CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG SINH HỌC TẾ BÀO I. Nguồn gốc sự sống 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 4.700km gồm silicat nặng của sắt magie và một lớp vỏ ngoài dày từ 8 - 65km gồm chủ yếu là các silicat 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. 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 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 H20, CO, C02, N2, H2S và H2. Hỗn hợp khí đó dễ hình thành nên hydro cyanid (HCN).
Như vậy, cả hai mô hình để̀ u cho rằng khí quyển ban đầu không có chứa oxy tự do. Thoạt đầu, nước của khí quyển ở dạng hơi, rồi ngưng tụ lại tạo nên những trận mưa lớn. Sống 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 1 trong nước mưa vào đại dương.
Oxy tự do có thể được hình thành trong khí quyển do sự hòa tan các ion tự do trong nước biển.1: mô phỏng sự khác nhau trái đất lúc mới hình thành và bây giờ 1. Sự hình thành các phân tử hữu cơ nhỏ bé đến tế́ ́́ 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 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 Hình 1.2: thực nghiệm của thời gian một tuần đã tổng hợp được những chất Stanley L. Miller hữu cơ quan trọng như các acid amin; các chất khác như urê, hydro cyanid, acid acetic, acid lactic. Nguồn năng lượng như thể trong khí quyển ban đầu không thiếu cho nên những chất hữu cơ đơn gian 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 2 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.3: mô phỏng các chất hữu cơ phức tạp dưới lòng đại dương Một số nhà nghiên cứu cho rằng, sự phong phú của các chất hữu cơ trong đại dương 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 thế 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 3 phân tử nước. Các giọt đó có cấu trúc bên trong xác định và có thế 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 nucleotid 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 Prokaryota. Những đặc trưng cơ bản của sự sống - Tính ổn định về tổ chức-cấu tạo, hình dạng và kích thước. Mỗi loài sinh vật đều có hình dạng và kích thước xác định, đặc trưng cho chúng; đồng thời chúng lại nằm trong các mức độ tổ chức và cấu tạo thể hiện các bậc tiến hoá khác nhau. Để duy trì tính trật tự về tổ chức và nâng cao tính trật tự ấy, các sinh vật đã không ngừng sử dụng năng lượng và chúng hoạt động như một cái máy chuyển hoá năng lượng.
Do chuyển động nhiệt của các phân tử, các quá trình chuyển hoá năng lượng đều có sự mất mát nhiệt lượng dẫn tới sự tăng entropy của Mỗi trường. Như vậy tính ổn định về trật tự-cấu trúc của các cơ thể sống thực chất là quá trình duy trì trạng thái entropy thấp nhờ sự tăng entropy của Mỗi trường xung quanh. - Luôn diễn ra quá trình trao đổi chất 4 Do đặc điểm hệ sống là một hệ thống mở, nó luôn có các quá trình trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh; nhờ quá trình này mà các cơ thể sống có thể sinh trưởng phát triển, duy trì và phục hồi. Trong hệ thống sống, quá trình trao đổi chất diễn ra dưói hai hình thức: Sự đồng hoá và sự dị hoá.
Đồng hoá bao gồm những phản ứng hoá học; trong đó các chất đơn giản được kết hợp lại với nhau để tạo thành các chất phức tạp. Quá trình này đời hỏi được cung cấp năng lượng (quá trình thu năng lượng). Dị hoá là sự phân giải các chất phức tạp thành các chất đơn giản; quá trình này kèm theo sự giải phóng năng lượng. - Có khả năng vận động bằng co-dãn cơ, roi hoặc khối sinh chất.
Đây là một thuộc tính quan trọng và được thể hiện trong các mức độ tổ chức khác nhau. Nhờ đó cơ thể có thể di chuyển phù hợp với nhu cầu của cơ thể trước những biến đổi của điều kiện môi trường sống. - Tính cảm ứng và sự thích nghi. Tính cảm ứng là khả năng đáp ứng với các kích thích của môi trường xung quanh của các cơ thể sống.
Các kích thích tác động đến cơ thể sống có bản chất vật lý và hoá học; nhờ các thụ quan đặc trưng, cơ thể sống tiếp nhận được các kích thích và bằng các cơ chế khác nhau (ở các nhóm sinh vật) đã hình thành các phản ứng phù hợp. Sự thích nghi của các cơ thể sống thể hiện ở khả năng tồn tại của chúng trong điều kiện môi trường xung quanh luôn biến đổi; cũng như sự phân bố của các loài sinh vật phù hợp với môi trường thích hợp đối với chúng. Sự thích nghi được hình thành nhờ quá trình biến đổi dần dần của cơ thể hoặc nhờ quá trình đột biến với tác động của sự chọn lọc. - Khả năng sinh sản.
Nhiều tác giả cho rằng đây là thuộc tính cơ bản nhất của các cơ thể sống. Sinh sản là khả năng tái tạo lại chính bản thân mình. Thế giới sống có hai hình thức sinh sản là sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính; hai hình thức này khác nhau 5 ở chỗ có hay không có sự tham gia của các sản phẩm sinh dục (giao tử) trong hoạt dộng sinh sản. Học thuyết tế bào Danh từ tế bào bắt nguồn từ chữ Latinh "Cela" có nghĩa là xoang rỗng, được Robert Hooke dùng lần đầu tiên vào năm 1665 khi ông miêu tả cấu trúc của nút bần dưới kính hiển vi phóng đại 30 lần do ông chế tạo.
Khoảng 10 năm sau (1674), Leewenhook với kính hiển vi phóng đại 270 lần, lần đầu tiên đã quan sát thấy các tế bào tự do, các cấu trúc chứa bên trong tế bào và đã phát hiện ra nhân của tế bào hồng cầu. Tuy nhiên, thời bấy giờ người ta chưa có khái niệm rõ ràng về cấu trúc chứa bên trong tế bào. Những hiểu biết đầu tiên như vậy kéo dài 100 năm. Mãi đến thế kỉ XIX, nhờ sự hoàn thiện dần của kính hiển vi mà đã có nhiều công trình nghiên cứu tế bào ra đời.
Từ đó, người ta đã khám phá ra hàng loạt các cấu trúc quan trọng trong tế bào. Đáng chú ý hơn cả là công trình nghiên cứu và tổng kết của nhà thực vật học Schleiden (1838) và nhà động vật học Schwann (1839). Trên cơ sở công trình nghiên cứu của mình và dựa vào kết quả của nhiều công trình trước đó, hai ông đã tổng kết nâng lên thành lý luận.