MỞ ĐẦU Ngành khoa học sinh vật đại đương đầu với câu hỏi: sống bắt nguồn từ đâu? Nghiên cứu nguồn gốc sống lĩnh vực biết đến hạn chế, hầu hết hiểu biết người môn sinh học giới tự nhiên dựa điều Vậy sống bắt nguồn từ đâu? Câu hỏi nguồn gốc sống hình thành loài có nhiều cách trả lời tùy quan điểm tôn giáo, triết học, thần thoại Các quan điểm nầy cho nguồn gốc sống nhân tố bên thiên nhiên, đấng sáng tạo Sự đa dạng loài kết phân ly, giải phóng đấng sáng tạo Mãi tới hậu kỷ 19 có giải thích có sở khoa học (có thể thử nghiệm được) nguồn gốc sống Trong nội dung tiểu luận này, xin đề cập đến số nội dung liên quan đến nguồn gốc sống, là: Thuyết Oparin-Haldane nguồn gốc sống Chứng minh giới sinh vật ngày có nguồn gốc từ giới vô cơ, kết trình tiến hóa hóa học hàng triệu năm Trái Đất CHƯƠNG THUYẾT OPARIN - HADAL VỀ NGUỒN GỐC SỰ SỐNG 1.1 Giả thuyết Oparin - Hadal nguồn gốc sống Aleksandr Oparin (1924) John Haldane (1929) độc lập nghiên cứu đưa giả thuyết nguồn gốc sống Nội dung chủ yếu gồm: + Tất sinh vật trái đất tạo từ số chất sở ban đầu xuất cách 4-5 tỉ năm Chính xác 4.7 năm Các chất phân tử sinh học nguyên thủy bao gồm: CH4, H2O, H2, NH3 Đây phân tử nguyên thủy tạo nên (chất hữu hợp chất C dẫn xuất nó) sống + Thông qua lượng vũ trụ bao gồm tia lửa điện, tia tử ngoại, phân rã nguyên tố phóng xạ, lượng lòng đất thoát từ núi lửa từ chất vô hình thành hợp chất hữu đơn giản gồm hai nguyên tố C H (cacbonhydro) đến hợp chất gồm ba nguyên tố C, H, O saccarit, lipit Sau đến hợp chất hữu bốn nguyên tố C, H, O, N axit amin, nucleotit Từ axit amin hình thành nên phân tử protein đơn giản, đến phân tử protein phức tạp, từ nucleotit hình thành nên axit nucleic Càng trở nên phức tạp hợp chất nặng, chúng theo trận mưa ròng rã hàng ngàn năm rơi xuống biển + Qua hàng triệu năm, chúng đặc quánh biển nguyên thủy trở thành biển chứa đầy hợp chất hữu chất khoáng Người ta gọi biển nguyên thủy “một nồi súp” đậm đặc hợp chất hữu Quan điểm khai thông điều “Hợp chất hữu thể sống tạo mà tự nhiên tạo nên” + Chọn lọc tự nhiên phát huy tác dụng, tác động theo hướng là: Những chất hữu có khả kết hợp với vững tạo nên phân tử lớn tiếp tục tồn phát triển để trở thành cấu trúc sống Khởi nguồn cho trình tiến hóa tiến hóa tiền sinh học tiến hóa sinh học  Đây nguồn gốc hóa học toàn sinh giới ngày 1.2 Thí nghiệm Urey-Miller số nhà khoa học khác chứng minh thuyết Oparin- Hadal Làm biết tia tử ngoại, phóng điện, sức nóng hay phối hợp nguồn gây phản ứng tạo nên hợp chất hữu phức tạp? Stanley L Miller, sinh viên sau đại học, hướng dẫn Harold C Urey đại học Chicago trả lời câu hỏi năm 1953 Thí nghiệm chứng minh số bước giả thuyết Oparin Điều mở bước ngoặt việc tìm hiểu cội nguồn sống Thí nghiệm Miler năm 1953 Thí nghiệm gồm bình chứa nước (mô nước biển) với hỗn hợp khí CH4, NH3, H2, đun nóng bình đến xảy tượng hóa dẫn vào bình thứ hai phóng tia lửa điện liên tục (mô sấm sét) Hỗn hợp khí làm lạnh, ngưng tụ lại (mô tượng Trái Đất nguội dần) dẫn ngược trở lại vào bình để tiếp tục chu trình Trong vòng giờ, nước bình chuyển sang màu cam Sau tuần, họ quan sát thấy 15% cacbon chuyển thành hợp chất hữu Sau vài tuần, chất lỏng bình trở nên sẩm màu chuyển thành màu nâu thẫm Khi phân tích chất này, Miller Urey phát lượng lớn acid amin (amino acid) chứa nó, thành phần quan trọng cấu trúc khối vật chất sống urê, HCN, acid acetic, acid lactic Ðể loại bỏ khả vi khuẩn nhiểm hỗn hợp tổng hợp hợp chất, ông lặp lại thí nghiệm không cho phóng điện, suất lại ý nghĩa Trong thí nghiệm khác, Miller chuẩn bị thiết bị với hỗn hợp khí bên đem khử trùng 130o C 18 trước phóng điện, suất hợp chất tạo lần nầy giống thí nghiệm ban đầu; nhiều hợp chất phức tạp tạo Thí nghiệm Miller chứng kết luận bước mà Oparin đặt giả thiết thật xảy Kế tiếp thí nghiệm Joan Oros I Florensa (NASA, 1959-1962) cho biết tổng hợp chất nucleobase adenine, thành phần cấu tạo nucleic acids phân tử ATP GTP, cách đun nóng dung dịch ammonium cyanide Để chứng minh điều kiện băng giá tổng hợp striazines, pyrimidines (gồm cytosine uracil), adenine từ dung dịch urea cho dung dịch qua nhiều chu kỳ kết đông nước đá cho tan (freeze-thaw cycles) điều kiện không khí khử với tia lửa điện Trong thập niên 1950s 1960s, thí nghiệm Sidney W Fox cho thấy chất peptide cấu tạo ngẫu nhiên điều kiện môi trường tương tự thời Hadean Archean cách 2,5 tỷ năm Ông chứng minh amino acids kết hợp ngẫu nhiên tạo thành peptides Các amino acids peptides kết hợp lại thành màng hình cầu, tương tự màng tế bào (cell membrane) sinh vật ngày Năm 2001, Jason Dworkin cho dung dịch đông lạnh gồm nước, methanol, ammonia carbon monoxide với tia tử ngoại UV Phản ứng cho số lượng đáng kể chất hữu cơ, chất kết hợp lại thành bong bóng hay có hình sợi nước Ông cho màng bong bóng giống màng tế bào chứa chất sống Các bong bóng có kích thước từ 10 đến 40 µ, kích thước hồng huyết cầu Đặc biệt bong bóng phát quang (fluorescence) tiếp xúc với UV Ông cho bong bóng phát quang mẫu mực quang tổng hợp thời cổ đại Năm 2004, mhóm Leslie Orgel, thành công tỗng hợp chất Purine môi trường băng giá từ hydrogen cyanide Tất thí nghiệm sử dụng tia lửa điện nguồn lượng, bắt trước sấm sét hay tia hồng tử ngoại Ngược lại, Gunster Wächtershäuser, thập niên 1980s, sử dụng lượng hóa học từ sulphides sắt, Pyrite Năng lượng tổng hợp phân tử hữu mà tạo oligomers polymers Thí nghiệm sản xuất dipeptides (0.4 đến 12.4%) tripeptides (0.1%) Mới khám phá vi khuẩn Methanosarcina acetivorans đáy biển Vi khuẩn thời cổ đại hấp thụ carbon monoxide nhả methane acetate James Ferry Christopher House Đại học Penn State University khám phá thêm vi khuẩn lấy lượng từ phản ứng acetate sulphide sắt nhờ amino acids đơn giản, khác với sư cần tới 10 amino acids Christof Biebricher, năm 2008, thành công việc tạo RNA chứa 400 bases từ mẫu RNA thiên nhiên điều kiện băng giá Mẫu RNA tăng trưởng bao quanh RNA thiên nhiên Nhóm nghiên cứu Đại Học Harvard, năm 2008, cho biết nghiên cứu việc tạo tế bào nhân tạo Nhóm nghiên cứu cho trộn vài acid béo (fatty acids) với DNA (thiên nhiên) ống nghiệm, kết cho thấy thành lập khối DNA chứa nhiều thông tin di truyền Nếu thêm vào nucleotides (thiên nhiên) nucleotides chạy vào DNA tự chia đôi (replicate) vòng ngày Tuy nhiên, thí nghiệm tạo DNA phải dựa vào DNA nucleotides thiên nhiên trích từ nhiễm thể Cho tới nay, chưa có khoa học gia tạo tế bào nhân tạo, RNA hay DNA nhân tạo Năm 2009, Sutherland nhóm nghiên cứu thuộc Đại Học Manchester (Anh quốc) thành công tổng hợp khối cấu tạo RNA số khối RNA, nhóm ông tin tưởng thành công tổng hợp RNA nhân tạo từ dung dịch hóa học Một tổng hợp RNA nhân tạo không khó việc tổng hợp DNA nhân tạo, dựa theo nghiên cứu nhóm Harvard, tổng hợp thành tế bào nhân tạo tầm tay Một cách tổng quát, giả thuyết cho nhờ lượng hỏa diệm sơn, sấm sét, tia tử ngoại tổng hợp khí thời nguyên thủy thành chất hữu đơn giản (monomers) amino acids, nucleobases, chất đơn giản tổng hợp thành chất phức tạp (polymers) Chất sét giàu sắt (iron-rch clays) nơi phân tử hữu phức tạp tập trung cô đọng đậm đặc, trở nên có khả sinh sôi nảy nở cách tách đôi (replicate) Khối sét hấp thụ carbon dioxide biến thành oxalic dicarboxylic acids khác Trong suối nước nóng giàu chất sulphides, khối mang chất sống có khả định khí Nitrogen Phosphate hấp thụ tạo thành nucleotides phospholipids Đó giả thuyết giải thích tiến trình tiến tới thành lập tế bào sinh vật đơn bào Sinh vật sống dị dưởng (heterotroph), tự dưỡng (autotrophic) hay cộng sinh (symbiosis) Sinh vật ký sinh (parasites) xuất sau Trong giả thuyết “Nước soup Nguyên Thủy - primordial soup” sống bắt nguồn nước như: đại dương, biển, bờ biển, hồ nước, hay mặt đất nơi có nước.Tuy nhiên, Gold, thập niên 1970s, đưa giả thuyết sống bắt đầu môi trường nóng vỏ Trái đất, không mặt đất mà độ sâu vài km mặt đất Ở cuối thập niên 1990s, người ta khám phá số vi sinh vật nhỏ vi trùng có cấu tạo DNA lớp đá sâu lòng đất Ngày nay, NASA khám phá thêm thấy dấu vết vi khuẩn hóa thạch thời nguyên thủy archaea có nhiều lòng đất, địa cầu mà thấy nhiều hành tinh khác CHƯƠNG THẾ GIỚI SINH VẬT NGÀY NAY CÓ NGUỒN GỐC TỪ THẾ GIỚI VÔ CƠ, LÀ KẾT QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH TIẾN HÓA HÓA HỌC HÀNG NGÀN TRIỆU NĂM TRÊN TRÁI ĐẤT 2.1 Nguyên tố sinh học Trong giới vật chất có khoảng 111 nguyên tố hóa học (tính đến 2010) Trong có 92 nguyên tố tìm thấy tự nhiên, số lại tạo phương pháp nhân tạo Trong đó, có khoảng 60 nguyên tố có tất thể sống Trong 60 nguyên tố đó, có nguyên tố vô hạn, ngẫu nhiên, có khoảng 25-30 nguyên tố cần thiết gọi nguyên tố sinh học Trong có nguyên tố phổ biến (chiếm 98,8% khối lượng sống người trưởng thành) Đó nguyên tố: C, H, O, N, P, Ca O: 65% (nhiều nhất), C: 18,5%, H: 9,5%, N:3,3%, Ca:1,5%, P:1% Còn lại 1,2% nguyên tố khác có vai trò quan trọng hàm lượng thấp hơn, chia thành loại: - Đa lượng:những yếu tố hay nguyên tố đa lượng, có hàm lượng ≥ 0,01%: K (0,4%), S (0,3%), Cl(0,2%), Na (0,2%), Mg (0,1%) - Vi lượng:những yếu tố hay nguyên tố vi lượng, có hàm lượng