Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Nguồn gốc sự sống: tiến hoá hoá học và tiền sinh học
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em trình bày được trình tự các giai đoạn từ chất vô cơ tới tế bào sơ khai qua tiến hoá hoá học rồi tiến hoá tiền sinh học, nêu được bằng chứng thực nghiệm cho từng giai đoạn, và giải thích được vì sao con đường chính xác sự sống bắt đầu vẫn là câu hỏi khoa học đang tiếp tục nghiên cứu.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở Course 1 của khoá này, em đã học cấu trúc DNA, RNA, gene và cách một gene được phiên mã, dịch mã thành protein (same-grade bridge) — bài này dùng lại những khái niệm đó nhưng đặt trong bối cảnh khác hẳn: KHÔNG có tế bào nào tồn tại trước để thực hiện các quá trình ấy, làm sao những phân tử đầu tiên có thể hình thành và tự nhân lên.
Khởi động
Trái Đất hình thành cách đây khoảng 4,6 tỉ năm, ban đầu là một khối đá nóng chảy, không có oxygen tự do trong khí quyển, không có một tế bào sống nào. Vậy phân tử sinh học đầu tiên — như amino acid hay nucleotide, những viên gạch xây nên protein và DNA/RNA mà em đã học — đến từ đâu, khi chưa hề có sự sống nào để tổng hợp ra chúng?
Kiến thức trọng tâm
Quá trình hình thành sự sống thường được mô tả qua hai giai đoạn lớn, nối tiếp nhau. Tiến hoá hoá học (chemical evolution) là giai đoạn các phân tử vô cơ đơn giản kết hợp thành các phân tử hữu cơ nhỏ — đơn phân — dưới tác động của các nguồn năng lượng có sẵn trên Trái Đất nguyên thuỷ: tia chớp, tia tử ngoại từ Mặt Trời (chưa bị tầng ozone chặn lại), nhiệt từ núi lửa. Giả thuyết Oparin – Haldane cho rằng khí quyển Trái Đất nguyên thuỷ giàu các chất khử như methane (CH4), ammonia (NH3), hydrogen (H2) và hơi nước, khác hẳn khí quyển giàu oxygen ngày nay — trong điều kiện đó, các phân tử vô cơ có thể kết hợp thành đơn phân hữu cơ như amino acid và nucleotide.
Năm 1953, Stanley Miller và Harold Urey dựng một hệ thống thí nghiệm mô phỏng khí quyển nguyên thuỷ theo giả thuyết Oparin – Haldane, phóng tia lửa điện liên tục qua hỗn hợp khí đó trong một tuần. Kết quả thu được nhiều loại amino acid — bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy các phân tử hữu cơ có thể hình thành từ chất vô cơ mà không cần sự sống có sẵn. Cần nói rõ: thí nghiệm Miller – Urey chứng minh NGUYÊN LÍ rằng phân tử hữu cơ có thể hình thành phi sinh học trong điều kiện phù hợp, chứ không chứng minh chính xác thành phần khí quyển Trái Đất cách đây 4 tỉ năm — nghiên cứu về sau đặt câu hỏi liệu khí quyển nguyên thuỷ có thực sự giàu chất khử như Miller giả định hay không.
Từ các đơn phân riêng lẻ, một số đơn phân trùng hợp thành đại phân tử — chuỗi nucleotide nối thành RNA, chuỗi amino acid nối thành protein — có thể trên bề mặt xúc tác của khoáng sét hoặc gần miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy biển, những nơi cung cấp cả năng lượng lẫn bề mặt để các đơn phân tập trung lại. Một giả thuyết được nhiều nhà khoa học ủng hộ — thế giới RNA (RNA world) — cho rằng RNA là đại phân tử tự nhân lên ĐẦU TIÊN: một số đoạn RNA vừa mang thông tin di truyền vừa có khả năng xúc tác phản ứng hoá học (gọi là ribozyme), nên RNA có thể tự sao chép mà chưa cần tới DNA lẫn protein. Việc DNA đảm nhiệm lưu trữ thông tin còn protein đảm nhiệm xúc tác — sự phân công vai trò em đã học ở Course 1 — được cho là xuất hiện SAU, như một cải tiến ổn định hơn.
Tiến hoá tiền sinh học (prebiotic evolution) là giai đoạn tiếp theo: các đại phân tử được bao bọc trong một lớp màng lipid, tạo thành thể tiền tế bào (protobiont) — những giọt nhỏ có thể duy trì môi trường hoá học bên trong khác với bên ngoài, hấp thu vật chất, lớn dần và tách đôi một cách thô sơ. Đây là bước ngoặt quan trọng: một khi một phân tử tự nhân lên được BAO BỌC trong một màng ngăn cách nó với môi trường xung quanh, chọn lọc tự nhiên bắt đầu có thể tác động ở cấp độ của cả "gói" đó — thể tiền tế bào nào giữ vật chất bên trong ổn định hơn, nhân lên hiệu quả hơn, sẽ chiếm ưu thế. Từ những thể tiền tế bào ngày càng ổn định, tế bào sơ khai đầu tiên xuất hiện — được coi là tổ tiên chung của mọi sự sống ngày nay, thường gọi là LUCA (Last Universal Common Ancestor), một dạng giống tế bào nhân sơ đơn giản.
Mỗi bước có bằng chứng thực nghiệm hoặc lí luận riêng, nhưng chuỗi liên kết đầy đủ giữa các bước vẫn đang được nghiên cứu.Ranh giới giữa hai giai đoạn là sự xuất hiện của MÀNG bao bọc — trước đó là hoá học tự do, sau đó là một hệ có ranh giới riêng.
Ví dụ
Tái dựng trình tự từ chất vô cơ tới tế bào sơ khai
1
Cho bốn giai đoạn không theo thứ tự: (I) đại phân tử RNA/protein hình thành từ trùng hợp đơn phân; (II) chất vô cơ đơn giản trong khí quyển nguyên thuỷ; (III) tế bào sơ khai xuất hiện; (IV) đơn phân hữu cơ (amino acid, nucleotide) hình thành nhờ năng lượng tự nhiên. Sắp xếp đúng thứ tự và chỉ rõ ranh giới giữa tiến hoá hoá học và tiến hoá tiền sinh học.
2
Sự sống không thể bắt đầu từ đại phân tử có sẵn — phải bắt đầu từ chất đơn giản nhất trong môi trường. Vậy (II) chất vô cơ đơn giản đứng đầu tiên.
3
Từ chất vô cơ, năng lượng tự nhiên tạo ra đơn phân hữu cơ — đây là (IV). Đơn phân sau đó trùng hợp thành đại phân tử tự nhân lên — đây là (I). Cuối cùng, đại phân tử được bao bọc màng và ổn định dần thành tế bào sơ khai — đây là (III).
4
Tiến hoá hoá học gồm (II) và (IV) — toàn bộ diễn ra ở dạng phân tử tự do, chưa có màng bao bọc. Tiến hoá tiền sinh học bắt đầu từ khi đại phân tử được bao bọc trong màng, tức bao gồm phần cuối của (I) và toàn bộ (III).
5
Vậy thứ tự đúng là (II) → (IV) → (I) → (III); ranh giới giữa hai giai đoạn nằm ở sự xuất hiện của lớp màng bao bọc đại phân tử — trước đó là tiến hoá hoá học ở trạng thái tự do, sau đó là tiến hoá tiền sinh học với một hệ có ranh giới riêng biệt với môi trường.
Ví dụ
Đánh giá bằng chứng thực nghiệm cho nguồn gốc sự sống (dạng đề kiểm tra)
1
Thí nghiệm Miller – Urey (1953) tạo ra được nhiều loại amino acid từ hỗn hợp khí mô phỏng khí quyển nguyên thuỷ. Một bạn học sinh kết luận: "Thí nghiệm này đã CHỨNG MINH chính xác sự sống trên Trái Đất bắt đầu như thế nào." Nhận định này đúng hay sai? Giải thích.
2
Thí nghiệm cho thấy phân tử hữu cơ (amino acid) CÓ THỂ hình thành từ chất vô cơ trong điều kiện phi sinh học — đây là bằng chứng ủng hộ NGUYÊN LÍ của tiến hoá hoá học.
3
Thí nghiệm dựa trên GIẢ ĐỊNH về thành phần khí quyển nguyên thuỷ (giàu CH4, NH3, H2) theo giả thuyết Oparin – Haldane. Nghiên cứu địa chất về sau đặt nghi vấn liệu khí quyển thật sự có thành phần như vậy hay không — nên thí nghiệm không thể coi là bằng chứng trực tiếp, không thể chỉnh sửa được cho lịch sử đã xảy ra cách đây hơn 4 tỉ năm.
4
Nguồn gốc sự sống là một sự kiện lịch sử duy nhất, không lặp lại và không quan sát trực tiếp được — khoa học chỉ có thể kiểm tra TÍNH KHẢ THI của từng cơ chế bằng thực nghiệm, không thể "chứng minh" đường đi chính xác đã xảy ra như xác nhận một phép đo lặp lại được.
5
Vậy nhận định trên là SAI. Thí nghiệm Miller – Urey chứng minh phân tử hữu cơ có thể hình thành phi sinh học trong điều kiện phù hợp — ủng hộ tính khả thi của tiến hoá hoá học — nhưng không chứng minh được chính xác con đường lịch sử sự sống đã đi qua; con đường chính xác đó vẫn là câu hỏi khoa học đang tiếp tục nghiên cứu.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến nhất là nghĩ nguồn gốc sự sống đã được khoa học "giải xong", chỉ còn việc học thuộc các bước. Thực ra thí nghiệm Miller – Urey và giả thuyết thế giới RNA là những GIẢ THUYẾT có bằng chứng ủng hộ mạnh, không phải sự thật đã xác nhận đầy đủ — con đường chính xác từ chất vô cơ tới tế bào sơ khai, cùng câu hỏi RNA hay một cơ chế khác mới thực sự là đại phân tử tự nhân lên đầu tiên, vẫn đang được nghiên cứu tích cực. Một nhầm lẫn khác là nghĩ đơn phân hữu cơ hình thành TỰ NHIÊN đã là "sự sống" — một amino acid hay một chuỗi RNA đơn lẻ chưa phải là sự sống; sự sống chỉ bắt đầu khi có một hệ tự nhân lên VÀ có ranh giới riêng biệt với môi trường, đủ để chọn lọc tự nhiên tác động lên nó.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Tiến hoá hoá học: chất vô cơ → đơn phân hữu cơ (Miller – Urey) → đại phân tử tự nhân lên (giả thuyết thế giới RNA). Tiến hoá tiền sinh học: đại phân tử được bao bọc màng → thể tiền tế bào → tế bào sơ khai (LUCA). Con đường chính xác vẫn đang được nghiên cứu — đây là sự trung thực khoa học, không phải một lỗ hổng kiến thức cần che giấu.
Bài tiếp theo đặt tế bào sơ khai đó vào một trục thời gian khổng lồ: từ lúc sự sống xuất hiện tới ngày nay, Trái Đất đã trải qua những đại địa chất nào, và vì sao những lần tuyệt chủng lớn nhất lại thường mở đường cho một đợt bùng nổ đa dạng sinh học mới?
Quá trình hình thành sự sống thường được mô tả qua hai giai đoạn lớn, nối tiếp nhau. Tiến hoá hoá học (chemical evolution) là giai đoạn các phân tử vô cơ đơn giản kết hợp thành các phân tử hữu cơ nhỏ — đơn phân — dưới tác động của các nguồn năng lượng có sẵn trên Trái Đất nguyên thuỷ: tia chớp, tia tử ngoại từ Mặt Trời (chưa bị tầng ozone chặn lại), nhiệt từ núi lửa. Giả thuyết Oparin – Haldane cho rằng khí quyển Trái Đất nguyên thuỷ giàu các chất khử như methane (CH4), ammonia (NH3), hydrogen (H2) và hơi nước, khác hẳn khí quyển giàu oxygen ngày nay — trong điều kiện đó, các phân tử vô cơ có thể kết hợp thành đơn phân hữu cơ như amino acid và nucleotide.
Năm 1953, Stanley Miller và Harold Urey dựng một hệ thống thí nghiệm mô phỏng khí quyển nguyên thuỷ theo giả thuyết Oparin – Haldane, phóng tia lửa điện liên tục qua hỗn hợp khí đó trong một tuần. Kết quả thu được nhiều loại amino acid — bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy các phân tử hữu cơ có thể hình thành từ chất vô cơ mà không cần sự sống có sẵn. Cần nói rõ: thí nghiệm Miller – Urey chứng minh NGUYÊN LÍ rằng phân tử hữu cơ có thể hình thành phi sinh học trong điều kiện phù hợp, chứ không chứng minh chính xác thành phần khí quyển Trái Đất cách đây 4 tỉ năm — nghiên cứu về sau đặt câu hỏi liệu khí quyển nguyên thuỷ có thực sự giàu chất khử như Miller giả định hay không.
Từ các đơn phân riêng lẻ, một số đơn phân trùng hợp thành đại phân tử — chuỗi nucleotide nối thành RNA, chuỗi amino acid nối thành protein — có thể trên bề mặt xúc tác của khoáng sét hoặc gần miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy biển, những nơi cung cấp cả năng lượng lẫn bề mặt để các đơn phân tập trung lại. Một giả thuyết được nhiều nhà khoa học ủng hộ — thế giới RNA (RNA world) — cho rằng RNA là đại phân tử tự nhân lên ĐẦU TIÊN: một số đoạn RNA vừa mang thông tin di truyền vừa có khả năng xúc tác phản ứng hoá học (gọi là ribozyme), nên RNA có thể tự sao chép mà chưa cần tới DNA lẫn protein. Việc DNA đảm nhiệm lưu trữ thông tin còn protein đảm nhiệm xúc tác — sự phân công vai trò em đã học ở Course 1 — được cho là xuất hiện SAU, như một cải tiến ổn định hơn.
Tiến hoá tiền sinh học (prebiotic evolution) là giai đoạn tiếp theo: các đại phân tử được bao bọc trong một lớp màng lipid, tạo thành thể tiền tế bào (protobiont) — những giọt nhỏ có thể duy trì môi trường hoá học bên trong khác với bên ngoài, hấp thu vật chất, lớn dần và tách đôi một cách thô sơ. Đây là bước ngoặt quan trọng: một khi một phân tử tự nhân lên được BAO BỌC trong một màng ngăn cách nó với môi trường xung quanh, chọn lọc tự nhiên bắt đầu có thể tác động ở cấp độ của cả "gói" đó — thể tiền tế bào nào giữ vật chất bên trong ổn định hơn, nhân lên hiệu quả hơn, sẽ chiếm ưu thế. Từ những thể tiền tế bào ngày càng ổn định, tế bào sơ khai đầu tiên xuất hiện — được coi là tổ tiên chung của mọi sự sống ngày nay, thường gọi là LUCA (Last Universal Common Ancestor), một dạng giống tế bào nhân sơ đơn giản.
Nhầm lẫn phổ biến nhất là nghĩ nguồn gốc sự sống đã được khoa học "giải xong", chỉ còn việc học thuộc các bước. Thực ra thí nghiệm Miller – Urey và giả thuyết thế giới RNA là những GIẢ THUYẾT có bằng chứng ủng hộ mạnh, không phải sự thật đã xác nhận đầy đủ — con đường chính xác từ chất vô cơ tới tế bào sơ khai, cùng câu hỏi RNA hay một cơ chế khác mới thực sự là đại phân tử tự nhân lên đầu tiên, vẫn đang được nghiên cứu tích cực. Một nhầm lẫn khác là nghĩ đơn phân hữu cơ hình thành TỰ NHIÊN đã là "sự sống" — một amino acid hay một chuỗi RNA đơn lẻ chưa phải là sự sống; sự sống chỉ bắt đầu khi có một hệ tự nhân lên VÀ có ranh giới riêng biệt với môi trường, đủ để chọn lọc tự nhiên tác động lên nó.