Thí nghiệm Miller–Urey năm 1953 cho thấy axit amin – viên gạch của protein – có thể tự hình thành khi phóng tia lửa điện vào hỗn hợp khí mê-tan, amoniac, hydro và hơi nước, vốn được coi là "khí quyển cổ" của Trái Đất. Stanley Miller, khi đó là nghiên cứu sinh của Harold Urey ở Đại học Chicago, công bố kết quả trên Science ngày 15/5/1953. Thí nghiệm không tạo ra sự sống, nhưng mở ra cả một ngành nghiên cứu nguồn gốc sự sống bằng thực nghiệm.
Bối cảnh: giả thuyết "súp nguyên thuỷ"
Trong những năm 1920, nhà hoá sinh người Nga Alexander Oparin (1924) và nhà sinh học người Anh J. B. S. Haldane (1929) độc lập đưa ra ý tưởng: khí quyển Trái Đất trẻ không có oxy và giàu khí khử; dưới năng lượng của tia sét và tia cực tím, các phân tử hữu cơ đơn giản sẽ hình thành, tích tụ trong biển thành một thứ "súp" loãng, từ đó dần dần sinh ra sự sống. Haldane đã dùng hình ảnh "súp nóng loãng".
Harold Urey, nhà hoá học đoạt Nobel 1934 vì phát hiện đơteri, lập luận vào đầu thập niên 1950 rằng khí quyển nguyên thuỷ của Trái Đất có thể giống sao Mộc: giàu hydro, mê-tan, amoniac. Chàng nghiên cứu sinh Stanley Miller thuyết phục thầy cho mình thử nghiệm ý tưởng ấy – dù Urey ban đầu lo đề tài quá rủi ro cho một luận án.
Bộ dụng cụ: một biển nhỏ và một bầu trời trong bình thuỷ tinh
Thiết kế của Miller đơn giản đến bất ngờ:
- Một bình nhỏ chứa nước đun sôi – đóng vai đại dương, tạo hơi nước.
- Hơi nước đi lên một bình lớn chứa hỗn hợp khí mê-tan, amoniac, hydro – đóng vai khí quyển.
- Trong bình lớn có hai điện cực, phóng tia lửa điện liên tục – đóng vai tia sét.
- Một ống làm lạnh ngưng hơi nước thành "mưa", mang sản phẩm chảy về bình nước.
Hệ thống kín, chạy vòng tròn liên tục khoảng một tuần. Chỉ sau một ngày, nước đã ngả màu hồng; cuối tuần, dung dịch chuyển sang nâu đỏ đậm. Dùng kỹ thuật sắc ký giấy – phương pháp phân tích của thời ấy – Miller nhận diện được glycine, alanine và vài axit amin khác.
Bài báo "A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions" chỉ đứng tên Miller. Theo các tài liệu lịch sử khoa học, Urey chủ động rút tên để công lao thuộc về học trò – vì nếu có tên ông, mọi người sẽ mặc nhiên coi đó là công trình của người đã đoạt Nobel.
Vì sao nó gây chấn động
Năm 1953 cũng là năm Watson và Crick công bố cấu trúc DNA (tháng 4). Trong vài tuần, thế giới khoa học có cả hai mảnh: phân tử di truyền trông thế nào, và các viên gạch của sự sống có thể tự hình thành ra sao. Thí nghiệm của Miller được đưa vào sách giáo khoa sinh học khắp thế giới, kể cả ở Việt Nam, như minh chứng cho giả thuyết tiến hoá hoá học.
Điều thực sự quan trọng là nó biến câu hỏi triết học "sự sống từ đâu ra" thành câu hỏi có thể làm thí nghiệm trong phòng lab.
Lời phê bình: khí quyển cổ có thật như vậy không
Đến thập niên 1970–1980, các nhà địa hoá học bắt đầu nghi ngờ khí quyển Trái Đất trẻ giàu mê-tan và amoniac. Lý do:
- Khí núi lửa – nguồn chính của khí quyển thứ hai – chủ yếu là CO₂, nước, nitơ, không giàu mê-tan hay amoniac.
- Amoniac bị tia cực tím phân huỷ nhanh khi không có tầng ozone.
- Hydro nhẹ, dễ thoát ra vũ trụ.
Nếu khí quyển là trung tính (CO₂ + N₂), các thí nghiệm kiểu Miller cho lượng axit amin rất thấp. Đây từng là đòn mạnh vào hình ảnh "súp nguyên thuỷ".
Nhưng câu chuyện không dừng ở đó. Năm 2008, H. James Cleaves và cộng sự chỉ ra rằng sản lượng thấp một phần do phản ứng phụ tạo nitrit phá huỷ sản phẩm; khi thêm chất đệm khoáng vật phù hợp, khí quyển trung tính vẫn cho axit amin đáng kể. Ngoài ra, những vùng cục bộ như quanh núi lửa có thể giàu khí khử hơn mức trung bình toàn cầu.
Những chiếc lọ bị lãng quên
Miller cất giữ cẩn thận mẫu từ các thí nghiệm của mình. Sau khi ông mất năm 2007, học trò cũ của ông là Jeffrey Bada (Viện Hải dương học Scripps) cùng cộng sự phân tích lại các lọ mẫu bằng thiết bị hiện đại.
| Năm công bố | Thí nghiệm gốc | Phát hiện khi phân tích lại |
|---|---|---|
| 1953 (gốc) | Thiết bị cổ điển | Glycine, alanine và vài axit amin khác bằng sắc ký giấy |
| 2008 (Science) | Thiết bị "núi lửa" có vòi phun hơi nước, thực hiện năm 1953 | Khoảng 22 axit amin – nhiều hơn hẳn công bố ban đầu |
| 2011 (PNAS) | Thí nghiệm năm 1958 có thêm hydro sunfua | Khoảng 23 axit amin, gồm cả axit amin chứa lưu huỳnh |
Kết quả gợi ý rằng các khu vực núi lửa có sét – như những cột tro phun trào thường kèm tia chớp – có thể là "lò phản ứng" hiệu quả hơn khí quyển trung bình.
Sau Miller: những hướng mới
- Thiên thạch: thiên thạch Murchison rơi ở Úc năm 1969 chứa hàng chục loại axit amin, cho thấy hoá học hữu cơ xảy ra cả ngoài vũ trụ và có thể "gửi" nguyên liệu tới Trái Đất.
- Miệng phun thuỷ nhiệt: phát hiện cuối thập niên 1970 dưới đáy biển gợi ý sự sống có thể bắt đầu ở nơi có chênh lệch hoá học, không cần khí quyển.
- Thế giới RNA: giả thuyết RNA vừa mang thông tin vừa xúc tác, có thể là bước trung gian trước DNA và protein.
- Chính chiếc bình: năm 2021, một nghiên cứu cho thấy thành bình thuỷ tinh borosilicat bị kiềm ăn mòn có thể đã góp phần xúc tác phản ứng – một chi tiết người làm lại thí nghiệm cần để ý.
Đến nay, chưa ai tạo được tế bào sống từ hoá chất vô cơ. Thí nghiệm Miller–Urey trả lời một câu nhỏ – viên gạch có thể tự xuất hiện – chứ không trả lời câu lớn: làm sao các viên gạch tự xếp thành sự sống.
Góc nhìn hôm nay
Thí nghiệm Miller–Urey là ví dụ hiếm hoi một thí nghiệm sai về giả định (khí quyển cổ) mà vẫn đúng về ý nghĩa (hoá học tiền sự sống là có thật và làm được trong lab). Nó cũng cho thấy giá trị của việc giữ lại mẫu gốc: nửa thế kỷ sau, chính những chiếc lọ ấy cho kết quả mới.
- Thí nghiệm này xuất hiện trong chương trình Sinh học phổ thông về nguồn gốc sự sống – có thể đọc kèm với bài về khí quyển nguyên thuỷ để thấy vì sao giả định khí của Miller bị xem lại.
- Titan, mặt trăng của sao Thổ, có khí quyển nitơ – mê-tan và sương mù hữu cơ; nhiều nhà khoa học coi đó là "phòng thí nghiệm Miller–Urey" ngoài tự nhiên. Tàu Dragonfly của NASA dự kiến tới Titan trong thập niên 2030.
- Muốn đọc thêm: các bài tổng quan về hoá học tiền sự sống của Jeffrey Bada và Antonio Lazcano.
Câu hỏi thường gặp
Thí nghiệm Miller–Urey là gì?
Đó là thí nghiệm năm 1953 của Stanley Miller dưới sự hướng dẫn của Harold Urey, phóng tia lửa điện vào hỗn hợp mê-tan, amoniac, hydro và hơi nước để mô phỏng khí quyển cổ. Sau khoảng một tuần, hỗn hợp tạo ra một số axit amin. Kết quả được công bố trên tạp chí Science.
Thí nghiệm Miller–Urey tạo ra được những gì?
Công bố gốc năm 1953 nhận diện glycine, alanine và vài axit amin khác. Năm 2008, phân tích lại mẫu lưu trữ bằng thiết bị hiện đại tìm thấy khoảng 22 axit amin trong một biến thể thí nghiệm. Thí nghiệm không tạo ra tế bào hay sự sống.
Vì sao thí nghiệm Miller–Urey bị phê bình?
Vì các nhà địa hoá học sau này cho rằng khí quyển Trái Đất trẻ không giàu mê-tan và amoniac như Miller giả định, mà chủ yếu là CO₂ và nitơ. Với hỗn hợp này, lượng axit amin tạo ra thấp hơn nhiều. Tuy nhiên, các nghiên cứu sau cho thấy điều kiện phù hợp vẫn tạo được axit amin đáng kể.
Thí nghiệm Miller–Urey có chứng minh sự sống tự sinh ra không?
Không. Nó chỉ chứng minh các phân tử hữu cơ đơn giản có thể hình thành từ khí vô cơ và năng lượng. Con đường từ axit amin đến tế bào sống vẫn chưa được tái hiện trong phòng thí nghiệm.
Vì sao gọi là Miller–Urey mà bài báo chỉ có tên Miller?
Harold Urey là thầy hướng dẫn và người đề xuất giả thuyết khí quyển khử, nhưng ông không đứng tên bài báo để công lao thuộc về học trò. Tên "Miller–Urey" được giới khoa học dùng sau đó để ghi nhận vai trò của cả hai.
