tại một thời điểm trong quá khứ xa xôi ngoài sức tưởng tượng, một gói hóa chất nhỏ nào đó đã hối hả pha trộn để tạo thành sự sống. Nó hấp thụ một số chất dinh dưỡng, được kích thích nhẹ nhàng và tồn tại trong quãng thời gian ngắn ngủi. Điều này trước đây có thể đã xảy ra nhiều lần. Thế nhưng, gói hóa chất đó lần này đã thực hiện thêm một việc dị thường: nó tự phân chia và tạo ra hậu duệ. Một nhóm vật chất di truyền đã chuyển từ thực thể sống này thành thực thể sống khác, và chưa từng ngừng lại kể từ đó. Đây là thời khắc tất cả chúng ta được tạo ra. Đôi khi các nhà sinh học còn gọi đây là Big Birth (Cuộc sinh nở lớn).

“Dù bạn đi tới đâu trên thế giới, bất cứ cây gì, con gì cũng vậy, chỉ cần còn đang sống, đều đang sử dụng cùng một cuốn tự điển và có cùng một thứ mật mã. Mọi sự sống đều như nhau,” Matt Ridley nói. Chúng ta đều là kết quả của một trò chơi di truyền được chuyển giao từ thế hệ này sang thế hệ khác trong suốt gần 4 tỷ năm, đến mức bạn có thể lấy một đoạn chỉ dẫn di truyền của con người và dán vào một tế bào nấm men bị lỗi; tế bào này sẽ giúp nấm men hoạt động như thể là của chính nó. Chúng thật sự thuộc về nhau, theo nghĩa đen.

Buổi bình minh của sự sống – hoặc một thứ gì đó rất gần với nó – nằm trên một chiếc giá trong văn phòng của nhà hóa học đồng vị thân thiện mang tên Victoria Bennett, thuộc tòa nhà Khoa học Trái Đất, Đại học Quốc gia Australia, thành phố Canberra. Là một người Mỹ, vào năm 1989, bà Bennett từ California tới đây theo hợp đồng làm việc hai năm và ở lại kể từ đó. Khi tôi tới thăm bà vào cuối năm 2001, bà trao cho tôi một mẩu đá nặng trông rất bình thường, cấu thành từ thạch anh trắng như những sọc kẻ mỏng manh xen kẽ với một chất liệu màu xanh xám là clinôpyrôxen. Viên đá đến từ đảo Akilia, Greenland, nơi những tảng đá cổ bất thường được tìm thấy vào năm 1997. Viên đá này đã 3,85 tỷ năm tuổi và thuộc các lớp trầm tích đại dương cổ xưa nhất từng được tìm thấy.

“Tôi không dám chắc liệu thứ anh đang cầm trong tay có từng chứa các cơ thể sống hay không, vì cần phải tán nhỏ nó ra để nghiên cứu,” Bennett nói với tôi. “Nhưng nó đến từ cùng một nơi mà sự sống cổ xưa được khai quật, vì thế có thể nó từng có sự sống ở bên trong.” Dù tìm kiếm kỹ đến mức nào, bạn cũng không thể tìm thấy các vi khuẩn hóa thạch thật sự. Bất cứ sinh vật đơn giản nào cũng sẽ tiêu biến cùng quá trình bùn dưới đáy biển trở thành đá. Thay vào đó, những gì chúng ta có thể thấy nếu nghiền vụn viên đá và xem xét nó dưới kính hiển vi sẽ là dư lượng hóa chất mà các sinh vật này để lại: đồng vị cácbon và một loại phốt phát gọi là apatit. Chúng là các bằng chứng rõ ràng cho thấy viên đá từng là nơi trú ngụ của các sinh vật. “Chúng ta chỉ có thể đoán sinh vật đó trông như thế nào,” Bennett nói. “Đó có thể chỉ là sinh vật cơ bản nhất, song dù sao đó cũng là sự sống. Nó sống và di truyền.” Cuối cùng, nó dẫn tới chúng ta.

Nếu bạn quan tâm tới các loại đá rất cổ giống như Bennett, Đại học Quốc gia Australia hẳn là một điểm đến. Ngôi trường này được dựng lên phần lớn nhờ tài tháo vát của một người đàn ông tên là Bill Compston, giờ đã nghỉ hưu. Năm 1970, ông cho chế tạo chiếc máy dò vi ion độ nhạy cao1. Đây là một máy đo tốc độ phân rã của urani trong các mẫu quặng nhỏ gọi là zircon. Zircon xuất hiện ở hầu hết các loại đá, ngoại trừ bazan, và mang tính siêu bền, có khả năng chịu mọi quá trình tự nhiên nhưng có xu hướng suy giảm. Đa phần vỏ Trái Đất đã sụt xuống ở một mức độ nào đó, nhưng đôi khi – chẳng hạn, ở miền tây Australia hoặc Greenland – các nhà địa chất lại tìm thấy một số vỉa đá đã luôn tồn tại trên bề mặt. Chiếc máy của Compston có thể xác định niên đại của chúng với độ chính xác vô song. SHRIMP nguyên mẫu được chế tạo và vận hành ngay tại xưởng của Phòng Khoa học Trái Đất, thoạt nhìn người ta dễ nghĩ nó được làm ra bằng cách tận dụng nguyên vật liệu thừa do thiếu thốn kinh phí, thế nhưng nó thực sự hoạt động rất tốt. Trong lần kiểm tra chính thức đầu tiên vào năm 1982, nó đã xác định niên đại của vật thể cổ xưa nhất từng được tìm thấy – một viên đá 4,3 tỷ năm tuổi đến từ miền tây Australia. “Việc đó đã gây khá nhiều xáo trộn tại thời điểm đó,” Bennett kể với tôi, “vì tìm được một thứ quan trọng trong thời gian nhanh đến vậy nhờ sử dụng công nghệ hoàn toàn mới.”

1. Sensitive High Resolution Ion Micro Probe – được biết đến với tên viết tắt nổi tiếng là SHRIMP, tiếng Anh có nghĩa là tôm.

Bà đưa tôi xuống hội trường để xem mẫu máy mới, SHRIMP II. Nó là một công trình to nặng, làm bằng thép không gỉ, dài khoảng 3,5m và cao 1,5m, được dựng kiên cố như một máy dò đáy biển. Một người đàn ông đang chăm chú theo dõi các chuỗi số liệu nhảy nhót trên màn hình. Ông là Bob, đến từ Đại học Canterbury, New Zealand. Ông cho tôi biết mình đã ở đây từ 4 giờ sáng. Khi đó đang gần 9 giờ sáng và Bob sẽ theo dõi cho đến trưa. SHRIMP II chạy 24 tiếng mỗi ngày bởi có quá nhiều mẫu đá cần được xác định niên đại. Hãy hỏi bất cứ nhà địa chất nào về cơ chế hoạt động của những thứ như vậy, họ sẽ bắt đầu nói về sự làm giàu đồng vị và ion hóa với sự nhiệt tình không gì đo đếm được. Tuy nhiên, cuối cùng, bằng cách bắn phá một viên đá bằng các dòng nguyên tử tích điện, chính chiếc máy đó mới có khả năng xác định sự khác biệt rất nhỏ trong lượng chì và urani ở các mẫu zircon, nhờ đó tuổi của viên đá được tính một cách chính xác. Bob cho biết cần khoảng 17 phút để đọc một mẫu zircon, và sẽ cần đọc hàng chục lần một viên đá để có thể thu được số liệu đáng tin cậy. Trong thực tế, sự nhàm chán của quy trình này cũng không kém gì công việc ở tiệm giặt. Tuy nhiên, Bob có vẻ rất hào hứng theo kiểu thường thấy ở người New Zealand.

Phòng Khoa học Trái Đất là một tổ hợp khác thường – vừa là văn phòng, vừa là phòng thí nghiệm, lại vừa là xưởng máy. “Chúng tôi từng chế tạo mọi thứ tại đây,” bà cho biết. “Chúng tôi còn thuê riêng một người thợ thổi thủy tinh nhưng ông ấy đã nghỉ hưu. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn còn hai người thợ nghiền đá làm việc toàn thời gian.” Bà bắt gặp ánh mắt thoáng ngỡ ngàng của tôi. “Ở đây, chúng tôi có rất nhiều đá. Chúng phải được chuẩn bị rất kỹ để đảm bảo không bị tạp nhiễm bởi các mẫu trước – bụi hay bất cứ thứ gì. Đây là một quá trình đòi hỏi sự tỷ mỉ.” Bà chỉ cho tôi chiếc máy nghiền đá, những người thợ có lẽ đang nghỉ giải lao. Bên cạnh đó là những hộp đựng đá với đủ kích thước, màu sắc. Đúng là tại đây các nhà khoa học phải tiếp xúc với rất nhiều đá.

Trở lại văn phòng của Bennett sau chuyến tham quan, tôi thấy trên tường của căn phòng treo một bức tranh cỡ lớn minh họa lý giải đầy ắp trí tưởng tượng của một họa sĩ về hình ảnh Trái Đất 3,5 tỷ năm trước, thời điểm sự sống trên Trái Đất vừa mới bắt đầu, thuộc niên đại địa chất Liên đại Thái Cổ. Bức tranh vẽ nên một cảnh tượng lạ lùng với những núi lửa khổng lồ đang hoạt động, mặt biển màu đồng nghi ngút hơi nước nằm bên dưới bầu trời đỏ gắt. Đá strômatôlít, một loại đá chứa vi khuẩn, chiếm lĩnh vùng nước nông ven bờ. Trông nó không hề giống một nơi hứa hẹn sẽ sinh ra và nuôi dưỡng sự sống. Tôi đã hỏi bà liệu bức tranh này có chính xác.

“Ồ, có trường phái cho rằng Trái Đất khi đó thực chất rất lạnh vì ánh sáng Mặt Trời rất yếu.” (Về sau, tôi được biết các nhà sinh học trong khi cao hứng đã gọi đây là “vấn đề nhà hàng Trung Quốc” – bởi lúc này chúng ta có một Mặt Trời rất mờ1.) “Nếu không có khí quyển, các tia cực tím của Mặt Trời, dù là một Mặt Trời yếu, cũng sẽ bẻ gãy các liên kết mới được các phân tử phôi thai. Trong khi đó,” – bà gõ lên những viên đá strômatôlít – “anh lại thấy có những sinh vật gần như tồn tại ngay trên bề mặt. Đây là một thách đố.”

1. Nguyên văn: dim sun. Có lẽ ở đây chơi chữ, ý liên hệ tới món dimsum (há cảo).

“Nghĩa là chúng ta không biết thế giới trông như thế nào vào thời kỳ đó?”

“Phải,” bà thận trọng tỏ ý đồng tình.

“Dù thế nào, nó có lẽ cũng không mấy thuận lợi cho sự sống.”

Bà gật đầu thân thiện. “Nhưng phải có một thứ gì đó thích hợp cho sự sống. Nếu không chúng ta đã không có mặt ở đây.”

Nó chắc chắn không phù hợp với chúng ta ngay từ đầu. Nếu bạn lên một cỗ máy thời gian để về lại thế giới thời Thái Cổ đó, bạn sẽ lập tức muốn về lại hiện tại bởi lượng ôxy trên Trái Đất không nhiều hơn so với trên sao Hỏa ngày nay. Nó chứa đầy hơi độc của axít clohiđric và axít sunphuric, đủ mạnh để ăn mòn quần áo và khiến da bạn phỏng rộp. Bạn cũng không thấy khung cảnh sạch sẽ và sáng sủa như trong bức tranh vừa kề. Các chất hóa học đóng vai trò khí quyển khi đó chỉ cho phép rất ít ánh mặt trời đến được bề mặt Trái Đất. Tầm nhìn hạn chế của bạn thỉnh thoảng sẽ được chiếu sáng bởi những tia chớp. Tóm lại, đây đúng là Trái Đất, nhưng là một Trái Đất sẽ khiến bạn không thể nhận ra.

Có rất ít sự kiện xảy ra trong thế giới thuộc Liên đại Thái Cổ. Suốt 2 tỷ năm, các loại vi khuẩn là dạng sống duy nhất. Chúng sống, sinh sôi, quần tụ, song không thể hiện bất cứ dấu hiệu nào cho thấy sẽ chuyển sang một cấp độ tồn tại phức tạp hơn. Tại một thời điểm nào đó trong một tỷ năm đầu tiên của sự sống khuẩn lam, một loại vi khuẩn mang màu tảo đã tìm được cách khai thác những nguồn lực sẵn có – lượng hiđro hết sức dồi dào trong nước. Chúng hấp thụ các phân tử nước, giữ lại hiđro và nhả ra ôxy, nhờ đó quá trình quang hợp đã được sáng tạo ra. Như Margulis và Sagan nhận định, quang hợp “chắc chắn là bước tiến quan trọng nhất về trao đổi chất trong lịch sử sự sống của hành tinh” – và nó không được tạo ra bởi thực vật mà bởi vi khuẩn.

Cùng với sự gia tăng của khuẩn lam, thế giới bắt đầu chứa đầy khí ôxy trước sự kinh ngạc của các sinh vật xem đó là loại khí độc hại – vào thời đó nghĩa là tất cả các sinh vật. Trong một thế giới kỵ khí, nghĩa là không sử dụng ôxy, khí này là cực kỳ độc hại. Các bạch cầu của chúng ta thực chất dùng ôxy để giết các vi khuẩn xâm nhập. Bản chất độc hại của ôxy có thể khiến chúng ta, những kẻ sống dựa vào nó, thấy ngạc nhiên, nhưng đơn giản là chúng ta đã tiến hóa để sử dụng nó. Với những thứ khác, nó là nỗi kinh hoàng. Nó khiến cho bơ bị ôi và sắt bị gỉ. Ngay cả con người cũng chỉ dung nạp nó đến một mức nhất định. Lượng ôxy trong tế bào của chúng ta chỉ bằng một phần mười lượng ôxy trong khí quyển.

Các cơ thể sống sử dụng ôxy có hai lợi thế. Ôxy là một nhân tố hiệu quả giúp tạo ra năng lượng và hạ gục các đối thủ của chúng. Một số rút lui về thế giới yếm khí và có bùn như nơi đầm lầy hay đáy hồ. Một số khác cũng làm tương tự, nhưng sau đó (rất lâu sau đó) di cư vào trong hệ tiêu hóa của các sinh vật như bạn và tôi. Khá nhiều thực thể nguyên thủy này vẫn đang sống trong cơ thể bạn ngay lúc này, giúp bạn tiêu hóa thức ăn, nhưng căm ghét ôxy dù chỉ là một lượng rất nhỏ. Vô số các dạng sống khác đã chết vì không thích nghi được.

Các khuẩn lam là một thành công vang dội. Ban đầu, khí ôxy mà chúng tạo ra không tích lũy trong khí quyển, mà kết hợp với sắt để tạo thành oxit sắt và chìm xuống đáy biển nguyên thủy. Suốt hàng triệu năm, thế giới thật sự bị gỉ – bằng chứng của hiện tượng này là vô số mỏ sắt đang cung cấp rất nhiều quặng cho thế giới ngày nay. Suốt hàng chục triệu năm, gần như đây là tất cả những gì xảy ra. Nếu quay lại đầu Liên đại Nguyên sinh, bạn sẽ không nhận thấy nhiều dấu hiệu hứa hẹn về tương lai Trái Đất. Có thể ở đâu đó trong các hồ trú ẩn, bạn sẽ bắt gặp một lớp bọt có sự sống hay một lớp phủ màu xanh hoặc nâu bóng trên các tảng đá ven bờ, nhưng bóng dáng sự sống vẫn rất mịt mù.

Khoảng 3,5 tỷ năm trước, những thứ rõ ràng hơn đã xuất hiện. Bất cứ khi nào nước biển nông, các dạng sống hữu hình bắt đầu xuất hiện. Trong quá trình thực hiện các chu trình hóa học của mình, khuẩn lam trở nên hơi dính, giúp chúng giữ lại các hạt bụi hoặc cát. Tất cả kết hợp với nhau để tạo thành các cấu trúc kỳ dị nhưng rất bền được vẽ trong bức tranh trên tường văn phòng của bà Bennett: đá strômatôlít. Loại đá này rất đa dạng về hình dáng và màu sắc. Đôi khi chúng trông như những bông hoa lơ khổng lồ, khi lại giống những tấm nệm bông (tên của loại đá này bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là nệm); chúng có khi xuất hiện như những chiếc cột dựng đứng cao hơn mặt nước hàng chục mét – có thể lên tới 100m. Dù có hình dáng nào, chúng cũng là loại đá chứa sự sống cộng sinh đầu tiên trên thế giới, với một số cơ thể sống trên bề mặt và một số khác ngay phía dưới, mỗi loại sẽ tận dụng các điều kiện do loại kia tạo ra. Vậy là, thế giới đã có hệ sinh thái đầu tiên.

Suốt nhiều năm, các nhà khoa học biết đến đá strômatôlít từ sự hình thành hóa thạch, nhưng vào năm 1961 họ thật sự kinh ngạc khi phát hiện một quần thể đá strômatôlít chứa sự sống tại vịnh Shark, ở bờ biển tây bắc xa xôi của Australia. Đây là điều rất bất ngờ – bất ngờ tới mức phải mất vài năm để các nhà khoa học nhận ra mình đã phát hiện điều gì. Tuy nhiên, ngày nay vịnh Shark là một điểm thu hút du lịch – hoặc ít nhất là một nơi quá nhiều du khách so với việc nó cách những nơi sầm uất khác hàng trăm dặm và cách bất cứ địa điểm nào khác hàng chục dặm. Những lối đi dạo sát bờ biển đã được xây dựng để du khách có thể đến sát mặt nước và ngắm nhìn các tảng đá strômatôlít đang thở khe khẽ bên dưới. Chúng có màu xám xỉn, và như tôi đã viết trong một cuốn sách khác, trông rất giống những khối phân bò lớn. Thế nhưng bạn sẽ cảm giác hơi choáng váng khi biết mình đang được chiêm ngưỡng phần sự sống còn sót lại trên Trái Đất từ 3,5 tỷ năm trước. Richard Fortey từng nói: “Đây thật sự là một chuyến du hành vượt thời gian, và nếu thế giới được chọn những kỳ quan thật sự, nơi này chắc chắn sẽ nổi tiếng không kém gì kim tự tháp Giza.” Dù bạn không ngờ tới, nhưng những tảng đá tẻ nhạt này lại chứa đầy sự sống, có đến khoảng ba tỷ cá thể trên mỗi mét vuông đá. Đôi lúc nếu quan sát kỹ, bạn có thể nhìn thấy những luồng bong bóng khí nổi lên mặt nước khi chúng nhả khí ôxy. Suốt hai tỷ năm nay, bằng nỗ lực nhỏ bé của mình, chúng đã làm tăng lượng ôxy có trong khí quyển lên 20% để chuẩn bị cho một chương mới phức tạp hơn trong lịch sử sự sống.

Một số người cho rằng khuẩn lam ở vịnh Shark có lẽ là một trong những dạng sống chậm tiến hóa nhất trên Trái Đất và chắc chắn ngày nay là dạng hiếm hoi nhất. Khuẩn lam tạo nền tảng cho các sinh vật phức tạp hơn ra đời, và chính các sinh vật này cản trở sự tồn tại của khuẩn lam. (Khuẩn lam còn lại ở vịnh Shark là nhờ nước biển ở đây quá mặn, khiến các sinh vật thường không thể lấy chúng làm thức ăn.)

Một nguyên nhân khiến sự sống mất quá nhiều thời gian để trở nên phức tạp là thế giới phải đợi cho đến khi các dạng sống đơn giản tạo ra đủ ôxy cho bầu khí quyển. “Động vật không thể có đủ năng lượng để hoạt động,” như Fortey đã nhận định. Mất khoảng 2 tỷ năm, gần 40% lịch sử Trái Đất, để mức ôxy trong không khí có mật độ xấp xỉ như hiện nay. Khi đạt đến giai đoạn này, bất ngờ một loại tế bào hoàn toàn mới xuất hiện – tế bào này chứa một hạt nhân và các thể nhỏ hơn được gọi chung là các bào quan. Quá trình này được cho là bắt đầu khi một vi khuẩn ngớ ngẩn hoặc mạo hiểm đã xâm nhập hoặc bị giữ lại bởi một vi khuẩn khác, và phát hiện rằng điều này có lợi cho cả hai. Người ta cho rằng, vi khuẩn bị giam cầm đã trở thành một ti thể. Sự xâm nhập ti thể này (hoặc hiện tượng nội cộng sinh, thuật ngữ mà các nhà sinh học ưa dùng) khiến sự sống phức tạp trở nên khả thi. (Trong thực vật, sự xâm nhập tương tự tạo ra lục lạp1, cho phép chúng quang hợp.)

1. Một trong ba dạng lạp thể (vô sắc lạp, sắc lạp, lục lạp) chỉ có trong các tế bào có chức năng quang hợp ở thực vật. (ND)

Các ti thể sử dụng ôxy để giải phóng năng lượng từ thức ăn. Nếu không có quá trình này, sự sống trên Trái Đất ngày nay sẽ không nhiều hơn một bãi lầy đầy các vi sinh vật đơn giản. Các ti thể rất nhỏ – bạn có thể nhét một tỷ ti thể vào một hạt cát – nhưng chúng luôn đói. Hầu như tất cả chất dinh dưỡng bạn hấp thụ đều dùng để nuôi dưỡng chúng.

Chúng ta không thể sống dù chỉ trong hai phút mà thiếu các ti thể, nhưng thậm chí sau một tỷ năm chúng vẫn hoạt động như thể mọi thứ không hề thay đổi. Chúng giữ ADN, ARN và các ribôxôm riêng. Chúng sinh sản khác thời điểm so với tế bào chủ. Chúng trông giống vi khuẩn, phân bào như vi khuẩn, và đôi khi còn phản ứng với các chất kháng sinh theo cách của vi khuẩn. Chúng không di truyền như tế bào mà chúng cư ngụ. Nói tóm lại, chúng giống như một người lạ ở trong nhà bạn, và ở lại đó suốt hàng tỷ năm.

Loại tế bào mới được gọi là tế bào nhân chuẩn (nghĩa là thật sự có nhân) để phân biệt với loại cũ, tế bào nhân sơ (trước khi có nhân), và dường như chúng đột nhiên xuất hiện, dựa trên bằng chứng hóa thạch. Các tế bào nhân chuẩn cổ nhất được biết đến có tên gọi là grypania, được phát hiện trong các trầm tích sắt ở Michigan vào năm 1992. Các hóa thạch này chỉ được tìm thấy duy nhất một lần, có niên đại 500 triệu năm.

Trái Đất đã tiến bước đầu tiên để trở thành một hành tinh thú vị. So với tế bào nhân chuẩn mới, tế bào nhân sơ cũ không khác gì một “túi chứa hóa chất”, theo cách gọi của nhà sinh vật học người Anh, Stephen Drury. Các tế bào nhân chuẩn lớn hơn – thậm chí có thể gấp 10.000 lần – so với những họ hàng đơn giản hơn của mình, và có thể mang số ADN nhiều gấp 1.000 lần. Nhờ cú đột phá này, sự sống ngày càng phức tạp và tạo nên hai loại sinh vật – một loại thải ra ôxy (như cây cối) và một loại hít vào (như bạn và tôi).

Các sinh vật nhân chuẩn đơn bào từng được gọi là tiền động vật, nhưng ngày nay thuật ngữ này ngày càng ít được sử dụng. Thay vào đó là thuật ngữ phổ biến hơn, sinh vật nguyên sinh. So với vi khuẩn, sinh vật nguyên sinh là những kỳ quan về cấu trúc và độ phức tạp. Các amip đơn giản, dù chỉ là một tế bào và không có tham vọng nào khác ngoài tồn tại, chứa 400 triệu thông tin di truyền trong ADN của mình – đủ để dàn kín 80 cuốn sách 500 trang như Carl Sagan đã lưu ý. Cuối cùng, sinh vật nhân chuẩn học được một chiêu độc hơn. Sẽ mất rất lâu – khoảng một tỷ năm – nhưng đây là một chiêu tuyệt vời khi đã nắm được. Chúng học cách kết hợp để tạo ra sinh vật đa bào. Nhờ bước tiến này, các thực thể hữu hình, phức tạp và to lớn như con người mới có thể ra đời. Trái Đất đã sẵn sàng để bước sang giai đoạn tiếp theo.

Nhưng trước khi quá hứng khởi với điều đó, bạn nên nhớ rằng thế giới mà chúng ta sắp sửa thấy vẫn thuộc về các sinh vật rất nhỏ.