Xét về toàn bộ quá trình tiến hóa, sự sống trên Trái Đất đã trải qua các giai đoạn sau: Tiến hóa hóa học: sự hình thành và tiến hóa của các hợp chất hữu cơ. Tiến hóa tiền sinh học: sự hình thành và tiến hóa của các tế bào sơ khai. Tiến hóa sinh học: sự tiến hóa của các loài sinh vật trên Trái Đất cho đến ngày nay.
Mục lục bài viết
1. Nguồn gốc của sự sống là gì?
Nguồn gốc của sự sống là một câu hỏi khoa học khám phá cách sự sống xuất hiện trên Trái đất từ vật chất không sống. Một trong những giả thuyết cho rằng sự sống bắt nguồn từ quá trình tiến hóa hóa học, một quá trình xảy ra vào giai đoạn đầu của lịch sử Trái đất, khi các chất vô cơ trong bầu khí quyển nguyên thủy bị tác động bởi nhiều nguồn năng lượng khác nhau như tia cực tím, nhiệt độ cao, điện giật hay bức xạ. Để tạo thành các hợp chất hữu cơ đơn giản như metan, amoniac, nước và hydro. Các hợp chất hữu cơ này sau đó phản ứng với nhau để tạo ra các phân tử hữu cơ phức tạp như protein, lipid, carbohydrate và axit nucleic, có khả năng tái tạo và tham gia vào các quá trình sinh lý. Những phân tử hữu cơ này được coi là tiền chất của sự sống và là thành phần cấu tạo nên tế bào sống.
2. Tiến hóa hóa học:
2.1. Sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản:
Sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản của tiến hóa hóa học là quá trình mà các chất vô cơ có trong khí quyển nguyên thuỷ của Trái Đất (như hơi nước, khí cacbonic, khí amoniac, khí nitơ…) dưới tác động của các nguồn năng lượng tự nhiên (như bức xạ nhiệt của Mặt Trời, phóng điện trong khí quyển, hoạt động của núi lửa, phân rã của các nguyên tố phóng xạ…) đã liên kết lại tạo nên các phân tử hữu cơ đơn giản (như hiđrôcacbon, saccarit, lipit, axit amin và nuclêôtit). Các chất hữu cơ đơn giản này là những đơn phân của các chất trùng hợp như prôtêin và axit nuclêic, là những đại phân tử tự nhân đôi có vai trò quan trọng trong sự sống. Sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ đã được chứng minh bằng nhiều thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và cũng được tìm thấy trong vũ trụ. Đây là bước đầu tiên trong giai đoạn tiến hoá hoá học, tiếp theo là sự hình thành các đại phân tử từ các chất hữu cơ đơn giản và sự hình thành các đại phân tử tự nhân đôi.
Các nhà khoa học cho rằng sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản là một bước quan trọng trong sự xuất hiện của sự sống trên Trái Đất, vì nó cung cấp nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho các tế bào sống đầu tiên.
Một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất về sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản là thí nghiệm của Stanley Miller và Harold Urey vào năm 1953, khi họ mô phỏng điều kiện khí quyển cổ xưa của Trái Đất bằng cách sử dụng điện lực để tạo ra tia sét trong một dung dịch chứa nước, metan, amoniac và hydro. Sau một tuần, họ phát hiện ra rằng dung dịch đã chứa nhiều loại axit amin, là những đơn vị xây dựng của protein. Thí nghiệm này đã chứng minh rằng các chất hữu cơ đơn giản có thể được tổng hợp từ các nguyên tố vô cơ trong điều kiện thích hợp.
2.2. Sự hình thành các đại phân tử hữu cơ:
Sự hình thành các đại phân tử hữu cơ của tiến hóa hóa học là một quá trình phức tạp và quan trọng trong lịch sử của sự sống trên Trái Đất.
Theo thuyết tiến hóa hóa học, các đại phân tử hữu cơ như axit nucleic, protein, lipid và carbohydrate đã được tổng hợp từ các nguyên tố đơn giản như cacbon, hydro, nitơ và oxy trong điều kiện môi trường ban đầu của Trái Đất.
Các nguồn năng lượng như tia cực tím, nhiệt độ cao, sét và nhiễu xạ có thể đã kích hoạt các phản ứng hóa học giữa các nguyên tố này, tạo ra các đại phân tử hữu cơ ngày càng phức tạp và đa dạng. Một số đại phân tử hữu cơ có thể đã tự sao chép và biến đổi theo thời gian, dẫn đến sự xuất hiện của các dạng sống đầu tiên.
Các đại phân tử hữu cơ này được coi là những tiền thân của sự sống và là những thành phần cấu tạo nên các tế bào sinh vật.
Ví dụ, một số nghiên cứu cho rằng RNA là một trong những đại phân tử hữu cơ đầu tiên có khả năng tự sao chép và thực hiện các chức năng sinh học. RNA có thể đã được tổng hợp từ các nucleotit đơn giản trong môi trường nước nóng hoặc băng giá. RNA sau đó có thể đã tiến hóa thành DNA và protein, tạo ra các cơ chế di truyền và chuyển hóa phức tạp hơn.
2.3. Sự hình thành các đại phân tử có khả năng tự nhân đôi:
Sự hình thành các đại phân tử có khả năng tự nhân đôi là một quá trình quan trọng trong tiến hoá hoá học, khi mà các chất vô cơ trong khí quyển nguyên thuỷ được biến đổi thành các đại phân tử hữu cơ phức tạp, chẳng hạn như axit nucleic, protein, cacbohydrat và lipid. Các đại phân tử này có thể lưu trữ và truyền tải thông tin di truyền, cũng như thực hiện các chức năng sinh lý cần thiết cho sự sống.
Theo quan niệm hiện đại, đại phân tử có khả năng tự nhân đôi xuất hiện đầu tiên là ARN, nhiều bằng chứng thực nghiệm đã chứng minh ARN xuất hiện trước ADN do ARN có khả năng nhân đôi mà không cần enzim. ARN cũng có thể hoạt động như một xúc tác sinh học, giúp cho các phản ứng hoá học xảy ra dễ dàng hơn. Từ ARN, các đại phân tử khác như ADN và protein được hình thành sau này, tạo nên cơ sở cho sự sống phức tạp hơn.
3. Tiến hóa tiền sinh học:
Tiến hóa tiền sinh học là giai đoạn tiến hóa trước khi có sự xuất hiện của các tế bào sống. Trong giai đoạn này, các đại phân tử hữu cơ như axit nucleic, protein, lipid và carbohydrate được hình thành từ các nguyên tố vô cơ nhờ vào các quá trình hóa học và nhiệt động lực học. Các đại phân tử này sau đó tương tác với nhau để tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn như ribozyme, viroid, virus và cuối cùng là tế bào nguyên thủy có màng lipoprotein bao bọc. Giai đoạn tiến hóa tiền sinh học được ước tính kéo dài khoảng 3,8 tỷ năm trước, từ khi Trái Đất hình thành cho đến khi có sự xuất hiện của các tế bào sinh dưỡng và quang dưỡng.
Tiến hóa tiền sinh học (prebiotic evolution) là quá trình tiến hóa của các hợp chất hóa học đơn giản trước khi có sự xuất hiện của các hệ thống sinh sống. Nó liên quan đến sự hình thành và phát triển của các hợp chất hữu cơ và các cấu trúc hóa học phức tạp hơn từ các phản ứng hóa học không sống.
Quá trình tiến hóa tiền sinh học được cho là đã xảy ra trong môi trường trái đất cổ đại, khi mà các điều kiện môi trường có thể tạo ra các phản ứng hóa học hợp lý. Các phản ứng này có thể bao gồm sự tổng hợp các amino axit, nucleotide và các hợp chất hữu cơ khác từ các nguyên tố không hữu cơ như carbon (C), hydro (H), oxy (O), nitơ (N), và photpho (P).
Một số điều kiện môi trường được cho là có thể tạo ra các phản ứng hóa học tiền sinh học bao gồm:
– Môi trường nhiệt đới: Nhiệt độ cao và độ ẩm có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học xảy ra.
– Sự hiện diện của nguồn năng lượng: Sự cung cấp năng lượng từ ánh sáng mặt trời hoặc các phản ứng hóa học khác có thể cung cấp năng lượng để kích thích các phản ứng tiền sinh học.
– Môi trường đất và nước: Môi trường đất và nước có thể chứa các chất chất xúc tác và các điều kiện hóa học phù hợp để tạo ra các phản ứng hợp lý.
– Sự hiện diện của các hợp chất không hữu cơ: Các phản ứng tiền sinh học có thể xảy ra thông qua sự tương tác giữa các nguyên tố không hữu cơ, chẳng hạn như CO2, N2, H2O và các chất khí khác.
Quá trình tiến hóa tiền sinh học được coi là giai đoạn tiền đề cho sự phát triển của sự sống. Từ các hợp chất hóa học đơn giản, các phân tử phức tạp hơn và các cấu trúc hóa học như acid nucleic và protein có thể hình thành, mở ra cơ hội cho sự phát triển của cấu trúc sinh học phức tạp và cuối cùng là sự ra đời của các hệ thống sinh sống.
4. Tiến hóa sinh học:
Tiến hóa sinh học là một lĩnh vực của sinh học nghiên cứu sự thay đổi đặc tính di truyền của các quần thể sinh học qua các thế hệ nối tiếp nhau. Tiến hóa sinh học cũng nghiên cứu tổ tiên, hậu duệ và quá trình phát triển của các loài theo thời gian. Tiến hóa sinh học có thể được chia thành hai nhánh chính: tiến hóa vi mô và tiến hóa vi mô. Tiến hóa vi mô là sự thay đổi tần số alen trong một quần thể trong một khoảng thời gian ngắn, do các tác nhân tiến hóa như chọn lọc tự nhiên, đột biến, trôi dạt di truyền, trung chuyển di truyền và dòng gen. Tiến hóa vi mô là sự xuất hiện và phân nhánh của các loài mới từ các loài tổ tiên chung, do các quá trình như thích nghi, đồng tiến hóa, cộng tác, hình thành loài và tuyệt chủng.
Tiến hóa sinh học dựa trên nhiều bằng chứng khoa học từ các lĩnh vực khác nhau như cổ sinh vật, so sánh giải phẫu, sinh lý, di truyền phân tử, sinh thái và biểu sinh. Tiến hóa sinh học giải thích được sự đa dạng của sự sống trên Trái Đất và quan hệ giữa các loài với nhau. Tiến hóa sinh học cũng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y học, nông nghiệp, công nghệ sinh học và bảo tồn thiên nhiên.
Sơ đồ ba giai đoạn phát sinh sự sống:
