Từ khi Trỏi Đất được hỡnh thành thỡ quỏ trỡnh tổng hợp và phõn huỷ cỏc chất bằng con đường hoỏ học cũng diễn ra với tờn gọi là "vũng đại tuần hoàn địa chất". Bản chất của vũng tuần hoàn này là một quỏ trỡnh phong hoỏ đỏ dưới tỏc động của nước, khụng khớ và nhiệt độ. Quỏ trỡnh này xảy ra trờn quy mụ lớn nhưng rất chậm chạp, nờn vật
chất tạo ra khụng nhiều, nhưng điều quan trọng là tạo tiền đề để sự sống ra đời nhờ cỏc khoỏng, đỏ đó trở nờn tơi xốp, giàu cỏc chất dinh dưỡng ở dạng dễ tiờu, sinh vật dễ hấp thụ.
Vào thời kỳ tiền Cambri, những sinh vật đơn bào đầu tiờn đó xuất hiện và song song với vũng đại tuần hoàn địa chất là sự ra đời của "Vũng tiểu tuần hoàn sinh học". Sinh quyển ra đời và tiến hoỏ dưới ảnh hưởng của 2 nhúm yếu tố:
- Yếu tố bờn ngoài: Điều kiện mụi trường thay đổi, cỏc biến cố thiờn nhiờn và biến đổi địa lý.
- Yếu tố bờn trong: Sự thay đổi của cỏc thành phần sinh vật bờn trong cỏc HST.
Bằng con đường chọn lọc tự nhiờn và đột biến trong điều kiện mụi trường thay đổi, nhiều loài bị mất đi, nhiều loài khỏc lại cú cơ hội phỏt triển và xuất hiện thờm nhiều loài mới. Dần dần thực vật quang hợp xuất hiện, đỏnh dấu "bước ngoặt" quan trọng trờn Trỏi Đất về phương diện biến đổi vật chất. Mối quan hệ giữa 2 vũng tuần hoàn được minh hoạ ở hỡnh 12.
Hỡnh 12. Quan hệ giữa vũng đại tuần hoàn địa chất và vũng tiểu tuần hoàn sinh học
Cũng từ thời điểm này, sinh vật tiến hoỏ một cỏch mạnh mẽ, sức sản xuất tăng lờn gấp bội, cung cấp đủ và dư thừa thức ăn cho nhiều loài khỏc.
Quỏ trỡnh tổng hợp cỏc chất được tiến hành bằng 2 phương thức: Quang hợp và tổng hợp.
a. Quỏ trỡnh quang hợp.
Những cõy xanh sống trờn Trỏi Đất cú khả năng quang hợp, mỗi năm sản xuất ra khoảng 100 tỷ tấn chất hữu cơ để nuụi sống những nhúm sinh vật khỏc. Trong quang hợp, diệp lục (Chlorophyl) đúng vai trũ như một chất xỳc tỏc, giỳp cõy xanh sử dụng được năng lượng Mặt Trời và biến đổi Cacbon dioxit (CO2) và nước thành Cacbon hydrat và thải ra khớ O2 phõn tử theo phương trỡnh (1) và (2)
(1)
Cacbon dioxit (CO2) chứa khoảng 0,03% trong khớ quyển, trong quỏ trỡnh quang hợp, thực vật chuyển đổi CO2 từ khụng khớ và cố định hoặc đớnh kết nú vào những hợp chất hoỏ học phức tạp như đường (glucoza) chẳng hạn:
(2)
Như vậy, quang hợp đó chuyển hoỏ CO2 từ mụi trường khụng sống vào trong những hợp chất sinh học của cõy xanh và ở bất cứ đõu, nếu cú cõy xanh, cú ỏnh sỏng Mặt Trời, nước, CO2 và cỏc chất khoỏng thỡ ở đú cú quỏ trỡnh quang hợp, cú nguồn thức ăn sơ cấp dồi dào được tạo thành. Ở nơi nào cú thành phần cõy xanh phong phỳ, ỏnh sỏng nhiều, muối khoỏng giàu cú, nơi đú sức sản xuất càng lớn. Rừng ẩm nhiệt đới, cỏc rạn san hụ, cỏc vựng cửa sụng,... là những minh chứng hựng hồn cho nhận định này.
Cỏc hợp chất sinh học thường được sử dụng như là nhiờn liệu cho hụ hấp tế bào ở cõy xanh theo phương trỡnh:
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 6CO2 + 12H2O + Năng lượng Và như vậy, CO2 lại trở lại khớ quyển qua quỏ trỡnh hụ hấp tế bào.
* Quang hợp của vi khuẩn.
Những vi khuẩn cú màu đều cú khả năng tiếp nhận năng lượng ỏnh sỏng Mặt Trời để thực hiện quỏ trỡnh quang hợp. Vi khuẩn quang hợp chủ yếu sống trong mụi trường nước (nước ngọt và nước mặn). Chỳng thường đúng vai trũ khụng đỏng kể trong việc sản xuất nguồn thức ăn sơ cấp, song chỳng lại cú thể hoạt động trong những điều kiện khụng thớch hợp đối với cỏc loài cõy khỏc.
Trong quỏ trỡnh quang hợp, chất bị ụxi hoỏ (chất cho điện tử) khụng phải là nước mà là những chất vụ cơ chứa lưu huỳnh như hydro sunphua (H2S), với sự tham gia của vi khuẩn lưu huỳnh xanh và đỏ (chlorobacteriaceae và Thiorhodaceae), hoặc cỏc hợp
CO2 + 2H2O Năng lượng CH2O + H2O + O2
Mặt Trời
6CO2 + 12H2O Năng lượng C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
chất vụ cơ với sự tham gia của cỏc nhúm vi khuẩn khụng chứa lưu huỳnh đỏ và nõu (Athiorhodaceae) thỡ quỏ trỡnh đú khụng giải phúng ụxy phõn tử.
Từ những vớ dụ trờn, cụng thức quang hợp cú thể viết dưới dạng tổng quỏt là:
Ở đõy, chất khử (hay chất bị ụxy hoỏ) là chất H2A cho điện tử, cú thể là nước hoặc cỏc chất vụ cơ chứa lưu huỳnh, cũn A cú thể là ụxy phõn tử hay lưu huỳnh nguyờn tố.
b. Quỏ trỡnh hụ hấp
Hụ hấp là tập hợp cỏc phản ứng biểu diễn quỏ trỡnh chuyển húa năng lượng sống bờn trong cơ thể sinh vật và sinh quyển nhờ kết hợp với oxy của khớ quyển. Cú thể chia hụ hấp thành ba loại:
- Hụ hấp bằng oxy của khụng khớ hoặc sự thở của động thực vật trong khớ quyển. Trong quỏ trỡnh này, hydrocacbon, mỡ, protein bị oxy húa để giải phúng năng lượng cung cấp cho hoạt động sống của sinh vật. Theo sự tớnh toỏn thỡ lượng oxy giải phúng từ quỏ trỡnh quang hợp lớn hơn lượng oxy cần để thở từ 20 -30 lần. Thụng thường thành phần khụng khớ hớt vào phổi người chứa 21% oxy và 0,03% CO2, cũn khụng khớ lỳc thở ra cú thành phần 16% oxy và 4% CO2. Mỗi ngày 1 người tạo ra khoảng 0,5m3 khớ CO2. Thực vật hụ hấp để tạo ra năng lượng sống, cường độ hụ hấp của thực vật thường tập trung vào ban đờm.
- Lờn men là quỏ trỡnh phõn hủy của vật chất hữu cơ dưới tỏc dụng của cỏc vi khuẩn. Trong quỏ trỡnh này cỏc phõn tử đường glucozo biến đổi thành rượu và giải phúng CO2:
- Phõn hủy yếm khớ là một dạng khỏc của quỏ trỡnh hụ hấp, ở đú nhờ cỏc vi khuẩn, vật chất hữu cơ biến đổi thành cỏc chất vụ cơ đơn giản ban đầu như NH4+, CO2, CH4,..
Như vậy, quang hợp và hụ hấp là hai khớa cạnh khỏc nhau của quỏ trỡnh chuyển húa năng lượng. Dưới gúc độ nhiệt động học, quang hợp là quỏ trỡnh tạo ra cỏc hợp chất trật tự từ cỏc hợp chất đơn giản. Đõy là quỏ trỡnh khụng tự diễn biến mà được
C6H12O6 Men 2(C2H5OH) + 2CO2 CO2 + H2S Năng lượng (CH2O) + H2O + 2S
Mặt Trời
CO2 + 2H2A Năng lượng (CH2O) + H2O + 2A
thực hiện dưới tỏc động của ASMT. Trong khi đú hụ hấp là quỏ trỡnh phõn hủy hợp chất từ phức tạp đến đơn giản. Đõy là quỏ trỡnh tự diễn ra, khụng cần bổ sung năng lượng từ bờn ngoài.
Quang hợp và hụ hấp thực hiện một vũng chuyển húa khộp kớn năng lượng trong sinh vật và sinh quyển. Chỳng tạo ra và duy trỡ cỏc điều kiện mụi trường bỡnh thường của trỏi đất.
c. Quỏ trỡnh tổng hợp
Quỏ trỡnh tổng hợp với sự tham gia của một số nhúm vi khuẩn khụng cần ỏnh sỏng Mặt Trời, song lại cần ụxy để ụxy hoỏ cỏc chất. Cỏc vi khuẩn hoỏ tổng hợp lấy năng lượng từ phản ứng ụxy hoỏ cỏc hợp chất vụ cơ để chuyển CO2 vào trong thành phần của chất tế bào. Những hợp chất vụ cơ đơn giản trong hoỏ tổng hợp được biến đổi. Vớ dụ, amoniac thành nitrat trong quỏ trỡnh nitrat hoỏ; sunphit thành lưu huỳnh; sắt hai thành sắt ba,... với sự tham gia của cỏc nhúm vi khuẩn Beggiatoa (ở nơi giàu sunphat) và Azotobacter,...
Vi khuẩn hoỏ tổng hợp chủ yếu tham gia vào việc sử dụng lại cỏc hợp chất cacbon hữu cơ chứ khụng tham gia vào việc tạo nguồn thức ăn sơ cấp. Núi cỏch khỏc, chỳng sống nhờ vào những sản phẩm phõn huỷ của cỏc chất hữu cơ được tạo ra bởi quỏ trỡnh quang hợp của cõy xanh hay vi khuẩn quang hợp khỏc.
Phần lớn thực vật bậc cao (thực vật cú hạt) và nhiều loài tảo chỉ sử dụng những chất vụ cơ đơn giản để sinh sống nờn chỳng là những sinh vật hoàn toàn tự dưỡng (Autotrophy), song một số ớt loài tảo lại cần chất hữu cơ tương đối phức tạp để tăng trưởng do chỳng khụng cú khả năng tổng hợp. Những loài khỏc lại cần 2 hoặc 3 hoặc nhiều chất tăng trưởng như thế. Do đú, chỳng là những sinh vật dị dưỡng một phần (Heterotrophy). Những loài đứng ở vị trớ trung gian giữa sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng thường được gọi là sinh vật "nửa tự dưỡng".
Tất nhiờn, trong phạm vi rộng của sự tiến hoỏ, người ta chia sinh vật ra thành 2 dạng chớnh liờn quan tới đặc điểm dinh dưỡng: Sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng, cũn cỏc dạng trung gian khỏc, tuy cũng cú những giỏ trị nhất định trong sinh giới, song chỳng khụng đặc trưng, khụng phổ biến.