1.1. Sự hình thành Trái Đất và khí quyển
Vũ trụ có lẽ đã có hàng chục tỷ năm. Mặt Trời và các hành tinh, trong đó có Trái Đất đã được hình thành cách đây khoảng 4,5 đến 5 tỷ năm. Sự ngưng kết bụi vũ trụ tạo thành Trái Đất với các lớp khác nhau. Ban đầu, Trái Đất có nhiệt độ rất cao và ở thể lỏng. Sắt và niken chuyển vào phía tâm, những chất nhẹ hơn ở gần bề mặt. Tuy nhiên, ban đầu trường hấp dẫn của Trái Đất còn rất bé cho nên các khí cuối cùng đã thoát vào khoảng không vũ trụ và chỉ còn một quả cầu đá, không có biển, cũng không có khí.
Nhưng rồi cùng với thời gian, sức hút của trọng lực cùng với sự phân rã phóng xạ đã tạo nên một lượng nhiệt lớn và trong lòng Trái Đất trở nên nóng chảy. Do đó đã tạo nên một lõi sắt và niken, lớp vỏ dày khoảng 4.700 km gồm silicate nặng của sắt, magie và một lớp vỏ ngoài dày từ 8 – 65 km gồm chủ yếu là các silicate nhẹ. Do nhiệt trong lòng đất tăng lên làm thoát ra ngoài các khí khác nhau từ hoạt động của núi lửa. Những khí này tạo thành khí quyển của Trái Đất.
127
Khí quyển ban đầu không có oxy tự do. Có hai mô hình về thành phần khí quyển ban đầu và đều phù hợp với giả thiết hiện nay về nguồn gốc và sự sống.
Theo Oparin, khí quyển ban đầu rất ít ỏi, chủ yếu là H2, một ít nitơ ở dạng NH3, oxy ở dạng hơi nước và carbon có thể ở dạng CH4.
Mô hình thứ hai cho rằng khí quyển ban đầu do núi lửa phun ra như H2O, CO, CO2, N2, H2S và H2.
Hỗn hợp khí đó dễ hình thành nên hydro cyanid (HCN). Như vậy, cả hai mô hình đều cho rằng khí quyển ban đầu không chứa oxy tự do.
Thoạt đầu, nước của khí quyển ở dạng hơi, rồi ngưng tụ lại tạo nên những trận mưa lớn. Sông suối hình thành, hoà tan và cuốn theo các muối khoáng (như sắt và urani) tích tụ dần trong biển cả. Khí trong khí quyển cũng có thể bị hoà tan trong nước mưa vào đại dương. Oxy tự do có thể được hình thành trong khí quyển do sự hoà tan các ion tự do trong nước biển.
1.2. Sự hình thành các phân tử hữu cơ nhỏ bé đến tế bào
Phóng xạ tia cực tím, chớp và nhiệt đã cung cấp năng lượng để liên kết tổng hợp nên các chất hữu cơ đơn giản. Thực nghiệm của Stanley L. Miller đã xác định giả thiết từng bước phát sinh sự sống trên Trái Đất của Oparin là đúng. Miller đã thực nghiệm với các khí có thể có trong khí quyển ban đầu của Trái Đất với lượng khá lớn. Dùng năng lượng bằng cách phóng tia cực tím tác động lên hỗn hợp khí amoniac, metan, hydro và nước trong một thiết bị hoàn toàn kín, trong thời gian một tuần đã tổng hợp được những chất hữu cơ quan trọng như các amino acid; các chất khác như urea, hydro cyanid, acid acetic, acid lactic. Nguồn năng lượng như thế trong khí quyển ban đầu không thiếu cho nên những chất hữu cơ đơn giản ban đầu đã được tổng hợp. Sự tích lũy các phân tử hữu cơ đó trên Trái Đất mà không bị phân huỷ có thể là do chưa có các vi sinh vật và oxy tự do trong khí quyển. Do vậy, nhiều hợp chất này được tích lũy dần trong biển hàng triệu năm mà không bị phân hủy do oxy hoá hay bị phân rã.
Từ sau năm 1955 đã có nhiều nghiên cứu dùng hỗn hợp các khí đặc trưng của núi lửa với hydro cyanid đạt được kết quả dương tính. Đáng chú ý là các acid amin dễ dàng tổng hợp được trong thực nghiệm ở điều kiện vô sinh.
Từ đó đã hình thành các chất trùng hợp. Các chất trùng hợp đã được hình thành như thế nào trong các đại dương cổ xưa cũng chỉ mới dừng lại ở các giả thiết. Một số nhà
128
nghiên cứu cho rằng, sự phong phú của các chất hữu cơ trong biển là quá đủ để thay đổi các liên kết giữa các phân tử đơn giản và trải qua hàng triệu năm hình thành nên những lượng tương đối các đại phân tử. Một số khác lại cho rằng, các cơ chế làm đông đặc cũng có thể làm tăng tốc độ của các phản ứng hoá học là yếu tố cần thiết để trùng hợp các phân tử thành các chất trùng hợp. Quá trình đó đã hình thành các tổ hợp phân tử và các tế bào nguyên thuỷ.
Oparin cho rằng, ở những điều kiện thích hợp của nhiệt độ, thành phần các ion, pH, trạng thái keo của các phân tử đưa đến sự hình thành nên các giọt coaxecva. Đó là nhân của các phân tử lớn được bao quanh bởi một vỏ bọc các phân tử nước. Các giọt đó có cấu trúc bên trong xác định và có thể hấp thụ vật chất một cách chọn lọc. Cũng như Oparin, Sydney W. Fox cho rằng, các hệ thống trước sinh vật (prebionts) dẫn tới sự phát triển những tế bào đầu tiên như những tiểu cầu dạng protein mang nhiều tính chất của tế bào sống. Số lượng các hệ thống trước sinh vật có thể đã sinh ra ở biển. Một số có thể chứa những tổ hợp nguyên liệu thích hợp và lớn lên về kích thước. Những giọt nhỏ mới cũng có thể được hình thành từng giai đoạn.
Bằng cách nào đó các chuỗi nucleotide trong các acid nucleic được mã hoá thành các chuỗi acid amin trong phân tử protein và sự phiên mã, dịch mã được tiến hành. Hệ thống kiểm tra di truyền tạo khả năng sao chép và kiểm tra chính xác hơn các phản ứng hoá học xảy ra bên trong những giọt nước nhỏ đó.
Những giọt đó với các đặc tính riêng đã phát triển thành những acid nucleic trong các tế bào đầu tiên. Những tế bào đầu tiên đó là tự do và có khả năng tự sao chép. Những tế bào đó gọi là Prokaryote.
1.3. Tiến hóa của sự tự dưỡng
Những cơ thể sống đầu tiên là những cơ thể dị dưỡng, nhận năng lượng từ những chất dinh dưỡng có sẵn trong đại dương do các chất hữu cơ bị oxy hoá. Khi các chất dinh dưỡng cạn dần gây nên sự cạnh tranh giữa các sinh vật tăng. Sự chọn lọc tự nhiên tạo cho bất cứ biến dị nào tăng khả năng tìm kiếm và chế biến thức ăn của sinh vật. Đồng thời, các phản ứng sinh hoá khác nhau tiến triển làm cho sinh vật sử dụng được các thức ăn khác nhau. Dạng đầu tiên của sự chuyển hoá ATP rất có thể là sự lên men.
129
Vì các sinh vật đã sử dụng hết các chất dinh dưỡng tự do nên một số lớn trong chúng tiến tới khả năng sử dụng nguồn năng lượng khác - năng lượng Mặt Trời. Đầu tiên có thể là quang phosphoryl hoá theo vòng rồi sau đó mới đến quang phosphoryl hoá không vòng. Từ thời điểm này trở đi, sự sống trên Trái Đất phụ thuộc vào hoạt động của các sinh vật tự dưỡng quang hợp. Khí oxy được thải ra do quang hợp đã làm thay đổi khí quyển đến một khí quyển có oxy hoá. O2 tự do đủ làm cho các sinh vật có thể tiến tới sự hô hấp hiếu khí có hiệu quả. Oxy cũng tạo nên một lớp ozon ở tầng trên của khí quyển, ngăn cản các phóng xạ cực tím xuống bề mặt Trái Đất, tạo điều kiện cho các sinh vật chuyển lên đời sống ở cạn.
1.4. Sự tiến hóa của tế bào nhân thật
Dù cho Eukaryote có cấu trúc phức tạp hơn và xuất hiện muộn hơn nhiều, nhưng cả hai nhóm Eukaryote và Prokaryote giống nhau bởi nhiều hướng sinh hoá quan trọng. Nổi bật nhất là đường phân (glycolysis) và phản ứng ánh sáng của quang hợp. Vì vậy, người ta đưa ra thuyết cộng sinh. Theo thuyết này, các cơ quan nhỏ của tế bào như ty thể, lục lạp, lông, roi và trung tử ở mọi lúc, mọi nơi đều là các cơ thể Prokaryote độc lập mà chúng bị lấn át bởi các tế bào lớn hơn và chúng tiếp tục sống sót bên trong tế bào chất, các tế bào đó như một thành phần quan trọng của chúng. Cũng vì thế mà chúng có hoạt động riêng biệt. ủng hộ cho lý thuyết đó người ta tìm thấy ty thể giống với vi khuẩn hiếu khí về kích thước và cấu trúc, còn lục lạp rất giống với một vài loại cơ thể Prokaryote quang hợp như vi khuẩn lam.
Chẳng hạn, cả ty thể và lục lạp có DNA riêng của chúng và có dạng vòng tròn giống như ở Prokaryote. Thậm chí ở tế bào người, các cơ quan tử đó có ribosom riêng, các ribosom này nhỏ hơn và hoàn toàn tách biệt với phần còn lại của tế bào chất. Các cơ quan tử này đã sinh ra các protein riêng của mình và sinh sản độc lập với tế bào chủ.
Nhiều đặc tính cấu trúc tế bào về sinh học phân tử đã chỉ rõ ty thể và lục lạp có nhiều nét chung với sinh vật không nhân sống tự do và cho rằng lục lạp có thể đã xuất hiện từ khuẩn lam, còn ty thể thì từ các vi khuẩn hiếu khí.
Sau đây là một số điểm vắn tắt trong giả thiết trên:
- Cả ty thể và lục lạp đều có chứa ribosom riêng và nhiễm sắc thể riêng. Nhiễm sắc thể mã hoá DNA ribosom và protein ribosom của chúng và cho một số enzyme. Cả ty thể và lục lạp đều có màng riêng.
130
- Các nhiễm sắc thể bào quan cũng giống với nhiễm sắc thể của Prokaryote, cuộn vòng và không có màng nhân.
- Tổ chức bên trong của các gene bào quan cũng giống các gene của Prokaryote nhưng lại rất khác với Eukaryote.
- Ribosom của ty thể và lục lạp giống với ribosom của Prokaryote hơn là của Eukaryote.
- Nhiều vi khuẩn quang hợp ngày nay sống trong các vật chủ Eukaryote, cung cấp chất dinh dưỡng cho vật chủ và lại được che chở. Cũng vậy, một số vi khuẩn không quang hợp sống cộng sinh trong các cơ thể Eukaryote, lấy năng lượng từ chất dinh dưỡng mà vật chủ của nó không chuyển hoá được.
Qua những điểm tóm tắt trên ta thấy vi khuẩn hiếu khí đã bị thực bào cách đây 1,5 tỷ năm, chịu đựng sự tiêu hoá, sống chung bên trong cùng vật chủ và phân chia riêng rẽ. Về sau, một số gene của vật cộng sinh đã chuyển vào nhân tế bào chủ. Từ đấy, mọi sinh vật khác đã tiến hoá. Sau đó, vi khuẩn quang hợp (có thể là Cyanobacteria hay vẫn được gọi là "tảo" lam) đã làm như vậy và tạo sự tiến hoá cho giới thực vật.