Cuộc sống là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm cơ bản về sự sống

Sự sống là trạng thái tổ chức vật chất mà trong đó các quá trình sinh học diễn ra liên tục, bao gồm trao đổi chất, sinh trưởng, phản ứng với môi trường, sao chép thông tin di truyền và thích nghi tiến hóa. Từ quan điểm sinh học hiện đại, sự sống không chỉ là kết quả của các phản ứng hóa học mà còn là biểu hiện của một hệ thống động, tự điều chỉnh và duy trì tính ổn định trong điều kiện thay đổi không ngừng của môi trường.

Sự sống không đồng nghĩa với chỉ có động vật hoặc con người. Vi khuẩn, thực vật, nấm và các sinh vật đơn bào khác cũng là những thực thể sống. Trên thực tế, sự sống trên Trái Đất được chia thành ba lĩnh vực chính: Bacteria, Archaea và Eukarya. Chúng khác biệt về mặt di truyền, cấu trúc tế bào và sinh lý học. Đây là nền tảng cho việc phân loại sự sống hiện đại, thay vì chỉ dùng hai giới động vật và thực vật như trước kia.

Các nhà khoa học đã tổng hợp một bảng đặc trưng để mô tả sự khác biệt giữa vật chất sống và vật chất không sống:

Tiêu chí	Vật chất sống	Vật chất không sống
Trao đổi chất	Có	Không
Sinh sản	Có	Không
Phản ứng với môi trường	Có	Không
Tiến hóa	Có	Không

Tiêu chí xác định sự sống

Việc xác định một thực thể là “sống” không phải lúc nào cũng rõ ràng, nhất là trong các trường hợp như virus, tế bào nhân tạo hoặc các dạng sống ngoài hành tinh giả định. NASA đề xuất định nghĩa tạm thời: “Sự sống là một hệ thống hóa học tự duy trì có khả năng tiến hóa theo kiểu Darwin.” Đây là một định nghĩa được sử dụng rộng rãi trong sinh học vũ trụ nhưng vẫn gây tranh cãi do không bao gồm các hệ thống không di truyền theo kiểu Darwin nhưng vẫn thể hiện hành vi giống sự sống.

Trong thực hành sinh học, một thực thể được coi là sống nếu thỏa mãn đồng thời các đặc điểm sau:

• Có tổ chức tế bào (ít nhất một tế bào)
• Thực hiện trao đổi chất để duy trì năng lượng
• Phát triển và sinh trưởng theo thời gian
• Sinh sản (vô tính hoặc hữu tính)
• Phản ứng với các kích thích từ môi trường
• Có khả năng tiến hóa qua các thế hệ

Một số thực thể như virus không thỏa mãn đầy đủ các tiêu chí trên. Virus không tự trao đổi chất, không sinh sản nếu không có tế bào chủ. Vì vậy, chúng được coi là “biên giới” giữa sống và không sống. Điều này cho thấy ranh giới giữa sống và không sống là một phổ liên tục, chứ không hoàn toàn nhị nguyên.

Các giả thuyết về nguồn gốc sự sống

Giả thuyết hóa học tự phát (Abiogenesis) cho rằng sự sống khởi nguồn từ các phân tử vô cơ dưới điều kiện lý hóa đặc biệt của Trái Đất sơ khai. Các hợp chất hữu cơ đơn giản có thể hình thành tự nhiên từ khí metan (CH₄), amonia (NH₃), nước (H₂O) và hydro (H₂) thông qua các phản ứng được kích hoạt bởi tia sét hoặc bức xạ UV. Mô hình kinh điển nhất là thí nghiệm Miller-Urey (1953), đã tổng hợp được các amino acid từ môi trường mô phỏng điều kiện tiền sinh học.

Giả thuyết thế giới RNA được đưa ra nhằm giải thích cách phân tử di truyền đầu tiên hình thành. RNA không chỉ mang thông tin di truyền mà còn có khả năng xúc tác phản ứng, đóng vai trò như ribozyme. Vì vậy, nó được xem là ứng viên khả dĩ cho giai đoạn đầu của sự sống — trước khi xuất hiện DNA và protein chuyên biệt.

Ngoài ra còn có giả thuyết panspermia, gợi ý rằng các thành phần của sự sống (hoặc thậm chí là vi sinh vật hoàn chỉnh) có thể đã đến Trái Đất từ vũ trụ thông qua thiên thạch, sao chổi hoặc bụi vũ trụ. Dù còn nhiều tranh cãi, nhưng panspermia không giải thích được nguồn gốc thực sự của sự sống mà chỉ chuyển vấn đề sang nơi khác.

Bảng sau so sánh ba giả thuyết chính:

Giả thuyết	Đặc điểm chính	Hạn chế
Abiogenesis	Phân tử hữu cơ hình thành từ vô cơ	Chưa chứng minh được con đường chính xác
RNA World	RNA vừa lưu trữ thông tin vừa xúc tác phản ứng	Chưa rõ RNA đầu tiên hình thành như thế nào
Panspermia	Sự sống đến từ vũ trụ ngoài Trái Đất	Không giải thích nguồn gốc ban đầu

Các thành phần hóa học cơ bản của sự sống

Mọi sinh vật sống đều được cấu thành từ những phân tử sinh học cụ thể. Có bốn nhóm phân tử sinh học chính:

• Carbohydrate: cung cấp năng lượng nhanh và tham gia cấu trúc tế bào
• Lipid: tạo màng tế bào, lưu trữ năng lượng lâu dài
• Protein: xúc tác phản ứng (enzyme), vận chuyển, cấu trúc
• Axit nucleic: lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền (DNA, RNA)

Ngoài ra, các nguyên tố phổ biến nhất trong sinh học gồm:

• Carbon (C): khung xương của mọi phân tử hữu cơ
• Hydrogen (H), Oxygen (O): cấu thành nước và hợp chất hữu cơ
• Nitrogen (N): thành phần của amino acid và base nitrogen
• Phosphorus (P): cấu tạo ATP và acid nucleic
• Sulfur (S): tham gia cấu trúc protein

Bảng sau tóm tắt vai trò của các nguyên tố sinh học chính:

Nguyên tố	Vai trò
Carbon	Xây dựng khung phân tử hữu cơ
Hydrogen	Liên kết phân tử, thành phần nước
Oxygen	Hô hấp tế bào, nước
Nitrogen	Protein, DNA, RNA
Phosphorus	ATP, acid nucleic
Sulfur	Protein, enzyme

Ý nghĩa của entropy và tổ chức trong sự sống

Sự sống không tồn tại trong trạng thái ngẫu nhiên hay hỗn loạn. Thay vào đó, nó thể hiện một cấp độ tổ chức cực kỳ cao — từ trình tự các nucleotide trong DNA đến cấu trúc siêu phân tử của tế bào và cơ thể đa bào. Tổ chức này đòi hỏi năng lượng để duy trì và không thể tự phát sinh trong một hệ kín. Đó là lý do tại sao sự sống phải tuân theo quy luật nhiệt động lực học, đặc biệt là định luật thứ hai: tổng entropy của một hệ cô lập luôn có xu hướng tăng.

Một sinh vật sống là một hệ mở. Nó duy trì cấu trúc có tổ chức bằng cách thu nhận năng lượng từ môi trường (qua ánh sáng mặt trời, hóa chất, thức ăn), sử dụng năng lượng đó để thực hiện các quá trình sống như tổng hợp, sửa chữa, vận chuyển và sinh sản. Trong quá trình đó, nó thải ra năng lượng dưới dạng nhiệt và sản phẩm phụ có entropy cao hơn, giúp đảm bảo:

$\Delta S_{\text{hệ thống}} + \Delta S_{\text{môi trường}} > 0$

Do đó, dù bản thân sinh vật làm giảm entropy cục bộ của nó (tăng trật tự), tổng thể vũ trụ vẫn tăng entropy. Đây là cách sự sống có thể tồn tại mà không vi phạm định luật vật lý.

Sự cân bằng giữa trật tự nội tại và hỗn loạn môi trường bên ngoài là một trong những điểm mấu chốt để phân biệt sự sống với các hệ thống phi sinh học như tinh thể, đám mây hoặc máy móc.

Hệ thống tế bào: Đơn vị cơ bản của sự sống

Mọi dạng sống được biết đến đều được cấu thành từ tế bào — đơn vị cơ bản nhất có thể thực hiện đầy đủ các chức năng sống. Có hai loại tế bào chính:

• Prokaryote: không có màng nhân thật, vật liệu di truyền nằm trong vùng nhân sơ (nucleoid). Ví dụ: vi khuẩn, archaea.
• Eukaryote: có nhân thật với màng bao bọc, nhiều bào quan phức tạp. Ví dụ: động vật, thực vật, nấm.

Bảng so sánh sau đây tóm tắt sự khác biệt giữa hai loại tế bào:

Đặc điểm	Prokaryote	Eukaryote
Kích thước	0.1–5 µm	10–100 µm
Cấu trúc nhân	Không có màng nhân	Có màng nhân
Bào quan	Không có (hoặc rất đơn giản)	Đa dạng (ti thể, lưới nội chất, bộ Golgi…)
Sinh sản	Phân đôi	Nguyên phân/giảm phân

Tế bào không chỉ là "đơn vị cấu trúc", mà còn là "đơn vị chức năng" vì nó có thể tự điều chỉnh môi trường nội bào, cảm ứng tín hiệu, sao chép DNA, chuyển hóa năng lượng (ví dụ: thông qua hô hấp hoặc quang hợp), và đáp ứng với kích thích hóa học hoặc vật lý.

Sự tiến hóa: Động lực duy trì và phát triển sự sống

Một đặc điểm then chốt của sự sống là khả năng tiến hóa — sự thay đổi dần dần trong thành phần di truyền của quần thể qua các thế hệ. Cơ chế chính được Charles Darwin mô tả là chọn lọc tự nhiên, trong đó các sinh vật mang đặc điểm thích nghi tốt hơn với môi trường có xác suất sống sót và sinh sản cao hơn.

Theo công thức đơn giản hóa:

$\text{Fitness} = \frac{\text{Số lượng con cháu sống sót}}{\text{Tổng số con cháu sinh ra}}$

Sự sống đã tiến hóa từ các sinh vật đơn giản như vi khuẩn cổ đại thành các hệ sinh vật đa dạng ngày nay, bao gồm cây cối, động vật, và con người. Quá trình tiến hóa diễn ra thông qua:

• Đột biến ngẫu nhiên trong DNA
• Giao phối và tái tổ hợp di truyền
• Chọn lọc tự nhiên và nhân tạo
• Trôi dạt di truyền (genetic drift)

Tiến hóa không chỉ là một lý thuyết sinh học, mà là nền tảng để hiểu các quá trình y học (kháng thuốc kháng sinh, tiến hóa ung thư), nông nghiệp (chọn giống), và công nghệ sinh học (thiết kế enzyme, chỉnh sửa gen).

Các hình thức sự sống ngoài Trái Đất?

Sinh học vũ trụ (astrobiology) là lĩnh vực nghiên cứu sự sống trong vũ trụ, bao gồm cả nguồn gốc, sự tiến hóa, và khả năng tồn tại của nó bên ngoài Trái Đất. Các hành tinh hoặc vệ tinh có khả năng chứa sự sống bao gồm:

• Sao Hỏa: dấu vết của nước lỏng trong quá khứ
• Europa (mặt trăng của sao Mộc): có đại dương dưới lớp băng
• Enceladus (mặt trăng của sao Thổ): phun trào nước chứa hợp chất hữu cơ

Các dạng sống ngoài hành tinh có thể không giống sự sống trên Trái Đất. Thay vì dựa vào carbon và nước, chúng có thể dùng silicon hoặc amonia làm dung môi, mở rộng giới hạn định nghĩa truyền thống về "sự sống".

Giới hạn của định nghĩa về sự sống

Một số hệ thống sinh học như virus, prion, và các cấu trúc tự sao chép nhân tạo đặt ra câu hỏi về ranh giới giữa sự sống và phi sự sống. Ví dụ, virus chỉ hoạt động sinh học khi ở trong tế bào chủ — còn bên ngoài, chúng không trao đổi chất hay sinh sản.

Prion là protein sai cấu trúc có khả năng “lây lan” sự sai lệch sang các protein khác mà không mang DNA hay RNA. Chúng gây ra các bệnh thần kinh như Creutzfeldt–Jakob. Dù không có vật chất di truyền, prion vẫn thể hiện một số đặc điểm giống sự sống.

Khoa học hiện đại đang dần mở rộng khái niệm “sống” thành một phổ gồm nhiều cấp độ, từ các hệ thống hóa học tự tổ chức cho tới các dạng sống nhân tạo do con người tạo ra (ví dụ: tế bào nhân tạo, máy sinh học tự tái tạo).

Triết học và sự sống

Ngoài góc nhìn khoa học, sự sống cũng là một chủ đề trung tâm của triết học, tôn giáo và tâm lý học. Triết học Hy Lạp cổ đại (Plato, Aristotle) đã từng tranh luận về "linh hồn" và "chức năng sống". Trong đạo Phật, sự sống không có điểm bắt đầu hay kết thúc cố định, mà là một chu trình tái sinh liên tục. Triết học hiện sinh (Sartre, Camus) xem sự sống là nền tảng để cá nhân tự xác định ý nghĩa tồn tại của mình, chứ không do một thực thể siêu nhiên quy định.

Dù phương pháp luận khác nhau, khoa học và triết học cùng đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về câu hỏi “Chúng ta là ai, từ đâu đến, và đi về đâu?” — một câu hỏi không thể giải đáp hoàn toàn chỉ bằng dữ kiện sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. Cleland, C. E., & Chyba, C. F. (2002). Defining ‘life’. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 32(4), 387–393.
2. Pearce, B. K. D. et al. (2017). Origin of the RNA World: The Fate of Nucleobases in Warm Little Ponds. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(43), 11327–11332.
3. Lane, N. (2015). The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life. WW Norton & Company.
4. National Aeronautics and Space Administration. (n.d.). Mars 2020 Mission Overview. Retrieved from https://mars.nasa.gov/mars2020/
5. European Space Agency. (n.d.). JUICE Mission. Retrieved from https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice_overview
6. Alberts, B. et al. (2015). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science.
7. Schrödinger, E. (1944). What is Life? Cambridge University Press.
8. Joyce, G. F. (2002). The antiquity of RNA-based evolution. Nature, 418(6894), 214–221.
9. Walker, S. I. (2017). Origins of life: a problem for physics, a key issues review. Reports on Progress in Physics, 80(9), 092601.