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
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em trình bày được giai đoạn tiến hoá hoá học trong quá trình phát sinh sự sống — từ các chất vô cơ đơn giản trên Trái Đất nguyên thuỷ hình thành nên những hợp chất hữu cơ đầu tiên — và tách bạch được phần nào của lời giải thích này đã có bằng chứng thực nghiệm, phần nào vẫn còn là câu hỏi các nhà khoa học đang tiếp tục tìm hiểu.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở phần Hoá học của chương trình Khoa học tự nhiên 9, em đã biết protein được cấu tạo từ các đơn phân amino acid nối với nhau, còn DNA được cấu tạo từ các đơn phân nucleotide (same-grade bridge). Bài học này lùi lại một mốc thời gian xa hơn rất nhiều: trước khi có bất kỳ tế bào sống nào tồn tại, những phân tử hữu cơ đơn giản đầu tiên ấy đã hình thành ra sao, từ đâu mà có?
Khởi động
Trái Đất được cho là hình thành cách đây khoảng 4,6 tỷ năm, còn hoá thạch sự sống cổ nhất được biết đến có tuổi khoảng 3,5 tỷ năm. Vậy trong khoảng thời gian ở giữa, chưa có sự sống nào tồn tại để "tạo ra" chất hữu cơ — vậy những phân tử hữu cơ đầu tiên đến từ đâu?
Kiến thức trọng tâm
Giai đoạn đầu tiên trong quá trình phát sinh sự sống được gọi là **tiến hoá hoá học** — giai đoạn các phân tử hữu cơ đơn giản (như amino acid, đường đơn, base nitrogen) hình thành từ những chất vô cơ có sẵn trên Trái Đất nguyên thuỷ, dưới tác động của các nguồn năng lượng tự nhiên rất mạnh: tia tử ngoại (vì khi đó chưa có tầng ozone che chắn), sét đánh liên tục, và nhiệt lượng lớn từ hoạt động núi lửa. Đây là bước đầu tiên, xa nhất về mặt thời gian, và cũng là bước có bằng chứng thực nghiệm rõ ràng nhất trong toàn bộ giả thuyết về nguồn gốc sự sống.
Bằng chứng thực nghiệm quan trọng nhất đến từ thí nghiệm nổi tiếng năm 1953 của Stanley Miller và Harold Urey. Hai ông tái tạo trong phòng thí nghiệm một hỗn hợp khí được cho là gần giống khí quyển Trái Đất nguyên thuỷ — gồm hơi nước, khí methane, khí ammonia và khí hydrogen — rồi phóng tia lửa điện liên tục qua hỗn hợp đó để mô phỏng sét. Sau một thời gian, họ thu được một số amino acid đơn giản, trong đó có glycine — chính là đơn phân cấu tạo nên protein. Kết quả này chứng minh một điều quan trọng: chất hữu cơ có thể hình thành tự nhiên từ chất vô cơ khi có đủ năng lượng, không cần có sự sống đã tồn tại từ trước để "tạo ra" chúng.
Điều cần nói thẳng là: thành phần chính xác của khí quyển Trái Đất nguyên thuỷ hiện vẫn là câu hỏi các nhà khoa học tranh luận. Hỗn hợp khí Miller và Urey chọn là một giả định hợp lý ở thời điểm đó, nhưng nhiều nhà nghiên cứu sau này cho rằng khí quyển thật có thể chứa ít hydrogen hơn, hoặc quá trình hình thành chất hữu cơ diễn ra ở một nơi khác hẳn — chẳng hạn quanh miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy đại dương, nơi có nguồn năng lượng và khoáng chất dồi dào mà không cần ánh sáng. Điều được xác nhận chắc chắn không phải là ĐỊA ĐIỂM hay THÀNH PHẦN KHÍ chính xác, mà là NGUYÊN TẮC: chất hữu cơ hoàn toàn có thể hình thành từ chất vô cơ trong điều kiện tự nhiên.
Đây mới là giai đoạn đầu — bài tiếp theo tiếp tục hành trình từ phân tử đơn giản đến tế bào sơ khai.
Ví dụ
Miller và Urey đã chứng minh điều gì, và KHÔNG chứng minh điều gì
1
Một bạn học sinh nói: "Thí nghiệm Miller và Urey năm 1953 đã tạo ra sự sống trong phòng thí nghiệm." Nhận định này đúng hay sai? Hãy phân tích.
2
Miller và Urey tái tạo một hỗn hợp khí giả định giống khí quyển nguyên thuỷ (hơi nước, CH4, NH3, H2) và phóng tia lửa điện mô phỏng sét qua hỗn hợp đó trong nhiều ngày. (1)
3
Từ (1), sản phẩm thu được là một số amino acid đơn giản — đơn phân cấu tạo nên protein. Đây là các PHÂN TỬ HỮU CƠ, hoàn toàn chưa phải một tế bào, chưa có màng, chưa có khả năng tự nhân đôi hay trao đổi chất.
4
Nhận định "đã tạo ra sự sống" là SAI. Thí nghiệm chỉ chứng minh chất hữu cơ đơn giản có thể hình thành từ chất vô cơ trong điều kiện mô phỏng Trái Đất nguyên thuỷ, chứ chưa hề tạo ra một hệ thống sống hoàn chỉnh.
5
Vậy thí nghiệm Miller–Urey chứng minh được NGUYÊN TẮC chất hữu cơ có thể hình thành tự nhiên từ chất vô cơ, chứ không chứng minh đã tạo ra sự sống — quãng đường từ amino acid rời rạc đến một tế bào sống còn rất dài, là nội dung của bài học tiếp theo.
Ví dụ
Vì sao khí quyển Trái Đất nguyên thuỷ lại quan trọng đối với tiến hoá hoá học (dạng đề thi)
1
Khí quyển Trái Đất ngày nay chứa nhiều khí oxygen tự do, trong khi khí quyển nguyên thuỷ được cho là hầu như không có oxygen tự do. Hãy giải thích vì sao sự KHÁC BIỆT này lại là điều kiện cần thiết để các phân tử hữu cơ đầu tiên có thể hình thành và tồn tại.
2
Oxygen tự do là một chất có hoạt tính oxy hoá mạnh — nó dễ dàng phá vỡ các phân tử hữu cơ vừa hình thành, tương tự cách oxygen làm hoen gỉ kim loại hay làm thức ăn ôi thiu. (1)
3
Từ (1), một khí quyển hầu như không có oxygen tự do — như khí quyển nguyên thuỷ — sẽ không phá huỷ các phân tử hữu cơ ngay sau khi chúng vừa hình thành, cho chúng cơ hội tồn tại đủ lâu để tích luỹ dần.
4
Nếu tiến hoá hoá học phải diễn ra trong khí quyển giàu oxygen như ngày nay, các phân tử hữu cơ vừa hình thành gần như sẽ bị oxy hoá phá huỷ ngay lập tức, khiến quá trình này gần như không thể xảy ra theo cùng cách.
5
Vậy khí quyển nguyên thuỷ gần như không có oxygen tự do chính là điều kiện thuận lợi, thậm chí cần thiết, để các phân tử hữu cơ đầu tiên vừa hình thành có thể tồn tại đủ lâu thay vì bị phá huỷ ngay — một lý do quan trọng vì sao tiến hoá hoá học chỉ có thể diễn ra ở giai đoạn rất sớm này của lịch sử Trái Đất.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Sai lầm thường gặp
Sai lầm phổ biến nhất là nghĩ thí nghiệm Miller–Urey đã "tạo ra sự sống" trong phòng thí nghiệm — thực ra nó chỉ tạo ra được vài loại phân tử hữu cơ đơn giản như amino acid, cách rất xa một tế bào sống hoàn chỉnh. Một sai lầm khác là nghĩ giả thuyết tiến hoá hoá học đã được "chứng minh hoàn toàn đúng", trong khi thực ra thành phần khí quyển và địa điểm chính xác vẫn là câu hỏi khoa học đang tiếp tục nghiên cứu — chỉ riêng nguyên tắc chất hữu cơ hình thành từ chất vô cơ là điều đã được xác nhận chắc chắn.
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Tiến hoá hoá học là giai đoạn chất hữu cơ đơn giản (như amino acid) hình thành từ chất vô cơ, nhờ năng lượng tự nhiên (tia tử ngoại, sét, nhiệt núi lửa) trong điều kiện gần như không có oxygen tự do. Thí nghiệm Miller–Urey chứng minh nguyên tắc này bằng thực nghiệm, nhưng thành phần khí quyển và địa điểm chính xác vẫn còn là câu hỏi mở — hãy luôn phân biệt rõ hai phần đó.
Có amino acid rời rạc trong nước chưa phải là có protein, càng chưa phải là có sự sống. Bài tiếp theo đi tiếp câu chuyện: từ những phân tử hữu cơ đơn giản này, làm thế nào lại hình thành nên được một hệ thống có khả năng tự nhân đôi, rồi tế bào sống đầu tiên?
Ở phần Hoá học của chương trình Khoa học tự nhiên 9, em đã biết protein được cấu tạo từ các đơn phân amino acid nối với nhau, còn DNA được cấu tạo từ các đơn phân nucleotide (same-grade bridge). Bài học này lùi lại một mốc thời gian xa hơn rất nhiều: trước khi có bất kỳ tế bào sống nào tồn tại, những phân tử hữu cơ đơn giản đầu tiên ấy đã hình thành ra sao, từ đâu mà có?
Giai đoạn đầu tiên trong quá trình phát sinh sự sống được gọi là tiến hoá hoá học — giai đoạn các phân tử hữu cơ đơn giản (như amino acid, đường đơn, base nitrogen) hình thành từ những chất vô cơ có sẵn trên Trái Đất nguyên thuỷ, dưới tác động của các nguồn năng lượng tự nhiên rất mạnh: tia tử ngoại (vì khi đó chưa có tầng ozone che chắn), sét đánh liên tục, và nhiệt lượng lớn từ hoạt động núi lửa. Đây là bước đầu tiên, xa nhất về mặt thời gian, và cũng là bước có bằng chứng thực nghiệm rõ ràng nhất trong toàn bộ giả thuyết về nguồn gốc sự sống.
Bằng chứng thực nghiệm quan trọng nhất đến từ thí nghiệm nổi tiếng năm 1953 của Stanley Miller và Harold Urey. Hai ông tái tạo trong phòng thí nghiệm một hỗn hợp khí được cho là gần giống khí quyển Trái Đất nguyên thuỷ — gồm hơi nước, khí methane, khí ammonia và khí hydrogen — rồi phóng tia lửa điện liên tục qua hỗn hợp đó để mô phỏng sét. Sau một thời gian, họ thu được một số amino acid đơn giản, trong đó có glycine — chính là đơn phân cấu tạo nên protein. Kết quả này chứng minh một điều quan trọng: chất hữu cơ có thể hình thành tự nhiên từ chất vô cơ khi có đủ năng lượng, không cần có sự sống đã tồn tại từ trước để "tạo ra" chúng.
Điều cần nói thẳng là: thành phần chính xác của khí quyển Trái Đất nguyên thuỷ hiện vẫn là câu hỏi các nhà khoa học tranh luận. Hỗn hợp khí Miller và Urey chọn là một giả định hợp lý ở thời điểm đó, nhưng nhiều nhà nghiên cứu sau này cho rằng khí quyển thật có thể chứa ít hydrogen hơn, hoặc quá trình hình thành chất hữu cơ diễn ra ở một nơi khác hẳn — chẳng hạn quanh miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy đại dương, nơi có nguồn năng lượng và khoáng chất dồi dào mà không cần ánh sáng. Điều được xác nhận chắc chắn không phải là ĐỊA ĐIỂM hay THÀNH PHẦN KHÍ chính xác, mà là NGUYÊN TẮC: chất hữu cơ hoàn toàn có thể hình thành từ chất vô cơ trong điều kiện tự nhiên.
Sai lầm phổ biến nhất là nghĩ thí nghiệm Miller–Urey đã "tạo ra sự sống" trong phòng thí nghiệm — thực ra nó chỉ tạo ra được vài loại phân tử hữu cơ đơn giản như amino acid, cách rất xa một tế bào sống hoàn chỉnh. Một sai lầm khác là nghĩ giả thuyết tiến hoá hoá học đã được "chứng minh hoàn toàn đúng", trong khi thực ra thành phần khí quyển và địa điểm chính xác vẫn là câu hỏi khoa học đang tiếp tục nghiên cứu — chỉ riêng nguyên tắc chất hữu cơ hình thành từ chất vô cơ là điều đã được xác nhận chắc chắn.
Tiến hoá hoá học là giai đoạn chất hữu cơ đơn giản (như amino acid) hình thành từ chất vô cơ, nhờ năng lượng tự nhiên (tia tử ngoại, sét, nhiệt núi lửa) trong điều kiện gần như không có oxygen tự do. Thí nghiệm Miller–Urey chứng minh nguyên tắc này bằng thực nghiệm, nhưng thành phần khí quyển và địa điểm chính xác vẫn còn là câu hỏi mở — hãy luôn phân biệt rõ hai phần đó.