2.1.1 Sự hình thành của đại phân tử sinh học đầu tiên
Các bằng chứng cho thấy rằng sự sống trên Trái Đất đã tồn tại cách đây khoảng 3,7 tỉ năm, với những dấu vết về sự sống cổ nhất được tìm thấy trong các hóa
thạch có tuổi 3,4 tỉ năm. Trong vòng 3 tỉ năm, tất cả các sinh vật là các vi sinh vật, và vi khuẩn và vi khuẩn cổ là các dạng sống chủ yếu trên Trái Đất. Tất cả các dạng sống đã được biết đến có chung các cơ chế phân tử cơ bản, phản ánh sự thành tạo từ cùng nguồn gốc của chúng; dựa trên các quan sát, giả thiết về nguồn gốc của sự sống để tìm ra một cơ chế nhằm giải thích cho sự thình thành của cùng một nguồn gốc trong vũ trụ, từ các phân tử hữu cơ đơn giản ở các dạng sống tiền tế bào đến các tế bào nguyên thủy và có quá trình trao đổi chất.
Có hai học thuyết sự sống bắt nguồn từ mặt biển nguyên thủy cổ đại và sự sống bắt nguồn từ vũ trụ được mang tới trái đất qua các sao băng và sao chổi.
1. Sự sống bắt nguồn từ mặt biển nguyên thủy cổ đại
Thí nghiệm Miller-Urey, và công trình của Sidney Fox, thể hiện các điều kiện của Trái Đất nguyên thủy bao gồm các phản ứng hóa học tổng hợp các axit amin và các hợp chất hữu cơ khác từ các tiền chất vô cơ. Phospholipid được hình thành liên tục từ các lớp lipid kép, một cấu trúc cơ bản của màng tế bào. Các sinh vật sống tổng hợp protein, là các polymer của các axit amim sử dụng các thông tin được mã hóa bởi các ADN. Quá trình tổng hợp protein đòi hỏi các polymer RNA trung gian. Khả năng sự sống bắt đầu như thế nào là từ các gen có nguồn gốc đầu tiên, tiếp theo là bởi các protein; một giả thiết khác là protein có trước và sau đó là gene. [17]
Tuy nhiên, do gen và protein đều là cơ sở để sản xuất qua lại, do đó vấn đề đặt ra là cái nào có trước và cái nào có sau giống như câu chuyện con gà và quả trứng. Hầu hết các nhà khoa học áp dụng giả thiết này vì không chắc rằng gene và protein phát sinh một cách độc lập.
Mặc khác, một khả năng có thể khác đã được Francis Crick đề xuất đầu tiên, rằng lúc đầu sự sống dựa trên RNA, có các đặc điểm giống như DNA trong việc lưu trữ thông tin và các tính chất xúc tác của một số protein.
Giải thích này được gọi là giả thiết trong thế giới RNA, và nó được chứng minh thông qua sự quan sát nhiều thành phần quan trọng nhất của các tế bào (các thành phần của tế bào tiến hóa chậm nhất) được cấu tạo chủ yếu hoặc toàn bộ là RNA. Cũng như những đồng yếu tố (cofactor) (ATP, Acetyl-CoA, NADH,...) là các nucleotid hoặc chất có quan hệ một cách rõ ràng với chúng. Các tính chất xúc tác của RNA vẫn chưa được minh họa khi giả thiết này được đề xuất lần đầu tiên, [29] nhưng chúng đã được Thomas Cech xác nhận năm 1986.
Một vấn đề còn tồn tại của giả thiết thế giới RNA là nó xuất phát từ các tiền chất vô cơ đơn giản thì khó khăn hơn so với từ các phân tử hữu cơ khác. Một lý do để giải thích nó là các tiền thân RNA rất ổn định và phản ứng với nhau một cách rất chậm chạp trong các điều kiện môi trường xung
quanh, và người ta cũng từ đề xuất rằng các sinh vật sống được cấu thành từ các phân tử khác trước khi có RNA.[10] Dù vậy, sự tổng hợp thành công các phân tử RNA nhất định trong các điều kiện môi trường đã từng tồn tại trước khi có sự sống trên Trái Đất đã đạt được bằng cách thêm vào các tiền chất có thể thay thế theo một thứ tự đặc biệt với các tiền chất-phốt phát có mặt trong suốt quá trình phản ứng. Nghiên cứu này làm cho giả thiết thế giới RNA trở nên hợp lý hơn.
Năm 2009, người ta thực hiện các thí nghiệm minh họa tiến hóa Darwin của hệ hai hợp phần gồm các enzyme RNA (ribozymes) trong ống nghiệm.
Công trình được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Gerald Joyce, ông cho rằng "Đây là ví dụ đầu tiên, ngoài sinh học và ngoài thích nghi tiến hóa trong một hệ thống di truyền phân tử."
2. Sự sống bắt nguồn từ vũ trụ
Các phát hiện của NASA năm 2011 dựa trên những nghiên cứu về thiên thạch được phát hiện trên Trái Đất cho thấy rằng các thành phần của RNA và DNA (adenine, guanine và các phân tử hữu cơ liên quan) có thể được hình thành trong không gian bên ngoài Trái Đất.
Sự đa dạng của sự sống trên Trái Đất là kết quả của sự tương tác năng động giữa cơ hội di truyền, khả năng trao đổi chất, những thách thức của môi trường vật lý, [30] và sự cộng sinh. Đối với hầu hết sự tồn tại của nó, các môi trường sống trên Trái Đất bị chiếm lĩnh chủ yếu bởi các vi sinh vật và là môi trường cho quá trình trao đổi chất và tiến hóa của chúng. Hệ quả là, môi trường vật lý-hóa học trên Trái Đất đã và đang thay đổi theo thời gian địa chất, do đó nó ảnh hưởng đến con đường tiến hóa của các sự sống kế tục. Ví dụ, hoạt động quang hợp của vi khuẩn lam thải ra khí oxy gây ra các thay đổi trong môi trường toàn cầu. Vì ôxy là chất độc đối với hầu hết sự sống trên Trái Đất thời buổi đầu. Điều này đặt ra những thách thức tiến hóa mới, và cuối cùng đó là sự hình hành nên các loài động và thực vật trên Trái Đất. Sự tác động qua lại giữa các sinh vật và môi trường là một đặc điểm vốn có của các hệ sống.
Tế bào là đơn vị cơ bản cấu thành nên mỗi cơ thể sống, và tất cả các tế bào phát triển từ những tế bào có trước bằng phương thức phân bào. Học thuyết tế bào được các tác giả Henri Dutrochet, Theodor Schwann, Rudolf Virchow và những người khác đưa ra vào đầu thế kỷ 19, và sau đó được chấp nhận rộng rãi. Hoạt động của các cơ quan phụ thuộc vào tất cả hoạt động của tế bào của chúng, [31] với dòng năng lượng xuất hiện bên trong và giữa chúng. Các tế bào chứa thông tin di truyền chúng truyền tải mã di truyền trong quá trình phân bào.
Quá trình sinh học tổng hợp thành phần tế bào xảy ra trong hai giai đoạn chính.
Trước hết, các hợp chất hóa học trung gian của các trục đường chính của sự trao đổi chất được phân dòng thành các con đường nhỏ dẫn đến sự hình thành của các khối xây dựng, hoặc tiền thân của đại phân tử. Những phản ứng này hoàn toàn phụ thuộc vào chức năng đặc trưng đặc biệt và tốc độ phản ứng của một loạt các enzyme và các protein khác. Trong giai đoạn thứ hai của quá trình tổng hợp, tiền thân của đại phân tử được cấu thành từ hình dạng của một protein, axit nucleic, polysaccharide, hoặc lipid. Thông qua sinh học tổng hợp các đại phân tử nhất định, chủ yếu nhiễm sắc thể DNA và các protein gắn DNA, các thông tin sinh học xác định danh tính của các tế bào, mô, và toàn bộ cơ thể sinh vật được cả hai hoạt động và duy trì.
Tế bào làm cho các polyme sinh học tương đối dễ dàng xem xét để làm như thế nào để ngày nay, vi khuẩn được thiết kế để sản xuất với số lượng rất lớn của các polypeptide tái tổ hợp. Việc tổng hợp abiotic của polyme sinh học cụ thể từ các tiền thân là khá khó khăn! Theo quan điểm vật lý, sự tổng hợp abiotic là khó khăn vì hai monome phải có định hướng không gian bên phải trong cùng một vị trí cùng một lúc, và không có sự xuất hiện của túi gắn kết enzyme để tạo điều kiện cho sự tương tác cụ thể. Sinh tổng hợp theo quan điểm hóa học cũng là khó bởi vì sự va chạm giữa các tiền thân polymer và polymer đang phát triển phải có năng lượng đủ mạnh để vượt qua hàng rào cản năng lượng kích hoạt, và các nhóm hóa chất của enzym thiếu chất xúc tác. Hơn nữa, cơ chế cơ bản của sinh tổng hợp, được gọi là sự khử nước (một phân tử nước bị mất trong gia nhập hai tiểu đơn vị), như vậy cần có sự hiện diện của chất khử nước hoặc chất ngưng tụ (ví dụ, xyanamide). Nói cách khác, có phần nào hạn chế khá nghiêm trọng đối với các điều kiện mà có thể đã hỗ trợ sinh tổng hợp abiotic của các polyme của cuộc sống. Điều này đặc biệt đúng với các enzym, có tính chất xúc tác riêng biệt;
axit polyamino của sinh vật đơn giản không thể là các polyme ngẫu nhiên. Theo quan điểm này, cho thấy rõ ràng nhất là các biopolymers đầu tiên đã xuất hiện vào hàng tỷ năm trước.
2.1.2 Khái niệm đại phân tử sinh học
Đại phân tử là loại phân tử có kích thước rất lớn thường được tạo ra bởi phản ứng trùng hợp của các đơn vị nhỏ hơn (monomer). Các đại phân tử điển hình thường chứa hàng nghìn đến hàng chục nghìn nguyên tử. Đại phân tử hay gặp trong hóa sinh đó là polyme sinh học (biopolymers) (axit nucleic, protein, cacbohydrat và polyphenol) và các phân tử phi polyme lớn (như là lipid và macrocycle). Các đại phân tử tổng hợp thường thấy bao gồm chất dẻo và sợi tổng hợp cũng như các vật liệu trong phòng thí nghiệm như ống nano cacbon.
Có bốn loại phân tử lớn được hình thành từ những con đường giống nhau và chúng hiện diện một cách cân đối trong tất cả các tổ chức sống đó là cacbohidrat, lipit, protein và axit nucleic. Trong bốn loại đại phân tử đó chỉ trừ lipit còn lại chúng là những polime lớn. Cấu tạo lên nhờ các liên kết cộng hóa trị của các phân tử nhỏ hơn gọi là các monome. Những monome này có thể giống hoặc không giống nhau, nhưng chúng luôn có những cấu trúc hóa học tương tự nhau.
Những phân tử cấu tạo nên từ những monomer có khối lượng lớn hơn 1000 dalton thì được gọi là các đại phân tử. Các protein, các polisaccharit và các nucleotit nằm trong các loài phân lử lớn này. Các đại phân tử cũng có thể lắp ráp thông qua tương tác không cộng hóa trị. Ví dụ, hàng ngàn tiểu phân tử gọi là phospholipid lắp ráp không cộng hóa trị thành cấu trúc hai lớp của màng tế bào. Những phân tử lớn này thường thực hiện một vài chức năng kết hợp như: dự trữ năng lượng, cấu trúc, vận chuyển và mang thông tin di truyền, những vai trò của chúng là không loại trừ lẫn nhau, như cả hai loại cacbonhydrat và protein có thể cùng có các vai trò cấu trúc cung cấp và bảo vệ mô tế bào. Chỉ có các axit nuclêic là các phân tử đặc biệt thông tin di truyền và có chức năng như một vật liệu di truyền.
Mang cả hai thông tin di truyền của loài và của cá thể từ bộ gen của cha mẹ truyền cho thế hệ con cháu.
Những chức năng của phân tử lớn có liên quan mật thiết đến hình dạng, cấu trúc cũng như độ dài các tính chất hóa học của các monomer. Nhiều phân tử lớn có cấu trúc hình cầu, với cấu trúc bề mặt đặc biệt giúp chúng có thể tan trong nước và chúng có thể phản ứng với các phân tử khác. Các phân tử protein và các cacbonhydrat có cấu tạo mạch dài và dạng hệ sợi chính vì thế chúng tham gia đắc lực vào cấu trúc của các tổ chức cơ quan tạo lên sự sự vững chắc cho các tổ chức cơ quan này.