Sinh học (phần I ) pdf

Sinh học (phần I ) Sinh học là một môn khoa học về sự sống (từ tiếng Anh: biology bắt nguồn từ Hy Lạp với bios là sự sống, và logos là môn học). Nó là một nhánh của khoa học tự nhiên, tập trung nghiên cứu các cá thể sống, mối quan hệ giữa chúng với nhau và với môi trường. Nó miêu tả những đặc điểm và tập tính của sinh vật (ví dụ: cấu trúc, chức năng, sự phát triển, môi trường sống), cách thức các cá thể và loài tồn tại (ví dụ: nguồn gốc, sự tiến hóa và phân bổ của chúng). Sinh học bao hàm nhiều ngành học khác nhau được xây dựng dựa trên những nguyên lý riêng. Có 4 nguyên lí tạo thành nền tảng cho sinh học hiện đại: lý thuyết tế bào, tiến hóa, di truyền và cân bằng nội tại (homeostasis ) [1] . Các môn học này có mối quan hệ qua lại với nhau, giúp ta hiểu về sự sống với các mức độ, phạm vi khác nhau. Sự ra đời của sinh học bắt đầu từ thế kỉ 19, khi các nhà khoa học tìm thấy được các đặc điểm chung cơ bản giữa các loài. Ngày nay, sinh học trở thành một môn học chuẩn và bắt buộc tại các trường học và Đại học trên khắp thế giới, và rất nhiều bài báo được công bố hằng năm ở trên khắp các tạp chí chuyên ngành về y và sinh. [2] Việc phân loại các ngành con của sinh học rất đa dạng. Ban đầu, chúng được phân loại theo chủng loại các cá thể làm đối tượng nghiên cứu. Ví dụ: botany, nghiên cứu về cây; zoology, nghiên cứu về động vật; và microbiology, nghiên cứu về các vi sinh vật. Tiếp đến, chúng lại được chia nhỏ dựa trên qui mô của các các thể và phương pháp nghiên cứu chúng: biochemistry nghiên cứu về hóa cơ bản của sự sống; molecular biology nghiên cứu các tương tác phức tạp giữa các hệ thống của các phân tử sinh học; cellular biology tìm hiểu các cấu trúc cơ bản tạo thành mọi sự sống. Như vậy, sự sống ở mức độ nguyên tử và phân tử được nghiên cứu thông qua sinh học phân tử, hóa sinh và di truyền phân tử. Ở mức độ tế bào, nó được hiểu biết thông qua tế bào học và mức độ đa bào thì thông qua physiology, giải phẫu học và mô học. Sinh học phát triển nghiên cứu sự sống ở các giai đoạn phát triển khác nhau hoặc phát triển cá thể (ontogeny) của sinh vật. Với mức độ lớn hơn, di truyền học quan tâm đến tính di truyền giữa cha mẹ và con cái. Phong tục học (ethology) nghiên cứu nhóm hành vi của một tập hợp cá thể. Di truyền học quần thể (population genetics) xem xét toàn bộ quần thể và hệ thống học quan tâm đến sự tiến hóa của nhiều loài thuộc các nhánh tiến hóa (lineage). Mối quan hệ qua lại giữa các quần thể với nhau và với ổ sinh thái của chúng là đối tượng của ecology và sinh học tiến hóa. Một lĩnh vực tương đối mới là sinh học vũ trụ (astrobiology hoặc xenobiology) nghiên cứu về khả năng tồn tại sự sống ngoài Trái Đất. Các nguyên lý trong sinh học Không sử dụng các công thức toán học để miêu tả các quá trình sinh lý trong hệ thống sinh học như vật lý học, sinh học sử dụng hệ thống các khái niệm và nguyên lý riêng bao gồm: tính phổ biến (universality), sự tiến hóa (evolution), tính đa dạng (diversity), tính liên tục (continuity), trạng thái cân bằng nội môi và các mối quan hệ hữu cơ (interactions). Các khái niệm chính: hoá sinh, tế bào và mã di truyền Bài chi tiết: Sự sống Mô hình cấu trúc của phân tử DNA là vật liệu di truyền ở cấp độ phân tử Trong sinh học, nhiều phân tử, khái niệm, quá trình có tính phổ biến và tổng quát chung cho tất cả các dạng sống. Ví dụ, mọi dạng sống đều có cấu tạo tế bào, và các tế bào đều được cấu thành từ các phân tử hữu cơ giống nhau. Tất cả các sinh vật đều truyền thông tin di truyền của mình thông qua các vật liệu di truyền mà được cấu tạo từ phân tử nucleic acid (đa số là phân tử DNA (xem hình) chứa đựng mã di truyền thống nhất trên toàn bộ sinh giới (chỉ khác một vài chi tiết nhỏ). Trong quá trình phát triển của sinh vật, tính phổ biến cũng thể hiện ở chỗ hầu hết các động vật metazoan đều trải qua các giai đoạn cơ bản của quá trình phát triển phôi giống nhau về hình thái và hệ thống gene hoạt hóa. Tiến hóa: nguyên lý trung tâm của sinh học Bài chi tiết: Tiến hóa Một trong các khái niệm trung tâm, có tính hệ thống trong toàn bộ các chuyên ngành của Sinh học đó là tất cả sự sống đều bắt nguồn từ một tổ tiên chung (common descent) và trải qua một quá trình tiến hóa. Thật vậy, đó là lý do mà các sinh vật đều có những đặc điểm, phân tử và quá trình sinh lý giống nhau đến ngạc nhiên (xem thảo luận phía dưới). Học thuyết tiến hóa của Charles Darwin là học thuyết được chấp nhận rộng rãi (mặc dù có những tranh cãi). Thuyết tiến hóa này cho rằng sự sống của sinh vật chịu tác động dưới một áp lục gay gắt gọi là chọn lọc tự nhiên. Phiêu bạt di truyền (genetic drift) là cơ chế bổ sung về học thuyết này và được gọi là thuyết tiến hóa hiện đại (modern synthesis). Cây phát sinh chủng loại miêu tả lịch sử tiến hóa của một nhóm các loài với những đặc tính khác nhau nhưng cùng có mối quan hệ họ hàng với nhau và cùng hình thành từ một tổ tiên chung trong quá khứ. Có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau để chứng minh đặc điểm phát sinh chủng loại này. Trước hết, người ta có thể so sánh trình tự các đoạn DNA (thuộc sinh học phân tử hay hệ gene học (genomics); hoặc so sánh các mẫu hoá thạch (fossil) hoặc các di chỉ (record) của sinh vật cổ (thuộc cổ sinh vật học. Các nhà sinh học tổ chức và phân tích các mối quan hệ tiến hóa thông qua các phương pháp khác nhau, bao gồm phân loại theo tiến hoá (phylogenetics), phân loại theo ngoại hình (phenetics) và phân loại theo nhánh (cladistics). Các sự kiện chính xảy ra trong quá trình tiến hóa của sự sống được xây dựng thành biểu đồ thời gian tiến hóa (evolutionary timeline) dựa trên các hiểu biết hiện nay của khoa học. Tính đa dạng: sự phong phú và đa dạng của sinh giới Một cây phát sinh chủng loại miêu tả quá trình tiến hóa của tất cả các loài sinh vật thông qua dữ liệu về gene rRNA. Theo phân loại của Carl Woese, sinh giới chia làm 3 lãnh giới (domain, kingdom) chính là vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn. Các cây phát sinh chủng loại được xây dựng trên dữ liệu của các gene khác cũng có cấu trúc chung tương tự, tuy nhiên một số nhánh phân chia có thể khác nhau về chi tiết do tần số đột biến của các gene này cao hơn so với gene mã hóa rRNA. Mối quan hệ thực chất giữa các sinh vật của 3 giới hiện vẫn là vấn đề đang tranh cãi. Mặc dù sự sống vừa mang một sự thống nhất chung nhưng chúng lại vừa có tính đa dạng, phong phú đáng kinh ngạc ở các đặc điểm hình thái, tập tính (behavior) và lịch sử phát triển (life history). Để nghiên cứu một sinh giới đa dạng như vậy, các nhà sinh học đã nỗ lực phân loại tất cả các sinh vật sống. Sự phân loại khoa học này cần phải phản ảnh được cây tiến hóa (evolutionary tree) (hay cây phát sinh chủng loại) của các sinh vật khác nhau. Các khóa phân loại như vậy là các lĩnh vực nghiên cứu của bộ môn (ngành) hệ thống học và phân loại học. Phân loại học nghiên cứu nhằm xếp các sinh vật vào các nhóm gọi là nhóm phân loại (taxon), trong khi đó hệ thống học thì xem xét mối quan hệ giữa chúng. Trước kia, sinh giới được chia làm 5 giới (kingdom): Monera Protista Fungi Plantae Animalia Tuy nhiên, hệ thống phân loại 5 giới hiện nay đã lỗi thời. Ngày nay, sinh học hiện đại sắp xếp sinh vật vào 3 lãnh giới (domain hay superregnum) theo hệ thống phân loại 3 lãnh giới (three-domain system) như sau: Archaebacteria Bacteria (còn gọi là Eubacteria) Eukaryota (bao gồm Giới nguyên sinh (Protista), Giới nấm (Fungi), Giới thực vật (Plantae) và Giới động vật (Animalia) theo phân loại trước kia). Các giới này phân biệt với nhau thông qua tế bào đã có nhân thực hay chưa cũng như các cấu trúc khác trong tế bào. Ngoài ra sinh giới còn tồn tại các vật ký sinh (parasite) nội bào mà khó được xếp vào sinh vật sống vì không có khả năng trao đổi chất độc lập: Virus (bản chất sinh học, khác với virus trong tin học) Viroid Prion Tính liên tục: sự sống bắt nguồn từ một tổ tiên chung Bài chi tiết: Tổ tiên chung Một nhóm sinh vật được gọi là có chung một nguồn gốc nếu cùng một tổ tiên chung. Tất cả các loài sinh vật trên trái đất đều xuất phát từ một thuỷ tổ (ancestor) hoặc một vốn gene gốc (ancestral gene pool). Giống sinh vật là thuỷ tổ của tất cả các nhóm sinh vật hiện nay có lẽ xuất hiện ở Trái Đất khoảng 3,5 tỷ năm trước. (Xem thêm nguồn gốc sự sống.) Tư tưởng về "tất cả sự sống bắt nguồn từ một quả trứng (tiếng Latin: Omne vivum ex ovo) là một khái niệm cơ bản của sinh học hiện đại, có nghĩa là sự sống từ khi khởi nguồn đến ngay nay để vận động và phát triển liên tục, không ngừng. Mặc dù đến tận thế kỷ 19, người ta vẫn còn tin rằng các dạng sống có thể xuất hiện một cách tình cờ dưới một số điều kiện nhất định. (Xem thêm tạo sinh phi sinh học (abiogenesis).) Tính phổ biến của mã di truyền là một bằng chứng xác đáng mà các nhà sinh học khẳng định giả thuyết về một tổ tiên chung (universal common descent, UCD). của tất cả các loài vi khuẩn thực (eubacteria), vi khuẩn cổ (archaea) và sinh vật nhân thực (eukaryote). (Xem thêm Hệ thống phân loại 3 giới.) . Trước kia, sinh gi i được chia làm 5 gi i (kingdom): Monera Protista Fungi Plantae Animalia Tuy nhiên, hệ thống phân lo i 5 gi i hiện nay đã l i th i. Ngày nay, sinh học hiện đ i sắp xếp sinh. riêng bao gồm: tính phổ biến (universality), sự tiến hóa (evolution), tính đa dạng (diversity), tính liên tục (continuity), trạng th i cân bằng n i m i và các m i quan hệ hữu cơ (interactions) kinh ngạc ở các đặc i m hình th i, tập tính (behavior) và lịch sử phát triển (life history). Để nghiên cứu một sinh gi i đa dạng như vậy, các nhà sinh học đã nỗ lực phân lo i tất cả các sinh