I. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Sự sống là thuộc tính của cơ thể sống, không phải do lực thần bí nào tạo ra mà được phát sinh và phát triển, tiến hóa trên chính Trái Đất từ quá trình phức tạp hóa các hợp chất của carbon, dưới tác động của các yếu tố tự nhiên qua nhiều giai đoạn nối tiếp nhau. Quá trình phát sinh sự sống gồm các giai đoạn: tiến hóa hóa học, tiến hóa tiền sinh học và tiến hóa sinh học.
A. Tiến hóa hóa học
Giai đoạn tiến hóa hóa học bao gồm quá trình hình thành các đại phân tử tự nhân đôi qua 3 bước: sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ, sự hình thành các đại phân tử từ các hợp chất hữu cơ đơn giản và sự hình thành các đại phân tử tự nhân đôi.
1. Sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản.
– Trong khí quyển nguyên thủy Trái Đất (được hình thành cách đây 4,6 tỉ năm) có chứa các khí như hơi nước, Carbonic, ammoniac và rất ít khí nito… Khí oxi chưa có trong khí quyển nguyên thủy.
– Dưới tác động của nhiều nguồn năng lượng tự nhiên (bức xạ nhiệt của Mặt Trời, phóng điện trong khí quyển, hoạt động của núi lửa, phân rã của các nguyên tố phóng xạ…), các chất vô cơ đã hình thành các hợp chất hữu cơ đơn giản gồm 2 nguyên tó C và H như carbonhydro; những hợp chất hữu cơ gồm 3 nguyên tố C, H, O như saccarid và lipid; những hợp chất hữu cơ 4 nguyên tố C, H, O, N như acid amin và nucleotide là các đơn phân của các chất trùng hợp protein và acid nucleic.
– Sự hình thành các hợp chất hữu cơ từ các hợp chất vô cơ đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Năm 1953, Stanley Miller đã tổng hợp được các chất hữu cơ khác nhau, kể cả các acid amin từ các khí vô cơ (gần giống với khí quyển nguyên thủy) dưới tác động của tia lửa điện. Về sau, nhiều nhà khoa học đã lặp lại thí nghiệm của Miller và đã thu được nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau gồm các saccarid, lipid, 20 acid amin, các nucleotide kể cả ATP. Các nhà khoa học cũng đã tìm thấy các chất hữu cơ trong các đám mây vũ trụ như trong các thiên thạch rơi xuống Trái Đất. Điều này chứng tỏ rằng các chất hữu cơ có thể có nguồn gốc vũ trụ.
2. Sự hình thành các đại phân tử từ các hợp chất hữu cơ đơn giản
– Các chất hữu cơ đơn giản hòa tan trong các đại dương nguyên thủy, trên nền đáy bùn sét của đại dương, chúng có thể được đọng lại và hình thành các chất trùng hợp như protein và acid nucleic.
– Nhiều thực nghiệm đã chứng minh sự trùng hợp ngẫu nhiên của các đơn phân, các acid amin thành các đại phân tử protein trên nền bùn sét nóng.
3. Sự hình thành các đại phân tử tự nhân đôi.
Hiện nay, người ta giả thiết rằng, phân tử tự nhân đôi xuất hiện đầu tiên là acid ribonucleic (ARN). Chúng có thể tự nhân đôi không cần sự tham gia của các enzyme (protein). Nhiều thí nghiệm đã chứng minh rằng các đơn phân nucleotide có thể tự tập hợp để hình thành các đoạn ngắn ARN mà không cần đến enzyme. Hơn nữa, hiện nay trong tế bào, ARN có thể đóng vai trò là chất xúc tác sinh học như enzym (được gọi là ribozym). Trong quá trình tiến hóa đầu tiên, ARN được dùng làm phân tử lưu giữ thông tin di truyền, về sau, chức năng này được chuyển cho ADN, còn chức năng xúc tác được chuyển cho protein và ARN chỉ đóng vai trò phân tử truyền đạt thông tin di truyền như ngày nay.
B. Tiến hóa tiền sinh học
Sự xuất hiện các đại phân tử ARN, ADN cũng như protein chưa thể hiện sự sống. Sự sống chỉ thể hiện khi có sự tương tác của các đại phân tử đó trong 1 tổ chức nhất định là tế bào. Sự xuất hiện các tế bào nguyên thủy – tức là sự tập hợp của các đại phân tử trong 1 hệ thống mở, có màng lipoprotein bao bọc ngăn cách với môi trường ngoài, nhưng có khả năng trao đổi chất với môi trường là bước khởi đầu cần thiết cho sự xuất hiện cơ thể sống đơn bào đầu tiên. Các nhà thực nghiệm cũng đã chứng minh được rằng: Trong 1 hệ như vậy, có thể được hình thành ngẫu nhiên từ các đại phân tử ở dạng các giọt coaxecva hoặc giọt cầu trong phòng thí nghiệm.
C. Tiến hóa sinh học
Từ các tế bào nguyên thủy, dưới tác động của chọn lọc tự nhiên (trên cơ sở đột biến trong gen và chọn lọc của môi trường) sẽ tiến hóa hình thành nên các cơ thể đơn bào đơn giản – tế bào sinh vật nhân sơ cách đây khoảng 3,5 tỉ năm. Từ tế bào nhân sơ tổ tiên sẽ tiến hóa cho ra các dạng cơ thể nhân sơ khác cũng như các dạng cơ thể nhân thực, đầu tiên là đơn bào nhân thực (xuất hiện cách đây khoảng 1,5 – 1,7 tỉ năm), sau đó là đa bào nhân thực (xuất hiện cách đây khoảng 670 triệu năm). Sự tiến hóa sinh học diễn ra cho đến ngày nay và tạo ra toàn bộ sinh giới hiện nay.
II. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Bài 1:
Trình bày quan niệm của Oparin về sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản trong giai đoạn tiến hóa hóa học.
Hướng dẫn giải
Trái Đất hình thành cách đây 4,5 tỉ năm. Trong khí quyển nguyên thủy của Trái Đất chứa các khí như hơi nước, khí cacbônic, khí amôniac, rất ít khí nitơ… và chưa có khí ôxi.
– Do tác động của các nguồn năng lượng tự nhiên gồm bức xạ nhiệt của mặt trời, sự phóng điện qua khí quyển, hoạt động của núi lửa, sự phân rã của các guyên tố phóng xạ… là điều kiện để các nguyên tố nhẹ nổi trên bề mặt thạch quyển như C, H, O, N kết hợp thành các hợp chất vô cơ, sau đó là các hợp chất hữu cơ.
• Sự kết hợp giữa hai nguyên tố C và H tạo ra các hiđrôcacbon.
• Sự kết hợp giữa ba nguyên tố C, H và O tạo ra các hợp chất saccarit và lipit.
• Sự kết hợp giữ 4 nguyên tố C, H, O và N tạo ra các axit amin và nuclêôtit.
– Trong thực nghiệm, Stanley Miller (1953) cho tia lửa điện phóng qua hỗn hợp các chất vô cơ gồm hơi nước, CO2, NH3, CH4 đã tạo ra các axit amin.
– Như vậy, tiến hóa hóa học là giai đoạn tổng hợp chất hữu cơ bằng con đường hóa học. Thực chất của giai đoạn này là sự tiến hóa các hợp chất chứa cacbon theo trình tự: C → CH → CHO → CHON.
Bài 2:
Tại sao nói: Kết thúc giai đoạn tiến hóa tiền sinh học là sự ra đời của các tế bào sống được tiến hóa đến ngày nay?
Hướng dẫn giải
ARN, ADN và prôtêin là thành phần cấu tạo quan trọng của vật thể sống, chưa thể hiện sự sống.
– Sự sống chỉ có thể xuất hiện khi các đại phân tử sinh học nói trên tập hợp trong hệ thông mở, được bao bọc bởi màng lipôprôtêit.
– Thực nghiệm cho thấy từ các hợp chất hữu cơ gọi là côaxecva và đã ngẫu nhiên hình thành màng, có khả năng trao đổi chất và tự tái bản.
Các tế bào nguyên thủy hình thành trong nước, do tác động chọn lọc của tự nhiên hình thành các tế bào dị dưỡng đầu tiên. Cũng do chọn lọc tự nhiên, xuất hiện diệp lục và ra đời phương thức tự dưỡng, sau đó hình thành tầng ôzôn, sự sống phát tán lên cạn và phát triển cho đến nay qua giai đoạn tiến hóa sinh học.