Theo hiểu biết khoa học hiện nay, sự sống trên Trái Đất hình thành từ chất vô cơ qua ba giai đoạn: tiến hoá hoá học tạo ra các hợp chất hữu cơ, tiến hoá tiền sinh học tạo ra những hệ có khả năng tự nhân đôi được bao bọc bằng màng, rồi tiến hoá sinh học tạo ra các loài sinh vật. Dấu vết sự sống cổ được nhiều nhà khoa học chấp nhận có tuổi khoảng 3,5 tỉ năm, trên một hành tinh khoảng 4,5 tỉ năm tuổi.
Đây là phần mà khoa học còn nhiều câu hỏi mở nhất trong chương tiến hoá, và cũng là phần dễ bị trình bày quá chắc chắn. Bài này phân biệt điều đã được thực nghiệm chứng minh với điều còn là giả thuyết, sau đó đi qua lịch sử sự sống theo các đại địa chất trong sách Sinh học 12, kèm một cách hình dung thời gian và cách luyện nhớ với AI.
Tiến hoá hoá học: từ chất vô cơ đến chất hữu cơ
Những năm 1920, Alexander Oparin và J. B. S. Haldane độc lập đề xuất rằng trên Trái Đất sơ khai, khi khí quyển gần như không có oxy, các phân tử đơn giản có thể phản ứng với nhau nhờ năng lượng từ tia sét, tia tử ngoại, núi lửa để tạo thành chất hữu cơ, tích tụ dần trong nước thành một "nồi súp" nguyên thuỷ.
Năm 1953, Stanley Miller, khi đó là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Harold Urey, kiểm tra ý tưởng này. Ông cho hỗn hợp khí metan, amoniac, hidro và hơi nước tuần hoàn trong hệ bình kín, phóng tia lửa điện liên tục mô phỏng sấm sét. Sau một thời gian, nước trong bình chứa nhiều hợp chất hữu cơ, trong đó có một số amino acid. Thí nghiệm cho thấy chất hữu cơ có thể tự hình thành từ chất vô cơ trong điều kiện không có sinh vật.
Về sau, nhiều nhà địa hoá cho rằng khí quyển sơ khai có thể khác hỗn hợp Miller dùng, ít tính khử hơn, nên kết quả trong tự nhiên có thể kém hơn. Mặt khác, các thí nghiệm tương tự với hỗn hợp khí khác, cùng việc tìm thấy amino acid trong một số thiên thạch, cho thấy chất hữu cơ đơn giản hình thành khá dễ dàng trong vũ trụ. Bài học từ thí nghiệm Miller vì vậy không phải là "đã tạo ra sự sống", mà là bước đầu tiên, tạo ra viên gạch, là khả thi về mặt hoá học.
Tiến hoá tiền sinh học: phần còn nhiều câu hỏi nhất
Từ phân tử nhỏ đến đại phân tử. Amino acid và nucleotide cần liên kết thành chuỗi dài. Các nhà khoa học đề xuất bề mặt khoáng sét, vùng nước nông bay hơi theo chu kỳ, hay miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy biển có thể giúp các phân tử nhỏ gắn kết. Một số con đường đã được tái hiện một phần trong phòng thí nghiệm.
Phân tử tự nhân đôi đầu tiên có lẽ là ARN. Giả thuyết "thế giới ARN" cho rằng ARN xuất hiện trước ADN và protein, vì ARN vừa mang thông tin di truyền vừa có thể xúc tác phản ứng. Việc phát hiện ARN có hoạt tính xúc tác, gọi là ribozyme, đã được trao giải Nobel Hoá học năm 1989. Ngày nay, chính ribosome thực hiện việc nối amino acid nhờ phần ARN của nó, được xem là dấu vết của thế giới ARN.
Màng bao tạo ra ranh giới. Phân tử lipid tự sắp xếp thành túi màng kép khi gặp nước. Một túi màng chứa phân tử tự nhân đôi có thể giữ các sản phẩm phản ứng lại gần nhau, tạo thành tiền tế bào. Từ đây, chọn lọc tự nhiên có thể bắt đầu tác động: túi nào nhân đôi nhanh, bền hơn sẽ phổ biến hơn.
Mức độ chắc chắn. Từng bước đều có thí nghiệm ủng hộ một phần, nhưng chưa ai tái hiện trọn vẹn từ chất vô cơ đến tế bào sống. Khi viết bài, bạn nên dùng các từ như "giả thuyết cho rằng", "có thể", thay vì khẳng định chắc chắn chuyện đã diễn ra.
Ba bước ngoặt sau khi tế bào đầu tiên xuất hiện
Quang hợp thải oxy thay đổi cả hành tinh. Vi khuẩn lam là những sinh vật đầu tiên quang hợp có thải oxy. Trong một thời gian dài, oxy chúng tạo ra bị sắt hoà tan trong biển và các khoáng chất hấp thụ. Khi các "bể chứa" đó đầy, oxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển, sự kiện các nhà địa chất gọi là đại sự kiện oxy hoá, vào khoảng 2,4 tỉ năm trước. Oxy là chất độc với nhiều vi sinh vật thời đó, nhưng lại mở đường cho hô hấp hiếu khí cho nhiều năng lượng hơn, và tạo tầng ozone che chắn tia tử ngoại.
Tế bào nhân thực ra đời nhờ nội cộng sinh. Theo thuyết nội cộng sinh, ti thể có nguồn gốc từ vi khuẩn hiếu khí sống bên trong một tế bào chủ, còn lục lạp từ vi khuẩn lam. Bằng chứng gồm việc ti thể và lục lạp có ADN vòng riêng, ribosome giống vi khuẩn và màng kép. Bài về ti thể và lục lạp trong danh mục tế bào của trang trình bày chi tiết phần này.
Sự sống đa bào xuất hiện nhiều lần. Đa bào không phải phát minh một lần duy nhất; nó xuất hiện độc lập ở nhiều nhóm như tảo, nấm, thực vật, động vật. Khi các tế bào sống cùng nhau và chuyên hoá chức năng, sinh vật có thể lớn hơn và có cấu tạo phức tạp hơn. Những hoá thạch sinh vật đa bào lớn rõ ràng xuất hiện vào cuối đại Nguyên sinh, trước sự đa dạng hoá ở kỉ Cambri.
Lịch sử sự sống qua các đại địa chất
Sách Sinh học 12 chia lịch sử Trái Đất thành các đại, mỗi đại gồm các kỉ. Các mốc dưới đây là ước tính làm tròn từ thang thời gian địa chất quốc tế; các con số có thể được điều chỉnh nhẹ theo nghiên cứu mới.
| Đại | Thời gian ước tính | Sự kiện sinh học nổi bật |
|---|---|---|
| Thái cổ | Khoảng 4,0 đến 2,5 tỉ năm trước | Dấu vết sự sống cổ nhất được chấp nhận rộng rãi; vi khuẩn, vi khuẩn lam tạo các cấu trúc đá phân lớp |
| Nguyên sinh | Khoảng 2,5 tỉ đến 540 triệu năm trước | Oxy tích tụ trong khí quyển nhờ quang hợp; tế bào nhân thực xuất hiện; cuối đại có sinh vật đa bào |
| Cổ sinh | Khoảng 540 đến 250 triệu năm trước | Đa dạng hoá mạnh động vật ở biển đầu kỉ Cambri; thực vật, động vật lên cạn; rừng quyết khổng lồ kỉ Than đá; cuối đại có đợt tuyệt chủng lớn nhất |
| Trung sinh | Khoảng 250 đến 66 triệu năm trước | Bò sát, trong đó có khủng long, chiếm ưu thế; thú và chim xuất hiện; thực vật có hoa phát triển; kết thúc bằng tuyệt chủng của khủng long không phải chim |
| Tân sinh | Khoảng 66 triệu năm trước đến nay | Thú và chim đa dạng hoá; thực vật có hoa và côn trùng phát triển mạnh; xuất hiện loài người |
Ba mốc nên thuộc: oxy tích tụ trong khí quyển ở đại Nguyên sinh, sự đa dạng hoá động vật đầu kỉ Cambri mở đầu đại Cổ sinh, và tuyệt chủng cuối kỉ Phấn trắng khép lại đại Trung sinh. Về sự kiện cuối, bằng chứng mạnh nhất hiện nay gắn với một thiên thạch lớn va vào vùng nay là bán đảo Yucatán ở Mexico.
Hình dung 4,5 tỉ năm bằng một năm
Những con số hàng tỉ năm rất khó hình dung. Một cách nhiều giáo viên dùng là nén toàn bộ lịch sử Trái Đất vào một năm: Trái Đất hình thành lúc nửa đêm ngày 1 tháng Một, và hiện tại là nửa đêm ngày 31 tháng Mười Hai. Theo tỉ lệ đó, mỗi ngày tương ứng với khoảng 12 triệu năm.
Dấu vết sự sống cổ nhất xuất hiện vào khoảng cuối tháng Ba. Oxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển vào khoảng nửa sau tháng Sáu. Trong suốt nửa đầu năm, sự sống chỉ gồm sinh vật đơn bào. Sự đa dạng hoá động vật đầu kỉ Cambri rơi vào khoảng giữa tháng Mười Một. Khủng long không phải chim tuyệt chủng vào khoảng ngày 26 tháng Mười Hai. Homo sapiens chỉ xuất hiện khoảng hơn nửa giờ trước nửa đêm cuối năm, và toàn bộ lịch sử có chữ viết của loài người gói trong chưa tới một phút cuối cùng.
Cách hình dung này giúp bạn hiểu vì sao tiến hoá có đủ thời gian để tạo ra sự đa dạng ngày nay, và vì sao sinh vật đơn bào là "chủ nhân" của hành tinh trong phần lớn lịch sử. Bạn có thể tự tính lại các mốc bằng phép tỉ lệ đơn giản, coi như một bài toán vận dụng nhỏ.
Luyện nhớ các đại địa chất với AI
Các đại, kỉ và sự kiện là phần dễ quên nếu học thuộc lòng. Một quy trình ngắn để ôn với AI:
- Tự viết lại bảng năm đại theo trí nhớ, mỗi đại một sự kiện sinh học nổi bật.
- Câu lệnh: "Đây là bảng các đại địa chất mình tự viết. Kiểm thứ tự và sự kiện, chỉ ra chỗ sai. Sau đó hỏi mình năm câu kiểu: sự kiện X xảy ra ở đại nào."
- Nhờ AI kể một câu chuyện ngắn kiểu du hành thời gian qua năm đại, mỗi đại một cảnh, rồi bạn tự đặt tên đại cho từng cảnh.
- Tự tính lại mô hình "một năm" ở trên bằng máy tính cầm tay, rồi nhờ AI kiểm phép tỉ lệ.
- Kiểm các con số triệu năm mà AI đưa ra với sách giáo khoa; nếu AI và sách lệch nhau nhẹ, hãy theo sách khi làm bài và ghi chú khoảng ước tính.
Nếu học nhóm, mỗi bạn nhận một đại, chuẩn bị ba phút trình bày kèm hình vẽ tay sinh vật tiêu biểu. Phần trình bày dựa trên ghi chép của mình, AI chỉ dùng để kiểm lỗi. Khi đưa bảng ghi chép vào AI, bỏ tên bạn và tên lớp khỏi đầu trang.
Câu hỏi thường gặp
Thí nghiệm Miller có tạo ra sự sống không?
Không. Thí nghiệm Miller năm 1953 chỉ cho thấy một số chất hữu cơ, trong đó có amino acid, có thể hình thành từ chất vô cơ khi có nguồn năng lượng như tia lửa điện. Từ amino acid đến tế bào sống còn rất nhiều bước chưa được tái hiện trọn vẹn.
Vì sao hiện nay sự sống không tự hình thành từ chất vô cơ nữa?
Có hai lý do chính thường được nêu. Khí quyển hiện nay giàu oxy nên các chất hữu cơ dễ bị oxy hoá, phân huỷ. Ngoài ra, các vi sinh vật có mặt khắp nơi sẽ nhanh chóng sử dụng mọi chất hữu cơ mới hình thành trước khi chúng kịp tích tụ.
Sự sống có thể đến từ ngoài vũ trụ không?
Đây là một giả thuyết được bàn tới, cho rằng mầm sống hoặc chất hữu cơ được thiên thạch mang tới. Chất hữu cơ đơn giản đúng là đã được tìm thấy trong một số thiên thạch. Tuy vậy, giả thuyết này chỉ chuyển câu hỏi nguồn gốc sự sống sang nơi khác, chứ không trả lời nó.
Vì sao gọi đại Thái cổ, Nguyên sinh, Cổ sinh, Trung sinh, Tân sinh?
Tên gọi phản ánh mức độ cổ xưa và đặc điểm sinh vật. Cổ sinh nghĩa là sự sống cổ, Trung sinh là sự sống giữa, Tân sinh là sự sống mới, dịch từ các thuật ngữ quốc tế Paleozoic, Mesozoic, Cenozoic. Thái cổ chỉ thời rất xa xưa, Nguyên sinh chỉ sự sống ban đầu.
Tuyệt chủng hàng loạt có vai trò gì trong tiến hoá?
Tuyệt chủng hàng loạt xoá sổ phần lớn loài trong thời gian ngắn theo thang địa chất, làm trống nhiều môi trường sống. Những nhóm sống sót sau đó đa dạng hoá nhanh để chiếm chỗ. Sau khi khủng long không phải chim biến mất, thú có vú đã đa dạng hoá mạnh mẽ trong đại Tân sinh.
Có nên tin các con số tỉ năm trong sách không?
Các con số được xác định bằng phương pháp đo tuổi dựa vào phân rã đồng vị phóng xạ, kiểm chứng chéo bằng nhiều phương pháp và nhiều mẫu đá khác nhau. Sai số tồn tại và được ghi rõ trong tài liệu chuyên môn, nhưng thứ tự các sự kiện và độ lớn của khoảng thời gian thì rất vững chắc.