Làm thế nào để 20 loại acid amin thuận tay trái trong tự nhiên ngẫu nhiên tập hợp lại với nhau để tạo ra sự sống đầu tiên? Theo toán học, xác suất để điều đó xảy ra chỉ khoảng 0b. Làm thế nào để 2000 enzym xuất hiện củng một lúc để tạo ra tế bào đầu tiên? Xác suất của sự kiện đó khoảng 0a. Những con số này chứng tỏ sự sống KHÔNG THỂ hình thành tự phát!
Thuyết tiến hóa giải thích tính đa dạng của thế giới sinh học thông qua chuỗi tiến hóa: trong đó A là sinh vật đầu tiên và Z là sinh vật cuối cùng.
Câu hỏi lập tức nẩy sinh: Sinh vật đầu tiên là cái gì? Nó từ đâu mà ra? Nói cách khác: Nguồn gốc sự sống là gì? Nếu không trả lời được câu hỏi đó thì thuyết tiến hóa sẽ sụp đổ.
Thủa ban đầu, bầu khí quyển trên trái đất khác xa bầu khí quyển hiện nay. Khí oxy tự do hầu như không có. Các nguyên tố nitrogen, hydrogen và carbon tạo thành carbon dioxide, methane, ammonia và nước. Khi các tia sét và tia tử ngoại tác động vào hỗn hợp các khí này và hơi nước thì đường và acid amin được tạo ra. Những hỗn hợp phân tử đó trôi dạt xuống biển hoặc những khối nước khác. Qua một thời gian dài, đường, acid và những chất hỗn hợp khác cô đặc lại thành “nồi soup tiền sinh thái”, trong đó acid amin ngẫu nhiên kết hợp với nhau để tạo thành protein. Nói rộng ra, các hợp chất khác gọi là nucleotide hợp lại thành từng chuỗi và trở thành acid nucleic, chẳng hạn như DNA. Những phân tử protein và DNA tình cờ gặp nhau, nhận ra nhau và ôm ghì lấy nhau. Thế là tế bào đầu tiên hình thành!Đó là một câu hỏi khó, rất khó, thậm chí sẽ không bao giờ có câu trả lời. Đã hơn 150 năm trôi qua kể từ ngày câu hỏi đó được nêu lên, đến nay vẫn không có câu trả lời. Đúng ra, thuyết tiến hóa đã đưa ra một câu trả lời, nhưng không phải câu trả lời có cơ sở khoa học, mà chỉ là một GIẢ THUYẾT – giả thuyết về “nồi soup nguyên thủy” với nội dung chính sau đây:
Toàn bộ kịch bản nói trên chỉ là một câu chuyện thần tiên tưởng tượng 100%. Rất nhiều tình tiết không thể kiểm chứng và sẽ không bao giờ có thể kiểm chứng. Chẳng hạn, làm thế nào mà biết bầu khí quyển xa xưa khác xa hiện nay? Tóm lại, không có bất cứ một bằng chứng nào ủng hộ giả thuyết “nồi soup nguyên thủy”, trong khi có hàng trăm lý do để bác bỏ nó. Toán học là một lý do.
Lý thuyết xác suất bác bỏ giả thuyết nồi soup nguyên thủy
Trong kịch bản nói trên, có một tình tiết quan trọng, đó là acid amin ngẫu nhiên tập hợp lại với nhau để tạo thành protein. Mặc dù acid amin là một thành phần cơ bản của sự sống như ta thấy ngày nay, nhưng liệu chúng có thể NGẪU NHIÊN tập hợp lại với nhau để tạo thành protein không?
Để trả lời câu hỏi này, cần biết rằng khoa học ngày nay đã biết trong tự nhiên có 100 loại acid amin khác nhau, nhưng chỉ có 20 loại có mặt trong sự sống (sự sống chỉ sử dụng 20 loại). Hơn thế nữa, tất cả 20 loại acid amin này đều thuận tay trái. Vậy bài toán đặt ra là làm thế nào để 20 loại acid amin thuận tay trái trong tự nhiên ngẫu nhiên tập hợp lại với nhau để tạo thành protein?
Sẽ không giải được bài toán trên nếu không biết một định luật cơ bản của sự sống: Định luật sự sống bất đối xứng hay Định luật sự sống thuận tay trái do Louis Pasteur khám phá ra năm 1848, khi ông mới 26 tuổi.
Bài hôm nay chỉ xin nhắc lại một cách sơ lược rằng cùng một hợp chất hữu cơ có thể có 2 dạng cấu trúc phân tử đối xứng gương với nhau, giống như bàn tay phải và bàn tay trái. Chẳng hạn như phân tử trong hình dưới đây.
Về mặt lý thuyết, đối với một hợp chất hữu cơ, xác suất để xuất hiện hai dạng cấu trúc đó là như nhau: tỷ lệ 50-50. Nhưng điều kỳ lạ là hợp chất hữu cơ trong các tế bào sống chỉ có cấu trúc bàn tay trái (chỉ thuận tay trái). Pasteur khám phá ra điều này khi ông nghiên cứu tinh thể acid tartaric. Trong khi acid tartaric do con người chế tạo ra trong phòng thí nghiệm hoặc trong công nghiệp (gọi là acid paratartaric) xuất hiện cả hai loại cấu trúc ban tay phải và bàn tay trái với tỷ lệ 50-50 thì acid tartaric chiết xuất từ sự sống (bã nho) chỉ có phân tử thuận tay trái. Với trực giác thiên tài, Pasteur đã tổng quát hóa nhận xét đó thành một định luật, rằng tính chất thuận tay trái là đặc trưng của sự sống – ở đâu có sự sống, ở đó có phân tử chỉ thuận tay trái, và ngược lại, ở đâu có phân tử chỉ thuận tay trái, ở đó có sự sống.
Qua hơn 150 năm thử thách, định luật này được kiểm chứng là tuyệt đối đúng – không có bất cứ một trường hợp thực tế nào trái với nó. Giới tiến hóa rất khó chịu, vì bị định luật này thách thức, nhưng họ vẫn phải thừa nhận đó là một sự thật khó hiểu của sự sống.
Áp dụng định luật này vào trường hợp của acid amin, chúng ta có nhận xét sau đây: trong 100 loại acid amin có trong tự nhiên, những acid amin có hai loại cấu trúc thuận tay phải và thuận tay trái với tỷ lệ 50-50 đều không có mặt trong sự sống, trong khi những loại acid amin được sự sống sử dụng đều có cấu trúc thuận tay trái.
Thật thú vị để nhắc lại một chút về thí nghiệm Urey-Miller năm 1953, một thí nghiệm đã được nhiều báo chí thời đó quảng cáo rùm beng là đã “chế tạo ra sự sống”, gây chấn động dư luận. Nhưng thực ra đó là chuyện phóng đại – Miller chỉ chế tạo được một vài loại acid amin, nhưng đều là những acid amin không sống, tức là những acid amin có cấu trúc đối xứng (phân tử thuận tay phải và thuận tay trái có mặt với tỷ lệ ngang bằng). Hóa ra thí nghiệm này có tác dụng ngược: nó cảnh báo rằng sự sống không thể tạo ra từ vật chất không sống! Sự sống đòi hỏi phải có những phân tử CHỈ THUẬN TAY TRÁI, và đó là điều vượt quá khả năng của con người. Bản thân Miller 40 năm sau đã thú nhận với tạp chí Scientific American rằng “Vấn đề nguồn gốc sự sống thực ra khó hơn tôi và hầu hết những người khác dự kiến“.
Năm 1969, giáo sư sinh học Dean Kenyon, người từng tin vào học thuyết Darwin, kết luận: “Về cơ bản, không thể tin được là vật chất và năng lượng không cần ai giúp mà tự tổ chức thành các hệ thống có sự sống”.
Thật vậy, hiện nay tất cả các nhà khoa học đều thừa nhận rằng không thể nào giải thích nổi tại sao sự sống chỉ thuận tay trái. Đó là một bí mật vĩ đại, một trong những thách đố lớn nhất của tự nhiên.
Bế tắc trong việc giải mã thách đố này, gần đây các nhà tiến hóa quay sang “đổ tội” cho vũ trụ, rằng sự sống thuận tay trái nằm ở đâu đó trong vũ trụ, và vũ trụ đã mang sự sống đó đến trái đất. Việc đổ thừa này không làm thay đổi nội dung cốt lõi của bài toán, nó chỉ chuyển địa điểm của bài toán từ trái đất lên vũ trụ mà thôi.
Vậy đã đến lúc thử tính xem xác suất để 20 loại acid amin cần cho sự sống (thuận tay trái) ngẫu nhiên tập hợp lại với nhau để tạo thành protein là bao nhiêu? Xác suất này không phụ thuộc vào bài toán ở trên trái đất hay ở bất cứ nơi nào trong vũ trụ.
Đây là một bài toán xác xuất điển hình, rất thú vị, có thể dùng làm một bài tập mẫu trong lý thuyết xác suất cho học sinh và sinh viên thực hành.
Để cho dễ hiểu, ta hãy hình dung các acid amin trong tự nhiên như những hạt đậu trong đống đậu trong hình vẽ dưới đây, trong đó hạt đậu đỏ là acid amin thuận tay trái, hạt đậu trắng là acid amin thuận tay phải.
Chú ý rằng trong đống đậu lẫn lộn trắng/đỏ ấy có 100 loại hạt đậu khác nhau, và có 20 loại cần cho sự sống. Khi đó xác suất để 20 loại acid amin cần thiết cho sự sống ngẫu nhiên tập hợp lại với nhau sẽ tương đương với xác suất để xúc ngẫu nhiên một mẻ đậu trong đống đậu sao cho mẻ xúc nhận được toàn những hạt đậu mầu đỏ, và tất cả các hạt đậu mầu đỏ này đều là loại cần cho sự sống. Vậy xác suất để xúc được một mẻ đậu như thế là bao nhiêu? Chỉ cần lẫn một loại hạt không đúng với mong muốn đều sẽ dẫn tới thất bại trong việc hình thành protein, tức là sự sống không thể xuất hiện. Sự sống cần nhiều loại protein khác nhau, nên thực tế bài toán vô cùng phức tạp. Nhưng dù giả sử chỉ cần 1 loại protein xuất hiện thì xác suất cũng đã vô cùng nhỏ, nhỏ đến mức có thể kết luận rằng sự kiện đó không thể xẩy ra. Thật vậy, các nhà toán học đã tính xác suất ấy, và cho biết nó bằng khoảng: 0b(1 trên 10 mũ 113 ).
Trong lý thuyết xác suất, các nhà toán học cho rằng một sự kiện có xác suất nhỏ hơn 0c là đã có thể coi như không bao giờ xẩy ra. Vậy sự kiện có xác suất 0bcàng không thể xẩy ra. Để hình dung xác suất này nhỏ như thế nào, chỉ cần hình dung con số 10 mũ 113 lớn đến thế nào – nó lớn hơn số nguyên tử trong toàn vũ trụ (!)
Kết luận: 20 loại acid amin cần cho sự sống không thể ngẫu nhiên kết hợp lại với nhau để tạo ra protein.
Đấy mới chỉ là xác suất để hình thành một loại protein. Thực tế có rất nhiều loại protein, trong đó có những loại protein đóng vai trò sinh tử, thiếu nó thì sự sống sẽ ngừng hoạt động, đó là các enzymes – những proteins đóng vai trò thúc đẩy các phản ứng hóa học bên trong tế bào. Không có những enzymes này, tế bào sẽ chết. Vậy mà có tới 2000 loại enzymes khác nhau! Cơ hội để cùng một lúc ngẫu nhiên có tất cả các enzymes này là bao nhiêu?
Các nhà toán học đã trả lời: xác suất đó vào khoảng 0a. Con số này nhỏ đến nỗi Fred Hoyle, một nhà thiên văn học nổi tiếng người Anh, phải kêu lên: “Một xác suất nhỏ khủng khiếp… nhỏ đến nỗi sự kiện đó không thể xẩy ra ngay cả trong trường hợp toàn bộ vũ trụ chứa nồi soup hữu cơ”, rồi ông kết luận: “Kết quả tính toán này đã quét sạch tư tưởng về sự sống hình thành tự phát ra khỏi cuộc tranhcãi (về nguồn gốc sự sống), nếu người ta không bị định kiến bởi niềm tin xã hội hoặc do giáo dục khoa học tạo ra (làm cho trở thành bảo thủ ngoan cố)”.
Fred Hoyle lập luận:“Điều hiển nhiên là một chuỗi acid amin nối kết lại với nhau theo một cách nào đó để tạo ra một protein. Song đó không phải là điều quan trọng trong sinh học: vấn đề là trật tự xác định của các acid amin phú cho chuỗi ấy những thuộc tính lạ lùng… Nếu các acid amin được nối lại một cách ngẫu nhiên thì có vô số cách sắp xếp; nhưng đa số cách sắp xếp lại vô ích, không thích hợp với các mục đích của một tế bào sống. Chẳng hạn khi ta xét một enzyme được tạo nên bởi 200 acid amin nối lại với nhau, mà mỗi mẩu nối có khoảng 20 cách sắp xếp, thì bạn sẽ dễ dàng nhận thấy rằng những cách sắp xếp vô ích là một con số khổng lồ, lớn hơn cả số nguyên tử có trong tất cả những thiên hà nhìn thấy được bằng kính viễn vọng mạnh nhất. Đó mới chỉ là một enzyme thôi; còn có khoảng 2000 enzyme khác nữa, mỗi cái có một nhiệm vụ rất khác nhau. Vậy thì làm sao các acid amin có thể ngẫu nhiên nối lại với nhau một cách rạch ròi để tạo nên tất cả những enzyme cần thiết? Vậy thay vì chấp nhận sự sống nẩy sinh nhờ những lực mù quáng của tự nhiên với xác suất cực nhỏ, sẽ là hợp lý hơn khi cho rằng gốc tích sự sống là một hành động trí thức có chủ tâm”.
Chứng ấy lý lẽ tưởng đã quá đủ để bác bỏ câu chuyện thần tiên về “nồi soup nguyên thủy” của Darwin, nhưng sự bác bỏ học thuyết Darwin sẽ còn mạnh mẽ và dứt khoát hơn nữa, nếu ta biết rằng cơ hội thực tế để sự sống hình thành tự phát còn nhỏ hơn cái “xác suất nhỏ khủng khiếp” mà Fred Hoyle đã nói ở trên. Tại sao vậy?
Vì ngay cả trong trường hợp 20 loại acid amin tập hợp lại với nhau, sự sống vẫn chưa hình thành. Muốn có sự sống, phải có tế bào – các acid amin phải được bao bọc trong tế bào, tức là phải xuất hiện màng tế bào.
Nhưng màng tế bào lại là một thành phần quá phức tạp, vượt xa trí tưởng tượng và hiểu biết của Darwin. Nó được tạo nên bởi protein, đường và các phân tử béo. Nhà tiến hóa Leslie Orgel cảm thấy băn khoăn vì càng biết rõ sự thật bên trong sự sống, càng thấy nhiều trở ngại cho việc giải thích sự hình thành sự sống đầu tiên. Ông nói: “Màng tế bào hiện nay bao gồm những ống dẫn và những máy bơm chịu trách nhiệm kiểm soát việc hấp thụ chất dinh dưỡng và đào thải các chất cặn bã, các ions kim loại, v.v. Những ống dẫn này liên quan đến những loại proteins chuyên biệt cao cấp – những loại phân tử không thể có mặt ngay từ lúc khởi đầu cuộc tiến hóa của sự sống”.
Tất nhiên Darwin không hay biết gì về thế giới vô cùng phức tạp bên trong tế bào như ngày nay ta biết. Ông tưởng tế bào đơn giản chỉ là một giọt nguyên sinh chất với vài hợp chất hữu cơ nào đó, và vì thế ông mới táo gan tưởng tượng ra “cái ao nhỏ ấm áp” với những điều kiện môi trường đặc biệt để sự sống có thể nẩy sinh ngẫu nhiên từ vật chất không sống. Xét cho cùng thì Darwin là người giầu trí tưởng tượng nhưng ngây thơ về khoa học.
Phải chăng Darwin là một nhân vật tiêu biểu cho tư tưởng và tính cách Anh, vì ông được triều đình Anh tôn sùng như vĩ nhân? Tôi nghĩ việc tôn sùng này thực ra mang tính chính trị nhiều hơn là khoa học. Những đại diện tiêu biểu nhất về khoa học của nước Anh phải kể đến là Isaac Newton, Lord Kelvin, Paul Dirac,… Tất cả những người này đều tin tưởng tuyệt đối vào Đấng Sáng tạo – tác giả của các định luật tự nhiên.
Gần chúng ta hơn, Fred Hoyle cũng là một người Anh, một nhà toán học và thiên văn học có ảnh hưởng lớn trong nửa sau thế kỷ 20, có tư tưởng đối lập với Darwin 100% khi ông tuyên bố:
“Khả năng để sự sống hình thành tự phát từ vật chất không sống là 1 trên 10 mũ 40.000. Mẫu số này đủ lớn để chôn vùi Darwin cùng với toàn bộ thuyết tiến hóa của ông. Không có nồi soup nguyên thủy, dù trên hành tinh này hoặc trên hành tinh khác, và nếu sự khởi đầu của sự sống không phải do ngẫu nhiên, nó ắt phải là kết quả của một thiết kế thông minh có mục đích”.
KẾT
Theo Định lý Bất toàn (Theorem of Incompleteness) của Kurt Gödel, không thể thiết lập một hệ tiên đề đầy đủ và phi mâu thuẫn cho toán học. Một cách tổng quát suy ra rằng không thể chứng minh nguyên nhân đầu tiên của bất kỳ một hệ logic nào. Thuyết tiến hóa có tham vọng giải thích được nguyên nhân đầu tiên của sự sống, trái với Định lý Gödel, do đó tham vọng giải thích nguồn gốc sự sống chỉ là một giấc mơ không tưởng. Những kết quả của phép tính xác suất nói trên phù hợp với Định lý Gödel.
