Vật chất di truyền được hình thành đầu tiên trên Trái Đất là
|
Quá trình phát sinh sự sống trên trái đất trải qua 3 giai đoạn: tiến hóa hóa học, tiến hóa tiền sinh học và tiến hóa sinh học I. Tiến hóa hóa học Giai đoạn tiến hóa hóa học gồm 3 bước: 1. Sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản từ chất vô cơ - Trong khí quyển nguyên thủy của trái đất (được hình thành cách đây khoảng 4,5 tỉ năm) có chứa các khí như hơi nước, khí CO2, NH3, và rất ít khí nitơ…Khí ôxi chưa có trong khí quyển nguyên thủy. - Dưới tác động của nhiều nguồn năng lượng tự nhiên, các chất vô cơ đã hình thành các chất hữu cơ đơn giản gồm 2 nguyên tố C, H rồi đến các hợp chất có 3 nguyên tố C, H, O và 4 nguyên tố C, H, O, N. - Sự hình thành các chất hữu cơ từ các chất vô cơ đã được chứng minh bằng thực nghiệm bởi standley Miller (1953). 2. Sự hình thành các đại phân tử từ những chất hữu cơ đơn giản - Các chất hữu cơ đơn giản hòa tan trong các đại dương nguyên thủy, trên nền đáy bùn sét của đại dương, chúng có thể được cô đọng lại và hình thành các chất trùng hợp như prôtêin và axit nucleic. - Nhiều thực nghiệm đã chứng minh sự trùng hợp ngẫu nhiên của các đơn phân, các axit amin, thành các đại phân tử prôtêin trên nền bùn sét nóng. 3. Sự hình thành các đại phân tử tự nhân đôi - Hiện nay người ta giả thiết rằng, phân tử có các khả năng tự nhân đôi xuất hiện đầu tiên là ARN. Chúng có thể tự nhân đôi không cần đến sự tham gia của enzim. Nhiều thí nghiệm chứng minh rằng các nuclêôtit có thể tự tổng hợp thành các phân tử ARN mà không cần đến enzim. - Trong quá trình tiến hóa đầu tiên, ARN được dùng làm phân tử lưu giữ thông tin di truyền, về sau, chức năng này được chuyển cho ADN, còn chức năng xúc tác được chuyển cho prôtêin và ARN chỉ đóng vai trò truyền đạt thông tin di truyền như hiện nay. II. Tiến hóa tiền sinh học - Sự xuất hiện các đại phân tử ARN, ADN cũng như prôtêin chưa thể hiện sự sống. Sự sống chỉ thể hiện khi có sự tương tác của các đại phân tử đó trong một tổ chức nhất định là tế bào. Sự xuất hiện các tế bào nguyên thủy – tức là sự tập hợp của các đại phân tử trong một hệ thống mở, có màng lipôprôtêin bao bọc ngăn cách với môi trường ngoài nhưng có khả năng trao đổi chất với môi trường là bước khởi đầu cần thiết cho sự xuất hiện cơ thể sống đơn bào đầu tiên. - Các nhà thực nghiệm cũng đã chứng minh rằng một hệ như vậy có thể được hình thành ngẫu nhiên từ các đại phân tử ở dạng các giọt côaxecva hoặc giọt cầu trong phòng thí nghiệm. III. Tiến hóa sinh học - Từ các tế bào nguyên thủy, dưới tác động của chọn lọc tự nhiên (trên cơ sở đột biến trong gen và chọn lọc của môi trường) sẽ tiến hóa hình thành nên các cơ thể đơn bào đơn giản – tế bào sinh vật nhân sơ cách đây 3.5 tỉ năm. - Từ tế bào nhân sơ tổ tiên sẽ tiến hóa thành các sinh vật nhân sơ và nhân thực. - Sự tiến hóa sinh học diễn ra cho đến ngày nay và tạo ra toàn bộ sinh giới ngày nay. Luyện Bài tập trắc nghiệm môn Sinh lớp 12 - Xem ngay >> Luyện thi TN THPT & ĐH năm 2022 trên trang trực tuyến Tuyensinh247.com. Học mọi lúc, mọi nơi với Thầy Cô giáo giỏi, đầy đủ các khoá: Nền tảng lớp 12; Luyện thi chuyên sâu; Luyện đề đủ dạng; Tổng ôn chọn lọc.
Theo nhiều giả thuyết, sinh vật đầu tiên được tạo ra từ một quá trình tiến hoá hóa học trong 4 giai đoạn: Tổng hợp và tích luỹ các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ từ các chất vô cơ có sẵn; Polymer hoá các chất hữu cơ phân tử lượng thấp thành chất hữu cơ có phân tử lượng cao; Sự kết hợp các chất hữu cơ tổng hợp bằng con đường vô cơ thành các “tế bào” (protobions) có những tính chất hoá học khác với những chất quanh chúng; nguồn gốc di truyền.
Năm 1920, Oparin đưa ra giả thuyết, các chất hữu cơ có thể được tổng hợp từ những chất vô cơ có sẵn trong khí quyển và đại dương. Các chất hữu cơ này là các amino acid, đường từ NH3, CH4 và hơi nước trong khí quyển cổ xưa. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện ngẫu nhiên từ dung dịch đậm đặc nóng của các chất đó. Tuy nhiên, giả thuyết này không được công nhận vì không có thực nghiệm. Năm 1953, Stand Miller và Harold Urey bằng thực nghiệm đã chứng minh chất hữu cơ đơn giản có thể hình thành từ chất vô cơ theo con đường hoá học trong điều kiện trái đất cổ xưa. Trong mô hình thí nghiệm, Miller tạo ra điều kiện tương tự như trên trái đất cổ xưa. Hệ thống này gồm: một bình nước đun nóng ở 80oC; bình cầu khí quyển gồm: CH4, NH3, H2; điện cực phát tia lửa điện (tia chớp); hệ thống làm lạnh (trái đất nguội dần). Sau khi Miller cho hệ thống này hoạt động một tuần, thu dung dịch thí nghiệm và phân tích thành phần. Kết quả cho thấy, sự có mặt của nhiều chất hữu cơ cần cho quá trình tổng hợp các đại phân tử sinh học như amino acid, lactate, acid hữu cơ …Thí nghiệm của Miler đã chứng minh một số bước trong giả thuyết của Operin. Điều này đã mở ra bước ngoặt mới trong tìm hiểu nguồn gốc của sự sống.
 Hình 1.4: Mô hình tổng hợp chất hữu cơ bằng con đường hóa học Nhiều phòng thí nghiệm lập lại thí nghiệm của Miller nhưng thay đổi thành phần khí quyển, dùng các tác nhân như ánh sáng thường, tia X, tia phóng xạ để thay thế cho tia lủa điện. Kết quả thu được 20 amino acids, purin (A & G), pyrimindin (C, T & U) và ATP nếu thêm phosphate.
Các chất hữu cơ đơn giản tích lũy trong môi trường nước polymer hóa để hình thành các chất hữu cơ phức tạp như protein, nucleic acid…Trong tế bào các phản ứng này được enzyme xúc tác, nhưng trong quá trình tổng hợp hóa học không có enzyme và nồng độ các monomer trong nước thấp. Như vậy làm thế nào các phản ứng polymer hoá xảy ra? Vấn đề nay không đơn giản và có nhiều giả thuyết. Một số cho rằng nồng độ các chất hữu cơ trong trong biển nguyển thủy là rất cao nên có khả năng gắn kết với nhau tạo thành các polimer. Những người này thậm chí cho rằng không có enzyme xúc tác, các phản ứng tạo thành cũng có thể xảy ra trong thời gian dài. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, nồng độ các chất trong các đại dương cổ xưa không không đủ đậm đặc để thực hiện polimer. Theo họ phải có cơ chế cơ học làm tăng nồng độ. Một trong giả thuyết đó cho rằng dưới sức nóng của mặt trời nước bóc hơi chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ tập trung trong hồ nước nhỏ được cô đặc. Một giả thuyết khác cho rằng đất sét có khả năng huy động các monomer hữu cơ do các monomer này bám trên hạt sét tích điện. Các monomer hữu cơ polymer hoá tạo thành các hợp chất hữu cơ cao phân tử. Những polymer hữu cơ được sóng, mưa cuốn trôi trở lại ao hồ và đại dương. Quá trình được lập lại nhiều lần làm cho nồng độ các chất hữu cơ cao phân tử tăng cao. Hai giả thuyết này đã dược Sidney Fox (Clay theory: thuyết đất sét) và Guterwachtershauser (ion pyrite theory: thuyết pirit sắt) chứng minh bằng thực nghiệm.
Sau khi các polimer hình thành chúng phải gắn với nhau tạo thành các đại phân tử làm tăng tính phức tạp của tổ chức. Những tính chất của sự sống xuất hiện từ sự tương tác của các phân tử được tổ chức thành những mức độ cao hơn. Những tế bào sống có thể bắt nguồn gốc từ “tế bào” (protobionts: một khối kết của các phân tử) được tạo ra bằng con đường hóa học. Những tế bào này chưa có khả năng sinh sản nhưng chúng duy trì môi trường hoá học bên trong khác với môi trường xung quanh và có biểu hiện một vài đặc điểm của sự sống chẳng hạn như trao đổi chất (metabolism), dễ bị kích thích (excitability). Một trong những loại “tế bào” được oparin gọi là coacervate có thể tự lắp ráp khi lắc dung dịch có chứa các phân tử lipids, proteins, nucleic acid và polysaccharides. Coacervate tách biệt với môi trường ngoài bởi màng kỵ nước. Các hạt coacervate có thể hấp thụ enzymes và các chất khác từ môi trường và giải phóng các sản phẩm của phản ứng enzymes. Khi hấp thụ các chất, coacervate sinh trưởng và phân chia thành các coacervate nhỏ. Các coacervate có thành phần tốt hơn to ra và phân chia tiếp. Theo Operin, chọn lọc tự nhiên sẽ giữ lại và hoàn thiện các giọt tốt hơn tạo thành tế bào. Một “tế bào” khác được Fox(1960) gọi là tiểu cầu (microphere), có thể được tạo ra khi trộn proteinoid với nước rồi đun nóng đến 130-180 oC rồi làm lạnh dần qua 1-2 tuần trong pH và nồng độ muối nhất định. Một vài tiểu cầu có màng thấm chọn lọc, có khả năng xúc tác một vài phản ứng như thủy phân glucose và có khả năng phóng điện (giống tế bào thần kinh). Các tiểu cầu có khả năng nảy chồi và tạo ra các tiểu cầu khác. Một “tế bào” khác nữa là liposome có thể hình thành trong tự nhiên khi thành phần dung dịch có lipids. Màng của liposome là lớp lipid đôi giống màng tế bào. Liposome có khả năng sinh trưởng bằng cách hòa nhập các liposome nhỏ và sinh sản bằng các tách liposome lớn thành những liposome nhỏ. Không giống như các mô hình thí nghiệm, “tế bào” không có các enzyme tinh như trong tế bào. Một vài chất được tổng hợp bằng con đường hoá học có khả năng xúc tác yếu cho phép “tế bào” biến đổi các chất đã hấp thụ qua màng. Khả năng sống sót của các “tế bào” tăng lên theo hướng hoàn thiện cấu trúc bên trong, tăng cường bề mặt ngăn cách với môi trường, sự phức tạp và tính hiệu quả của quá trình trao đổi chat. Chọn lọc tự nhiên sẽ chọn lọc và hoàn thiện các “tế bào” có nhiều ưu điểm tạo nên các tế bào đầu tiên và tiếp tục tiến hóa cho đến ngày nay.
Các “tế bào” đa dạng về tính thấm, khả năng xúc tác, sinh sản, sinh trưởng môi trường sẽ chọn lọc những tế bào thích nghi và đào thải những tế bào không thích nghi. Các đặc tính của “tế bào” không thể duy trì và tiến hóa qua các thế hệ cho đến khi xuất hiện một vài cơ chế di truyền. Trong tế bào thông tin di truyền được mã hóa trong nucleic acid (DNA & RNA). Nhiều giả thuyết cho rằng gen xuất hiện trước: Năm 1929, G. Muller một nhà di truyền học nêu ra giả thuyết sự sống bắt đầu từ một hoặc một vài gen được tạo thành không do các sinh vật. trong một thời gian dài giả thuyết này không được chú ý. Tuy nhiên, các dẫn liệu từ sinh học phân tử cho thấy giải thuyết trên ngày càng có lí vì những lí do sau. Thứ nhất: Cấu trúc phân tử và sự tái sinh của virus. Chúng ta biết rằng khi xâm nhập vào vi khuẩn chỉ co1ADN hoặc ARN được bơm vào và tự nó sao chép rồi tạo ra các hạt virus mới. Thứ hai: Trong quá trình tổng hợp protein, ngòai AND và mARN còn có sự tham gia của tARN và rARN điều này cho thấy nucleic acid có trước. Thứ ba: Nhiều nucleotide giữ vai trò đa dạng và quan trọng của tế bào ở tất cả các các sinh vật. Hiện nay chưa có mô hình cụ thể nào cho thấy quá trình xuất hiện sự sống là từ nucleic acid chứng minh bằng thực nghiệm. Nhưng theo thuyết này các vật sống đầu tiên là các đại phân tử có khả năng sau chép. Các tế bào đầu tiên này tích lũy một cách chậm , vỏ bao bên ngoài bởi các chất khác. Một bằng chứng minh họa rõ cho cơ chế này là các virus chứa ANR or RNA có cấu tạo đơn giản. Nhiều giả thuyết cho rằng RNA xuất hiện trước DNA bởi vì:
Vd: Một trình tự RNA có 40 ribonucleotide có thể tự nhân đôi trong môi trường có kẽm làm xúc tác với sai sót thấp hơn1%
Như vậy, trong một thời gian dài, vật liệu di truyền của các tiền sinh vật là RNA và sự tiến hóa dần đến chổ DNA mạch kép ổn định hơn mang thông tin di truyền. và khả năng xúc tác được chuyển cho protein làm chức năng chuyên hóa hữu hiệu hơn. Theo giả thuyết hiện nay, sự sống được hình thành qua các bước: Sự hình thành các phân tử RNA Cơ chế sao chép RNA Hoàn thiện hệ thống nhờ màng bao Các tế bào tiến hóa theo 3 bước: Hình1.5 : Sự tiế hóa của tế bào Có thể tham khảo thêm nguồn gố của sự sống tại: http://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_life
Oxy trong khí quyển được tích luỹ do hai quá trình. Quá trình phân li nước do ánh sáng cực tím tác động lên hơi nước và quá trình quang phân li nước trong quang hợp. -Oxy có trong khí quyển sẽ phân hũy các chất hữu cơ vừa tổng hợp. -Khí quyển ngày nay có tính oxy hóa. Khí quyển có tính khử tăng cường phản ứng kết hợp những chất đơn giản thành chất phức tạp. -Tổng hợp chất hữu cơ cần năng lượng, UV (mặt trời true tạo nhiều UV). Điều kiện hiện tại không đáp ứng được bởi vì tầng Ozon khí quyển ngăn cản các tia UV. -Sinh vật tồn tại tiêu thụ các chất hữu cơ tạo ra. |
