Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nature Communications hé lộ rằng dòng nhiệt chảy qua các khe nứt trong đá có thể đã giải quyết một trong những câu hỏi hóc búa nhất về sự xuất hiện của sự sống trên Trái Đất.

Phốt pho — nguyên tố không thể thiếu của sự sống — đã ở đâu khi sự sống mới hình thành?

Phốt pho là thành phần cốt lõi của ADN, ARN, màng tế bào và các phân tử năng lượng như ATP. Không có phốt pho, sự sống như chúng ta biết ngày nay gần như không thể tồn tại. Thế nhưng, hàng tỷ năm trước, khi sự sống còn chưa xuất hiện trên Trái Đất, phốt pho lại bị "nhốt" chặt bên trong một loại khoáng vật cực kỳ khó tan — apatit — và hầu như không thể hòa vào nước để phục vụ các phản ứng hóa học cần thiết cho sự sống.

Đây được gọi là "bài toán phốt phát" — một trong những câu đố nan giải nhất trong nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Và lâu nay, nó vẫn chưa có lời giải thỏa đáng.

Câu trả lời đến từ... dòng nhiệt

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Ludwig Maximilian (Munich, Đức), phối hợp với các chuyên gia từ MIT, Johns Hopkins và nhiều viện nghiên cứu hàng đầu thế giới, vừa công bố một phát hiện đáng chú ý: dòng nhiệt chảy qua các khe nứt trong đá — một hiện tượng hoàn toàn bình thường trong các hệ thống địa nhiệt — có thể đã làm được điều mà các nhà khoa học tưởng chừng cần đến những điều kiện hóa học hết sức đặc biệt.

Cơ chế hoạt động như sau: nước mang tính axit chảy qua các khe nứt đá hòa tan khoáng apatit, kéo theo cả ion phốt phát (PO₄) lẫn ion canxi (Ca). Bình thường, khi dung dịch này gặp môi trường trung tính gần mặt đất, phốt phát và canxi lại kết hợp với nhau thành kết tủa, và bài toán lại trở về vạch xuất phát.

Nhưng khi có gradient nhiệt — tức là một phía nóng, một phía lạnh — xảy ra điều kỳ diệu: phốt phát và canxi bị "phân loại" theo hai hướng khác nhau dưới tác động của hiện tượng vật lý gọi là nhiệt di chuyển (thermophoresis). Ion phốt phát tích điện âm mạnh bị đẩy về phía lạnh và tích tụ lại, trong khi canxi di chuyển theo chiều ngược lại. Kết quả là tỉ lệ Ca:phốt phát thay đổi từ 5:3 — đặc trưng của apatit — xuống còn 1:1. Khi dung dịch giàu phốt phát này sau đó chuyển sang môi trường trung tính, không còn đủ canxi để kết tủa toàn bộ phốt phát, khiến nồng độ phốt phát tự do tăng vọt lên gấp 100 lần so với điều kiện bình thường.

Con số ấn tượng từ phòng thí nghiệm

Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu chế tạo một buồng vi lỏng siêu mỏng (200 micromet) bằng vật liệu trong suốt sapphire, tạo ra gradient nhiệt 20 độ C giữa hai mặt. Dung dịch apatit hòa tan trong axit được bơm qua, và kết quả thu được vượt xa kỳ vọng:

• Nồng độ phốt phát trong dòng ra ở phía lạnh đạt tới 50 mM, gấp nhiều lần nồng độ ban đầu.
• Sau khi trung hòa về pH trung tính, phốt phát còn lại trong dung dịch đạt 15 mM — đủ để thúc đẩy nhiều phản ứng hóa học tiền sinh học quan trọng.
• Khi dung dịch này được gia nhiệt lên 180°C, lượng trimetaphốt phát (TMP) — một hợp chất phốt phát hoạt hóa cao, có khả năng kích hoạt tổng hợp peptide và nucleoside — được tạo ra tăng 260 lần so với dung dịch không qua xử lý bằng dòng nhiệt.

Trimetaphốt phát được xem là một "đồng tiền năng lượng" quan trọng trong hóa học tiền sinh học, có thể đã đóng vai trò mà ATP đảm nhận trong tế bào sống ngày nay.

Không chỉ với apatit

Điều thú vị là cơ chế này không dừng lại ở apatit. Nhóm nghiên cứu tiếp tục thử nghiệm với nhiều loại vật liệu địa chất khác nhau — từ đất sét kaolinit, illit, montmorillonit, cho đến cát bazan, cát silic, thủy tinh núi lửa và cát cacbonat.

Dù hàm lượng phốt pho trong các vật liệu này thấp hơn nhiều so với apatit, dòng nhiệt vẫn có thể tích tụ phốt phát trong các hốc nhỏ kín — mô phỏng các "ổ phản ứng" tiền sinh học — lên đến 130 lần ở phần thấp nhất của khe hở, và trung bình 40 lần tính trên toàn bộ không gian khe.

Đặc biệt, các mô phỏng cho thấy nếu quá trình tích tụ kéo dài 100 ngày thay vì một tuần như trong thí nghiệm, nồng độ phốt phát có thể đạt gấp 1.000 lần nồng độ ban đầu — một con số đủ để kích hoạt nhiều phản ứng tiền sinh học phức tạp.

Ý nghĩa với bài toán nguồn gốc sự sống

Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng bởi ba lý do:

Thứ nhất, gradient nhiệt là hiện tượng phổ biến và tất yếu trong tự nhiên — xuất hiện gần miệng núi lửa, trong hệ thống địa nhiệt, gần điểm va chạm thiên thạch, hay đơn giản là trong bất kỳ hệ thống nào có sự chênh lệch nhiệt độ. Điều này có nghĩa là cơ chế giải phóng phốt phát không đòi hỏi những điều kiện địa chất đặc biệt hay hiếm gặp.

Thứ hai, không giống các giải pháp hóa học đã được đề xuất trước đây — như dùng axit oxalic hay axit citric làm chất liên kết canxi — cơ chế dòng nhiệt không cần bất kỳ hóa chất phụ trợ nào và có thể hoạt động trong môi trường nước thuần túy, phù hợp hơn với điều kiện Trái Đất sơ khai.

Thứ ba, cơ chế này không chỉ giải phóng phốt phát mà còn tự động loại bỏ canxi — thứ cản trở phốt phát hòa tan — và tích tụ phốt phát tại một điểm tập trung, tạo ra nồng độ đủ cao để khởi động các phản ứng hóa học phức tạp hơn.

Một mảnh ghép quan trọng trong bức tranh lớn

Dĩ nhiên, nghiên cứu này không phải là câu trả lời cuối cùng cho bí ẩn nguồn gốc sự sống. Bản thân nhóm tác giả cũng thừa nhận rằng trong tự nhiên, quá trình hòa tan khoáng chất và quá trình tích tụ nhiệt có thể xảy ra đồng thời trong cùng một khe đá — phức tạp hơn nhiều so với thiết kế thí nghiệm tuần tự của họ.

Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên một cơ chế vật lý thuần túy, phổ biến trong tự nhiên được chứng minh có thể giải phóng và tập trung phốt phát từ khoáng apatit ở nồng độ đủ cao cho hóa học tiền sinh học — mà không cần đến các điều kiện hóa học khắc nghiệt hay các chất trung gian khó giải thích.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature Communications vào tháng 2/2025, là thành quả của nhóm gồm 13 nhà khoa học đến từ bảy tổ chức nghiên cứu hàng đầu ở Đức, Mỹ và Pháp, với sự tài trợ từ Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Đức (DFG) và Quỹ Volkswagen.

Hàng tỷ năm trước, trong những khe nứt tối tăm của Trái Đất sơ khai, dòng nhiệt âm thầm làm công việc của mình — và có thể chính nhờ đó mà sự sống đã có đủ phốt phát để bước những bước đầu tiên.

Nguồn: Matreux, T. et al. "Heat flows solubilize apatite to boost phosphate availability for prebiotic chemistry." Nature Communications 16, 1809 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57110-3