Quá tr˘nh tiến hoá của sự sống trên Trái Đất có thể chia thành các giai đo◊n : tiến hoá hoá học, tiến hoá tiền sinh học và tiến hoá sinh học. Tiến hoá hoá học là giai đo◊n tiến hoá h˘nh thành nên các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ. Tiến hoá tiền sinh học là giai đo◊n h˘nh thành nên các tế bào sơ khai (protobiont) và sau đó là h˘nh thành nên những tế bào sống đầu tiên. Tiến hoá sinh học là giai đo◊n tiến hoá từ những tế bào đầu tiên h˘nh thành nên các loài sinh vật nh√ ngày nay d√ới tác động của các nhân tố tiến hoá.
I - tiến hoá hoá học
1. Quá tr˘nh h˘nh thành các chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ
Năm 1920, nhà bác học ng√ời Nga là Oparin và nhà bác học ng√ời Anh là Handan (Haldane) đã độc lập cùng đ√a ra giả thuyết cho rằng các hợp chất hữu cơ đơn giản đầu tiên trên Trái Đất có thể đ√ợc xuất hiện bằng con đ√ờng tổng hợp hoá học từ các chất vô cơ nhờ nguồn năng l√ợng là sấm st, tia tử ngo◊i, núi lửa,...
C h ≠ ă n g II
Năm 1953, Milơ và Urây đã làm th˙
nghiệm kiểm tra giả thuyết của Oparin và Handan. Các ông đã t◊o ra môi tr√ờng có thành phần hoá học giống kh˙
quyển của Trái Đất nguyên thuỷ trong một b˘nh thuỷ tinh 5 l˙t (h˘nh 32). Hỗn hợp kh˙ CH4, NH3, H2 và hơi n√ớc đ√ợc đặt trong điều kiện phóng điện liên tục suốt một tuần. Kết quả thu đ√ợc một số chất hữu cơ đơn giản trong đó có các axit amin. Sau th˙ nghiệm của Milơ và Urây, nhiều nhà khoa học khác đã lặp l◊i th˙ nghiệm này với thành phần các chất vô cơ có thay đổi chút ˙t và họ đều nhận đ√ợc các hợp chất hữu cơ đơn giản khác nhau.
H˘nh 32. Mô tả th˙ nghiệm của Milơ và Urây
2. Quá tr˘nh trùng phân t◊o nên các đ◊i phân tử hữu cơ
Để chứng minh các đơn phân nh√ axit amin có thể kết hợp với nhau t◊o nên các chuỗi pôlipeptit đơn giản trong điều kiện của Trái Đất nguyên thuỷ, vào những năm 1950, Fox và các cộng sự đã tiến hành th˙ nghiệm đun nóng hỗn hợp các axit amin khô ở nhiệt độ 150 −180oC và đã t◊o ra đ√ợc các chuỗi peptit ngfln đ√ợc gọi là prôtêin nhiệt.
Nh√ vậy, ta có thể h˘nh dung quá tr˘nh h˘nh thành các đ◊i phân tử khi Trái Đất mới h˘nh thành nh√ sau : trong điều kiện bầu kh˙ quyển nguyên thuỷ không có ôxi (hoặc có rất ˙t), với nguồn năng l√ợng là các tia chớp, núi lửa, tia tử ngo◊i,... một số chất vô cơ kết hợp với nhau t◊o nên các chất hữu cơ đơn giản nh√ axit amin, nuclêôtit, đ√ờng đơn cũng nh√ các axit bo. Trong những điều kiện nhất đ˚nh, các đơn phân kết hợp với nhau t◊o thành các đ◊i phân tử.
tTrong điều kiện của Trái Đất hiện nay, các hợp chất hữu cơ có thể đ√ợc h˘nh thành từ các chất vô cơ nữa không ?
Các nhà khoa học cho rằng các axit nuclêic cũng đ√ợc h˘nh thành từ các đơn phân là các nuclêôtit theo con đ√ờng trùng phân và vật chất di truyền đầu tiên có lẽ là ARN mà không phải là ADN. Hiện nay, có một số bằng chứng khoa học chứng minh rằng ARN có thể nhân đôi mà không cần đến enzim (prôtêin) và do đó có thể xem nh√ ARN đã đ√ợc tiến hoá tr√ớc ADN.
Hơi n√ớc
Điện cực
B˘nh ng√ng kết
N√ớc l◊nh
Lấy mẫu phân t˙ch thành phần hoá học H2O
CH4
NH3H2
Ta có thể h˘nh dung quá tr˘nh tiến hoá để t◊o ra các phân tử ARN và ADN có khả năng nhân đôi nh√ sau : Đầu tiên, các nuclêôtit kết hợp với nhau t◊o nên rất nhiều phân tử ARN với thành phần nuclêôtit và chiều dài khác nhau. Trên cơ sở đó, CLTN chọn lọc ra các phân tử ARN có khả năng nhân đôi tốt hơn cũng nh√ có ho◊t t˙nh enzim tốt hơn làm vật chất di truyền. Sau này, với sự trợ giúp của các enzim, từ ARN tổng hợp nên đ√ợc phân tử ADN có cấu trúc bền vững hơn và với khả năng phiên mã ch˙nh xác hơn ARN, nên ADN đã thay thế ARN trong việc l√u trữ và bảo quản thông tin di truyền trong tế bào, còn ARN chỉ làm nhiệm vụ trong quá tr˘nh d˚ch mã.
Các nhà khoa học cho rằng cơ chế d˚ch mã cũng có thể đ√ợc h˘nh thành nh√
sau : Đầu tiên, các axit amin nhất đ˚nh có thể t◊o nên các liên kết yếu với các nuclêôtit trên phân tử ARN. Phân tử ARN lúc này tác động nh√ một khuôn mẫu để các axit amin “bám” vào và sau đó chúng liên kết với nhau t◊o nên các chuỗi pôlipeptit ngfln. Nếu chuỗi pôlipeptit ngfln này l◊i có đ√ợc đặc t˙nh của một enzim xúc tác cho quá tr˘nh d˚ch mã hoặc phiên mã th˘ sự tiến hoá sẽ xảy ra nhanh hơn.
Dần dần, CLTN chọn lọc ra phức hợp các phân tử hữu cơ có thể phối hợp với nhau để t◊o nên các cơ chế nhân đôi và d˚ch mã. Những b√ớc tiến hoá đầu tiên h√ớng tới quá tr˘nh nhân đôi và d˚ch mã nh√ vậy có thể đ√ợc h˘nh thành khi các phân tử ARN và pôlipeptit đ√ợc bao bọc bởi lớp màng bán thấm cách li chúng với môi tr√ờng bên ngoài.
II - tiến hoá tiền sinh học
Khi các đ◊i phân tử nh√ lipit, prôtêin, các axit nuclêic,... xuất hiện trong n√ớc và tập trung với nhau th˘ các phân tử lipit do đặc t˙nh k˚ n√ớc sẽ lập tức h˘nh thành nên lớp màng bao bọc lấy tập hợp các đ◊i phân tử hữu cơ t◊o nên các giọt nhỏ li ti khác nhau. Những giọt nhỏ chứa các phân tử hữu cơ có màng bao bọc và ch˚u sự tác động của CLTN sẽ tiến hoá dần t◊o nên các tế bào sơ khai.
Khi đã h˘nh thành nên các tế bào sơ khai, CLTN sẽ không còn tác động lên từng phân tử hữu cơ riêng rẽ mà tác động lên cả tập hợp các phân tử nh√ một đơn v˚ thống nhất (tế bào sơ khai). Tế bào sơ khai nào có đ√ợc tập hợp các phân tử giúp chúng có khả năng trao đổi chất và năng l√ợng với bên ngoài, có khả năng phân chia và duy tr˘ thành phần hoá học th˙ch hợp của m˘nh th˘ sẽ đ√ợc giữ l◊i và nhân rộng.
Bằng thực nghiệm, các nhà khoa học cũng đã t◊o ra đ√ợc các giọt gọi là lipôxôm khi cho lipit vào trong n√ớc cùng một số các chất hữu cơ khác nhau. Lipit đã t◊o nên lớp màng bao bọc lấy các hợp chất hữu cơ khác và một số lipôxôm cũng đã biểu hiện một số đặc t˙nh sơ khai của sự sống nh√ phân đôi, trao đổi chất với môi tr√ờng bên ngoài. Các nhà khoa học cũng t◊o ra các cấu trúc đ√ợc gọi là giọt
côaxecva từ các h◊t keo. Các giọt côaxecva cũng có biểu hiện những đặc t˙nh sơ khai của sự sống nh√ có khả năng tăng k˙ch th√ớc và duy tr˘ cấu trúc t√ơng đối ổn đ˚nh trong dung d˚ch.
Sau khi tế bào nguyên thuỷ đ√ợc h˘nh thành th˘ quá tr˘nh tiến hoá sinh học đ√ợc tiếp diễn nhờ các nhân tố tiến hoá (nh√ đã tr˘nh bày trong thuyết tiến hoá tổng hợp) t◊o ra các loài sinh vật nh√ hiện nay.
−S ự sống trên Trái Đất đ√ợc phát sinh và phát triển qua các giai đo◊n tiến hoá hoá học, tiến hoá tiền sinh học và tiến hoá sinh học.
−S ự sống đầu tiên trên Trái Đất đ√ợc h˘nh thành bằng con đ√ờng hoá học theo các b√ớc : H˘nh thành các đơn phân hữu cơ từ các chất vô cơ, trùng phân các đơn phân thành các đ◊i phân tử, t√ơng tác giữa các đ◊i phân tử h˘nh thành nên các tế bào sơ khai với các cơ chế nhân đôi, phiên mã, d˚ch mã, trao đổi chất, sinh tr√ởng và sinh sản.
C âu hãi và bài tÀp
1. Tr˘nh bày th˙ nghiệm của Milơ về sự h˘nh thành của các hợp chất hữu cơ.
2. Nêu th˙ nghiệm chứng minh các prôtêin nhiệt có thể tự h˘nh thành từ các axit amin mà không cần đến các cơ chế d˚ch mã.
3. Giả sử ở một nơi nào đó trên Trái Đất hiện nay, các hợp chất hữu cơ đ√ợc tổng hợp từ chất vô cơ trong tự nhiên th˘ liệu từ các chất này có thể tiến hoá h˘nh thành nên các tế bào sơ khai nh√ đã từng xảy ra trong quá khứ ? Giải th˙ch.
4. Nêu vai trò của lipit trong quá tr˘nh tiến hoá t◊o nên lớp màng bán thấm.
5. Giải th˙ch CLTN giúp h˘nh thành nên các tế bào sơ khai nh√ thế nào.
I - hoá th◊ch và vai trò của các hoá th◊ch trong nghiên cứu l˚ch sử phát triển của sinh giới
1. Hoá th◊ch là g˘ ?
Hoá th◊ch là di t˙ch của các sinh vật để l◊i trong các lớp đất đá của vỏ Trái Đất.
Di t˙ch của sinh vật để l◊i có thể d√ới d◊ng các bộ x√ơng, những dấu vết của sinh vật để l◊i trên đá (vết chân, h˘nh dáng,...), xác các sinh vật đ√ợc bảo quản gần nh√
nguyên vẹn trong các lớp hổ phách hoặc trong các lớp băng,...
2. Vai trò của các hoá th◊ch trong nghiên cứu l˚ch sử phát triển của sinh giới
Các bằng chứng tiến hoá mà chúng ta đã học trong bài 24 chỉ là những bằng chứng gián tiếp cho ta thấy mối quan hệ tiến hoá giữa các loài sinh vật. Hoá th◊ch cung cấp cho chúng ta những bằng chứng trực tiếp về l˚ch sử phát triển của sinh giới. Các nhà khoa học có thể xác đ˚nh đ√ợc tuổi của các hoá th◊ch và qua đó, cho chúng ta biết đ√ợc loài nào đã xuất hiện tr√ớc, loài nào xuất hiện sau cũng nh√ mối quan hệ họ hàng giữa các loài.
Tuổi của hoá th◊ch có thể đ√ợc xác đ˚nh nhờ phân t˙ch các đồng v˚ phóng x◊
có trong hoá th◊ch hoặc đồng v˚ phóng x◊ có trong các lớp đất đá chứa hoá th◊ch.
Cacbon 14 (14C) có thời gian bán rã khoảng 5730 năm, v˘ vậy phân t˙ch hàm l√ợng
14C trong hoá th◊ch ng√ời ta có thể xác đ˚nh đ√ợc tuổi của hoá th◊ch lên tới 75000 năm. Nếu phân t˙ch urani 238 (238U) với thời gian bán rã khoảng 4,5 tỉ năm th˘
chúng ta có thể xác đ˚nh đ√ợc tuổi của các lớp đất đá cùng với hoá th◊ch có độ tuổi hàng trăm triệu năm, thậm ch˙ hàng tỉ năm.
II - l˚ch sử phát triển của sinh giới qua các đ◊i đ˚a chất
1. Hiện t√ợng trôi d◊t lục đ˚a
Lớp vỏ của Trái Đất không phải là một khối thống nhất mà đ√ợc chia thành những vùng riêng biệt đ√ợc gọi là các phiến kiến t◊o. Các phiến kiến t◊o liên tục di chuyển do lớp dung nham nóng chảy bên d√ới chuyển động. Hiện t√ợng di chuyển của các lục đ˚a nh√ vậy đ√ợc gọi là hiện t√ợng trôi d◊t lục đ˚a. Cách đây