Lịch sữ Trái Đất(phần II): pps

Lịch sữ Trái Đất(phần II): Tế bào đầu tiên Một đoạn nhỏ của một màng tế bào. Màng tế bào hiện đại này phức tạp hơn rất nhiều so với lớp phospholipid kép đơn giản nguyên thuỷ (hình cầu nhỏ màu xanh có hai đuôi). Các protein và hyđrat cacbon giữ nhiều vai trò trong điều chỉnh sự chuyển hóa nguyên liệu từ qua màng và trong phản ứng lại với môi trường. Sự sống hiện đại có nguyên liệu tái tạo được đóng gói gọn bên trong một màng tế bào. Tìm hiểu nguồn gốc màng tế bào dễ dàng hơn so với việc tìm hiểu nguồn gốc chất tái tạo, bởi vì các phân tử phospholipid tạo thành màng tế bào thường ở dạng hai lớp (bilayer) tự sinh khi được đặt trong nước. Dưới một số điều kiện, nhiều quả cầu như vậy có thể được hình thành (xem “Lý thuyết bong bóng”). [14] Vẫn chưa biết được liệu quá trình này diễn ra trước hay sau khởi nguồn của chất tái tạo (hay có lẽ nó từng là chất tái tạo). Thuyết phổ biến nhất cho rằng chất tái tạo, có lẽ RNA tới lúc ấy (lý thuyết thế giới RNA), cùng bộ máy tái tạo của nó và có lẽ cả các biomolecules khác đã có tham gia vào quá trình. Các tiền tế bào ban đầu có lẽ đã đơn giản vỡ ra khi chúng phát triển quá lớn; những thứ bên trong có lẽ đã xâm lấn sang các “bong bóng” khác. Các protein làm ổn định màng, hay sau này giúp vào quá trình phân chia có trật tự, đã thúc đẩy quá trình tăng trưởng của các tế bào đó. RNA cũng có thể là một ứng cử viên của một chất tái tạo ban đầu bởi vì nó vừa có thể lưu giữ thông tin di truyền vừa làm xúc tác cho các phản ứng. Ở một số mặt, DNA đã chiếm giữ vai trò lưu giữ di truyền của RNA, và các protein được gọi là enzym chiếm vai trò xúc tác, để RNA chuyển thông tin và điều chỉnh quá trình này. Ngày càng có nhiều người tin rằng những tế bào ban đầu đó có thể đã tham gia cùng với các chất thoát từ miệng núi lửa dưới đáy biển được gọi là "black smoker". [15] or even hot, deep rocks. [16] Tuy nhiên, mọi người tin rằng trong vô số những tế bào hay những tiền tế bào này chỉ có một còn sống sót. Những bằng chứng hiện nay cho thấy vị tổ tiên của thế giới đã sống trong buổi đầu thời kỳ Archean, có lẽ khoảng 3,5 tỷ năm trước (5:30 sáng theo chiếc đồng hồ tưởng tượng của chúng ta) hay sớm hơn. [17],[18] Tế bào này là tổ tiên của mọi tế bào và vì thế là tổ tiên của mọi sự sống trên Trái đất. Có lẽ nó là một sinh vật nhân nguyên thuỷ, có một màng tế bào và có lẽ cả ribosome, nhưng không có nhân hay các cơ quan tế bào ngoài màng như ti thể hay lạp lục. Giống như mọi tế bào hiện đại, nó sử dụng DNA làm mã di truyền, RNA để trao đổi thông tin và tổng hợp protein, và các enzyme làm xúc tác cho phản ứng. Một số nhà khoa học tin rằng tế bào này không chỉ là một cá thể duy nhất mà là một số lượng các sinh vật trao đổi gen trong trao đổi gen bên. [17] [sửa] Quang hợp và ôxy Sự khai thác năng lượng mặt trời dẫn đến những thay đổi chính của sự sống trên Trái đất. Bài chi tiết: Quang hợp và Dị dưỡng Có lẽ tất cả các tế bào ban đầu đều là tế bào dị dưỡng, sử dụng những phân tử hữu cơ (kể cả từ những tế bào khác) như nguyên liệu sống và một nguồn năng lượng. [19] Vì nguồn cung cấp dinh dưỡng hạn chế, một số tế bào đã phát triển cách thức hấp thụ dinh dưỡng mới. Thay vì dựa vào số lượng các phân tử hữu cơ tồn tại tự do đang ngày càng giảm sút, những tế bào này hấp thụ ánh sáng mặt trời như một nguồn năng lượng. Các con số ước lượng được đưa ra không đồng nhất, nhưng vào khoảng 3 tỷ năm trước [20] (khoảng 8:00 giờ sáng trên chiếc đồng hồ của chúng ta), một thứ tương tự như sự quang hợp hiện đại ngày nay có lẽ đã bắt đầu phát triển. Việc này khiến không chỉ sinh vật tự dưỡng mà cả sinh vật dị dưỡng lợi dụng được năng lượng mặt trời. Quang hợp sử dụng điôxít cacbon và nước vốn rất phong phú cùng với năng lượng từ ánh sáng mặt trời để sản xuất những phân tử hữu cơ giàu năng lượng (hyđrat cacbon). Ngoài ra, khí ôxy được sản xuất như một phế phẩm của quá trình quang hợp. Đầu tiên nó liên kết với đá vôi, sắt, và những chất khoáng khác, nhưng khi số lượng tất cả các khoáng chất sử dụng được tăng lên, ôxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển. Dù mỗi tế bào chỉ sản xuất ra một lượng ôxy nhỏ, tổng các quá trình trao đổi chất của nhiều tế bào sau những khoảng thời gian dài dằng dặc đã biến khí quyển Trái Đất trở thành tình trạng như hiện nay. [21] Và đây là thời kỳ khí quyển thứ ba của Trái đất. Một số ôxy phản ứng để hình thành nên ôzôn, tạo thành một lớp nằm ở phần trên cùng của khí quyển. Tầng ozon đã hấp thụ, và vẫn đang hấp thụ, một lượng lớn bức xạ cực tím mà trước kia có thể xuyên qua khí quyển. Điều này cho phép các tế bào di chuyển lên bề mặt đại dương và cuối cùng là đất liền: [22] Nếu không có tầng ôzôn, bức xạ cực tím sẽ đi tới bề mặt trái đất và gây ra tình trạng biến đổi lớn cho các tế bào. Bên cạnh việc tạo ra phần lớn lượng năng lượng cần thiết cho các hình thức sự sống và ngăn cản bức xạ tia cực tím, các tác động của quang hợp còn có một tác dụng thứ ba khác đưa tới sự thay đổi mang tầm quan trọng lớn trên thế giới. Ôxy là chất độc; có lẽ đa phần sự sống trên Trái đất đã biến mất khi lượng ôxy tăng lên (Thảm họa ôxy). [22] Các hình thái sự sống thích nghi được đã tồn tại và phát triển, và một số đã phát triển khả năng sử dụng ôxy để tăng cường sự trao đổi chất và hấp thu được nhiều năng lượng hơn từ cùng loại thực phẩm. [sửa] Nội cộng sinh và ba vực của sự sống Bài chi tiết: Thuyết nội cộng sinh Những sinh vật nội cộng sinh có thể xuất hiện theo vài đường lối khác nhau. Phép phân loại hiện đại chia sự sống thành ba vực. Thời điểm khởi đầu của các vực đó chỉ có thể được suy đoán. Vực Bacteria có lẽ là sự chia tách đầu tiên khỏi những hình thức sự sống khác (thỉnh thoảng được gọi là Neomura), nhưng sự phỏng đoán này còn gây tranh cãi. Ngay sau đó, khoảng 2 tỉ năm trước [23] (khoảng lúc 2:00 giờ chiều theo chiếc đồng hồ của chúng ta), Neomura phân chia thành Archarea và Eukarya. Các tế bào Eukarya lớn và phức tạp hơn các tế bào prokaryotic (Bacteria và Archaea), và nguồn gốc sự phức tạp đó hiện đang dần được khám phá. Ở khoảng trong thời kỳ này một tế bào vi khuẩn có liên quan tới Rickettsia ngày nay [24] đã xâm nhập một tế bào prokaryotic lớn hơn. Có lẽ tế bào lớn đã không thành công khi tiêu hóa tế bào nhỏ (có lẽ vì quá trình phát triển khả năng tự vệ của con mồi). Có lẽ tế bào nhỏ tìm cách ký sinh trên tế bào lớn. Dù thế nào chăng nữa, tế bào nhỏ đã sống sót bên trong tế bào lớn. Sử dụng ôxy, nó đã có thể chuyển hóa các phế phẩm của tế bào lớn và thu được nhiều năng lượng. Một số năng lượng dư đó được chuyển trở lại cho vật chủ. Tế bào nhỏ tái tạo bên trong tế bào lớn, và nhanh chóng sau đó một mối quan hệ cộng sinh ổn định được thiết lập. Cùng với thời gian, tế bào chủ nhận được một số gene của tế bào nhỏ, và chúng trở nên phụ thuộc lẫn nhau: tế bào lớn không thể sống được nếu không có năng lượng do tế bào nhỏ tạo ra, và tế bào nhỏ cũng không thể tồn tại khi không có nguyên liệu thô do tế bào lớn cung cấp. Sự cộng sinh phát triển giữa tế bào lớn và cộng đồng tế bào nhỏ bên trong nó phát triển cao tới mức chúng được coi là đã trở thành một sinh vật duy nhất, các tế bào nhỏ được xếp loại là cơ quan tế bào được gọi là mitochondria. Một sự kiện tương tự cũng diễn ra với sự quang hợp cyanobacteria [25] chui vào trong các tế bào dị dưỡng và trở thành các lạp lục. [26],[27] Có lẽ vì các thay đổi đó, một dòng tế bào có khả năng quang hợp đã tách ra khỏi các eukaryotes khác ở khoảng thời gian nào đó chừng 1 tỷ năm trước (khoảng 6:00 giờ chiều theo chiếc đồng hồ của chúng ta). Nếu con số chính xác, có lẽ đã có nhiều sự kiện tương tự diễn ra. Bên cạnh lý thuyết nội cộng sinh (endosymbiotic) có cơ sở khá vững chắc về nguồn gốc tế bào với mitochondria và các lạp lục (chloroplast), cũng có lý thuyết cho rằng các tế bào đã hình thành peroxisomes, spirochete hình thành nên cilia và flagella, và có lẽ một virus DNA đã tạo nên nhân tế bào, [28],[29] dù không một lý thuyết nào trong số đó được chấp nhận rộng rãi. [30] [sửa] Đa bào Volvox aureus được cho là giống những thực vật đa tế bào đầu tiên. Archaeans, bacteria, và eukaryotes tiếp tục đa dạng hóa và trở nên tinh vi cũng như thích ứng tốt hơn với môi trường của chúng. Mỗi vực lại liên tiếp chia thành nhiều giống, dù chúng ta còn biết rất ít về lịch sử archaea và bacteria. Khoảng 1.1 tỷ năm trước (6:15 chiều trên chiếc đồng hồ của chúng ta), siêu lục địa Rodinia bắt đầu hình thành; [31] những sự di chuyển lục địa trước đó chưa được biết rõ. Thực vật, động vật, và các loài nấm đều đã phân chia, dù chúng vẫn tồn tại như những tế bào đơn độc. Một số chúng sinh sống thành các tập đoàn, và dần dần một số hành vi phân công lao động bắt đầu diễn ra; ví dụ, các tế bào ngoại biên có thể bắt đầu đảm nhận một số vai trò khác biệt so với các tế bào bên trong. Dù sự phân chia giữa một tập đoàn với các tế bào chuyên biệt và một sinh vật đa bào không phải lúc nào cũng rõ ràng, khoảng 1 tỷ năm trước [32] (khoảng 7:00 giờ tối theo đồng hồ chúng ta), các thực vật đa bào đầu tiên xuất hiện, có lẽ là tảo xanh. [33] Có thể vào khoảng 900 triệu năm trước (7:15 tối theo đồng hồ của chúng ta), [34] đa bào thực sự đã xuất hiện ở động vật. Ban đầu có lẽ là một thứ gì đó tương tự với đa bào của hải miên ngày nay, theo đó tất cả các tế bào đều totipotent và một cơ quan bị mất có thể tự tái tạo. [35] Khi sự phân chia lao động trở nên đầy đủ hơn trong mọi giống sinh vật đa bào, các tế bào bắt đầu chuyên biệt hóa hơn và phụ thuộc vào nhau hơn; các tế bào riêng biệt sẽ chết. Tới khoảng 750 triệu năm trước [36] (8:00 giờ tối theo đồng hồ của chúng ta) Rodinia bắt đầu tan vỡ. [sửa] Xâm chiếm mặt đất Đa phần thời gian trong lịch sử Trái Đất, không hề có các sinh vật đa bào trên lục địa. Một số phần bề mặt có thể tương tự với hình ảnh này về bề mặt Sao Hoả, một trong những hành tinh láng giềng của chúng ta. Như chúng ta đã thấy, sự tích tụ khí ôxy trong khí quyển Trái Đất dẫn tới việc hình thành ôzôn, tạo nên một lớp ngăn chặn đa phần bức xạ tia cực tím của mặt trời. Vì thế, các sinh vật đơn bào đi lên mặt đất sẽ có cơ hội sống sót cao hơn, và các sinh vật chưa có nhân đã bắt đầu sinh sôi và trở nên thích ứng tốt hơn với môi trường sống bên ngoài đại dương. Có lẽ các sinh vật chưa có nhân đã chinh phục mặt đất ngay từ 2,6 tỷ năm trước [37] (10:17 sáng), thậm chí trước cả khi sinh vật nhân chuẩn xuất hiện. Trong một thời gian dài, lục địa vẫn là nơi không thể sinh sống đối với các sinh vật đa bào. Siêu lục địa Pannotia đã hình thành từ khoảng 600 triệu năm trước và đã vỡ thành nhiều mảnh 50 triệu năm sau đó [38] (từ khoảng 8:50 chiều tới 9:05 chiều trên chiếc đồng hồ tưởng tượng). Cá, những động vật có xương sống sớm nhất, đã bắt đầu xuất hiện tại các đại dương từ khoảng 530 triệu năm trước [39] (9:10 chiều). Một cuộc tuyệt chủng đã xảy ra thời kỳ cuối kỷ Cambri, [40] kỷ này chấm dứt 488 triệu năm trước [41] (9:25 chiều). Nhiều triệu năm trước, thực vật (có lẽ giống với tảo) và nấm bắt đầu mọc trên rìa mặt nước, và sau đó tách hẳn khỏi nó. [42] Những hóa thạch nấm và thực vật cổ nhất trên đất liền có niên đại từ 480–460 triệu năm trước (9:28–9:34 chiều), dù bằng chứng phân tử cho thấy nấm có thể đã xâm chiếm đất liền ngay từ 1 tỷ năm trước (6:40 chiều) và thực vật là 700 triệu năm (8:20 chiều). [43] Ban đầu chúng vẫn ở gần mặt nước, các sự kiện đột biến và biến thể khiến chúng ngày càng xâm chiếm sâu hơn vào môi trường mới. Thời gian những động vật đầu tiên rời đại dương hiện vẫn chưa được biết chính xác: bằng chứng rõ rệt sớm nhất là những động vật chân đốt trên đất liền khoảng 450 triệu năm trước [44] (9:40 chiều), có lẽ chúng đã phát triển và trở nên thích nghi với môi trường nhờ vào nguồn thực phẩm phong phú từ các loài thực vật trên đất liền. Cũng có một số bằng chứng chưa được xác nhận cho rằng những động vật chân đốt có thể đã xuất hiện trên mặt đất ngay từ 530 triệu năm trước [45] (9:12 chiều). Khoảng 380 tới 375 triệu năm trước (10:00 chiều) những động vật bốn chân đầu tiên xuất hiện từ loài cá. [46] Mọi người cho rằng có lẽ các vây đã phát triển để trở thành chi cho phép những động vật bốn chân đầu tiên nhấc cao đầu khỏi mặt nước để hít thở không khí. Điều này giúp chúng sống được ở những vùng nước ít ôxy hay đuổi theo những con mồi nhỏ vào trong vùng nước nông. [46] Có thể sau này chúng đã tiến vào đất liền trong những khoảng thời gian ngắn. Cuối cùng, một số loài trở nên thích ứng tốt đến mức chấp nhận cuộc sống trên mặt đất và toàn bộ thời gian trưởng thành chúng đều sống trên đất liền, dù chúng sinh sản trong nước và quay lại đó để đẻ trứng. Đây là nguồn gốc của các động vật lưỡng cư. Khoảng 365 triệu năm trước (10:04 chiều), một giai đoạn tuyệt chủng khác diễn ra, có lẽ là do sự lạnh đi toàn cầu. [47] Thực vật tiến hóa thêm hạt, giúp chúng tiến sâu hơn rất nhiều vào đất liền, khoảng thời gian này (khoảng 360 triệu năm trước hay 10 giờ). [48], [49] Pangaea, siêu lục địa gần đây nhất, tồn tại từ 300 tới 180 triệu năm trước. Những đường vẽ ranh giới ngoài các lục địa hiện nay và các khối lục địa được thể hiện trên bản đồ này. Khoảng 20 triệu năm sau (340 triệu năm trước, [50] 10:12 chiều theo đồng hồ của chúng ta), quá trình tiến hóa màng ối đã cho phép trứng được ấp trên đất liền, chắc chắn đó là một lợi thế tồn tại cho phôi của loài động vật bốn chân. Điều này dẫn tới sự phân nhánh động vật có màng ối ra khỏi động vật lưỡng cư. 30 triệu năm sau nữa (310 triệu năm trước, [51] 10:22 chiều) sự phân nhánh giữa Synapsida (gồm các loài động vật có vú) với Sauropsida (gồm các loài chim và những loài bò sát không bay hay không phải là động vật có vú) diễn ra. Tất nhiên, những nhóm sinh vật khác tiếp tục tiến hóa và phân nhánh thành cá, côn trùng, vi khuẩn và các loài khác, nhưng chúng ta không có nhiều thông tin chi tiết như các loài trên. 300 triệu năm trước (10:25 chiều) siêu lục địa gần đây nhất hình thành, được gọi là Pangaea. Sự kiện tuyệt chủng lớn nhất cho tới nay diễn ra 250 triệu năm trước (10:40 chiều theo đồng hồ của chúng ta), ở khoảng thời gian phân tách giữa kỷ Permi và Trias; 95% các loài sinh vật trên Trái Đất biến mất. [52] Nhưng sự sống vẫn tồn tại, và khoảng 230 triệu năm trước [53] (10:47 chiều theo đồng hồ của chúng ta), các loài khủng long bắt đầu chia tách khỏi tổ tiên bò sát của chúng. Một cuộc tuyệt chủng ở thời gian giữa hai kỷ Trias và Jura 200 triệu năm trước (10:56 chiều) nhưng không ảnh hưởng tới nhiều loài khủng long, [54] chúng nhanh chóng chiếm vai trò thống trị trong số động vật có xương sống. Dù một số loài có vú cũng bắt đầu phân chia tương tự trong thời gian này, các loài có vú thời đó có lẽ đều nhỏ như chuột chù ngày nay. [55] 180 triệu năm trước (11:03 chiều), Pangea vỡ thành Laurasia và Gondwana. Ranh giới giữa các loài khủng long bay và không bay là không rõ ràng nhưng Archaeopteryx, theo truyền thống thường được coi là một trong những con chim đầu tiên, sống vào khoảng 150 triệu năm trước [56] (11:12 chiều). Bằng chứng sớm nhất về thực vật hạt kín tiến hóa thành các loài có hoa là ở thời kỳ kỷ Creta, khoảng 20 triệu năm sau (132 triệu năm trước, 11:18 tối) [57] Cuộc cạnh tranh với những loài chim khiến nhiều loài thằn lằn bay tuyệt chủng, và những con khủng long có lẽ cũng đã ở thời kỳ suy thoái vì một số nguyên nhân [58] khi, 65 triệu năm trước (11:39 chiều), một thiên thạch đường kính 10 kilômét dường như đã đâm vào Trái Đất ngay ngoài khơi bán đảo Yucatán, tung một lượng lớn vật chất và hơi nước lên không, che khuất ánh sáng Mặt Trời, ngăn cản quang hợp. Đa số các loài động vật lớn, gồm cả những loài khủng long không bay, bị tuyệt chủng. [59] , đánh dấu sự chấm dứt thời kỳ kỷ Creta và đại Trung Sinh. Sau đó, ở thời kỳ thế Paleocen, các loài động vật có vú nhanh chóng phân chia, trở nên lớn hơn và chiếm vai trò thống trị trong số các động vật có xương sống. Có lẽ vài triệu năm sau (khoảng 63 triệu năm trước, 11:40 chiều), vị tổ tiên chung cuối cùng của toàn bộ động vật linh trưởng đã có mặt. [60] Tới cuối thời kỳ thế Eocen, 34 triệu năm trước (11:49 chiều), các loài động vật có vú trên mặt đất đã quay trở về biển để trở thành các loài động vật như Basilosaurus sau này sẽ trở thành các loài cá heo và cá voi. [61] . Lịch sữ Trái Đất(phần II): Tế bào đầu tiên Một đoạn nhỏ của một màng tế bào. Màng tế bào hiện đại này. những khoảng thời gian dài dằng dặc đã biến khí quyển Trái Đất trở thành tình trạng như hiện nay. [21] Và đây là thời kỳ khí quyển thứ ba của Trái đất. Một số ôxy phản ứng để hình thành nên ôzôn,. của chúng ta) Rodinia bắt đầu tan vỡ. [sửa] Xâm chiếm mặt đất Đa phần thời gian trong lịch sử Trái Đất, không hề có các sinh vật đa bào trên lục địa. Một số phần bề mặt có thể tương tự