Đề tài: Nguồn gốc sự sống trên Trái Đất

Chia sẻ: Phung Manh Quyet | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

305
lượt xem 60
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngành khoa học sinh vật hiện đại đang đương đầu với một câu hỏi: sự sống bắt nguồn tư ̀ đâu? Nghiên cứu về nguồn gốc sự sống là một trong những lĩnh vực được biết đến rất hạn chế, mặc dù hầu hết những hiểu biết của con người về bộ môn sinh học và thế giới tự nhiên là dựa trên điều đó. Vậy sự sống bắt nguồn từ đâu? Mặc dù công việc nghiên cứu về lĩnh vực này rất chậm nhưng nó luôn luôn thu hút sự chú ý của nhiều người bởi vì đây là một câu hỏi rất lớn và...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Nguồn gốc sự sống trên Trái Đất

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bài báo cáo môn: Sinh học đại cương Đề tài: Nguồn gốc sự sống trên Trái Đất GVHD: Nguyễn Thành Luân LỚP : 02DHTP2 SVTH: PHÙNG MẠNH QUYẾT 2005110431 NGUYỄN THÙY LINH 2005110250 NGUYỄN THU TRANG 2005110602 NGUYỄN THỊ YẾN PHƯƠNG 2005110383
BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC 1 PHÙNG MẠNH QUYẾT Những tư tưởng, học thuyết đầu tiên về sự 20051104310 sống, nguồn gốc của các chất hữu cơ cơ bản. 2 NGUYỄN THÙY LINH Nguồn gốc của các chất hữu cơ cơ bản, tài 2005110250 liệu tiếng anh 3 NGUYỄN THU TRANG Giai đoạn tiến hóa tiền sinh học, tài liệu 2005110602 tiếng anh 4 NGUYỄN THỊ YẾN PHƯƠNG Giai đoạn tiến hóa tiền sinh học, giai đoạn 2005110383 tiến hóa sinh học
MỤC LỤC I. Những tư tưởng, học thuyết đầu tiên về sự sống……………………………………4 II. Nguồn gốc của các chất hữu cơ cơ bản ……………………………………………..7 1. Giả thuyết: Sự sống đến từ vũ trụ…………………………………………….7 2. Giả thuyết: các chất hữu cơ phức tạp được sinh ra từ những hợp chất cơ bản có sẵn…………………………………………………………………………...........8 a. Giai đoạn Tiến hóa hóa học-Giả thuyết về quá trình hình thành các chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ ……………………………………………………...9 b. Thí nghiệm Urey- Miller……………………………………………………….9 III. Giai đoạn tiến hóa tiền sinh học ………………………………………………..…13 1. Sự tạo thành giọt coaserva …………………………………………………..13 2. Sự hình thành lớp màng………………………………………………... …....14 3. Sự xuất hiện của enzyme …………………………………………………….14 4. Hình thành cơ chế di truyền ………………………………………………...14 a. Giả thuyết cho rằng DNA xuất hiện trước…………………………………15 b. Giả thuyết RNA là nguyên liệu di truyền đầu tiên…………………………15 IV. Giai đoạn tiến hóa sinh học ……………………………………………………….21
V. Tài liệu tiếng anh: Origins of Life on Earth……………………………………….23 Tài liệu tham khảo………………………………………... …………………….34
LỜI MỞ ĐẦU: Ngành khoa học sinh vật hiện đại đang đương đầu với một câu hỏi: sự sống bắt nguồn từ đâu? Nghiên cứu về nguồn gốc sự sống là một trong những lĩnh vực được biết đến rất hạn chế, mặc dù hầu hết những hiểu biết của con người về bộ môn sinh học và thế giới tự nhiên là dựa trên điều đó. Vậy sự sống bắt nguồn từ đâu? Mặc dù công việc nghiên cứu về lĩnh vực này rất chậm nhưng nó luôn luôn thu hút sự chú ý của nhiều người bởi vì đây là một câu hỏi rất lớn và rất khó. Một số những sự kiện đã cho chúng ta biết một phần điều kiện tạo nên sự sống, nhưng cơ chế bên trong tạo nên sự sống vẫn là một điều bí ẩn. Sang đầu thế kỉ XX các nhà khoa học đã chứng minh rằng trong điều kiện hiện nay cơ thể sống chỉ được sinh ra từ cơ thể sống có sẵn chứ không thể được sinh ra từ các chất vô cơ, nhưng trong quá trình xuất hiện và tiến hóa của Trái Đất cách chúng ta khoảng 4,6 tỉ năm chưa hề có sự sống. Thế thì sự sống được sinh ra từ đâu? Ngày nay khoa học đã có câu trả lời cho vấn đề nguồn gốc sự sống. Sự sống chỉ xuất hiện cách đây 4 tỉ năm bằng con đường vô cơ dưới tác động của các nhân tố tự nhiên qua 3 giai đoạn: tiến hóa hóa học- tiến hóa tiền sinh học- tiến hóa sinh học.
I. Những tư tưởng, học thuyết đầu tiên về sự sống Vào thế kỉ thứ 4 trước Công nguyên, Aristotle đã trình bày dựa trên những điều mà con người thời đó biết được, ít nhất là ở Châu Âu, rằng những vật thể sống phát sinh từ những vật thể không sống. Ví dụ như bọ chét và chuột phát sinh từ những đống rác cũ hay bột mì, những con giòi và ruồi trong thịt thối. Ông đi đến kết luận: Cuộc sống, nói ngắn gọn hơn, là bắt nguồn từ sự phát triển tự nhiên. Đến năm 1862, Louis Pasteur đã tiến hành thí nghiệm chứng minh chắc chắn rằng sự sống không tự ngẫu sinh. Ông dùng hai bình cầu chứa môi trường dinh dưỡng, một cái cổ hở, một cái cổ cong (như hình vẽ mô tả). Hai bình được đun sôi lâu để diệt vi khuẩn. Sau một thời gian, mầm vi khuẩn rơi vào bình hở làm biến đổi môi trường, còn ở bình cổ cong, vi khuẩn không vào được nên không có sự sống, môi trường không đổi. Hình mô tả thí nghiệm của Louis Paster Như vậy, sự sống chỉ phát sinh từ các tế bào có sẵn (trong trường hợp này là từ không khí rơi vào bình). Pasteur đã chứng minh rằng những sinh vật bậc cao không thể phát sinh một cách tự nhiên.
Louis Pasteur đang làm việc trong phòng thí nghiệm của ông (Tranh do Albert Edelfeldt vẽ năm 1885) Trong khi đó, phía bên kia eo biển Măng sơ, vào năm 1859, nhà khoa học Charles Darwin đã công bố cuốn sách: “Về nguồn gốc của muôn loài”, trong đó ông nhấn mạnh ý tưởng rằng các dạng của sự sống có thay đ ổi, tiến hóa thành những loài mới qua nhiều kỷ nguyên. Lý thuyết về tiến hóa của Charles Darwin đã đưa ra một cơ chế để giải thích điều này: sinh vật phải mất hàng ngàn năm để tiến hóa từ những dạng c ơ bản, nhưng nó sẽ không mang những đặc điểm như lúc trước nữa, nhưng những sinh vật cơ bản ấy sẽ từ đâu ra?
Sự phát sinh và phát triển của sự sống trên Trái Đất được chia thành ba giai đoạn: tiến hóa hóa học, tiến hóa tiền sinh học và tiến hóa sinh học. Trong các giai đoạn tiến hóa, các chất hữu cơ đầu tiên được hình thành từ các chất vô cơ với điều kiện nguyên thủy của Trái Đất. Các chất hữu cơ đơn giản này lại được trùng phân tạo nên các đại phân tử, từ các đại phân tử hữu cơ này hình thành các tế bào sơ khai và tạo nên các tế bào sống đầu tiên, từ các tế bào sống này hình thành nên những sinh vật cơ bản.Ngày nay, học thuyết tế bào hiện đại khẳng định rằng tất cả các sinh vật đều được cấu tạo nên từ tế bào, những tế bào mới được tạo nên từ sự phân chia của những tế bào trước nó. Nguồn gốc tế bào cũng chính là nguồn gốc sự sống và là những bước quan trọng nhất trong quá trình tiến hóa sự sống. Sự xuất hiện tế bào chính là bước đánh dấu chuyển biến từ thế giới hóa học vô sinh để bắt đầu sự sống sinh vật. Nghiên cứu sâu về sự ra đời của tế bào sẽ phần nào đó giúp ta tìm ra đ ược cội nguồn của sự sống. Những thí nghiệm của Pasteur và học thuyết của Darwin đã dẫn tới những kết luận đối ngược nhau về nguồn gốc sự sống trên Trái Đất. Pasteur tuyên bố rằng các công trình của ông cuối cùng cũng củng cố niềm tin Chúa sáng tạo ra s ự sống. Cũng bởi vì sự sống không thể bắt nguồn từ những vật thể phi sự sống, sinh vật đầu tiên trên Trái Đất cũng không thể tự mình có được nếu không có s ự sáng tạo của một đấng siêu nhiên. Thế nhưng học thuyết tiến hóa của Darwin lại cho rằng sự sống đầu tiên trên Trái Đất có thể bắt nguồn từ những vật chất tự nhiên. II. Nguồn gốc của các chất hữu cơ cơ bản 1. Giả thuyết: Sự sống đến từ vũ trụ. Giả thuyết này cho rằng sự sống bắt nguồn từ không gian ngoài địa cầu, từ một hành tinh khác hay thiên hà khác, xâm nhập vào địa cầu qua các thiên thạch, bụi vũ trụ, sao chổi,…Nhiệt độ không gian rất thấp, càng lên cao càng thấp, -50 0C ở tầm bay cao độ 10 km. Các sinh vật đơn bào có thể sống vĩnh viễn ở nhiệt độ Nitrogen lỏng (-1900C).
Tiến sĩ Terry Kee, một nhà sinh học vũ trụ của Đại học Leeds tại Anh, tin rằng khi những thiên thạch bắn phá địa cầu vài tỷ năm trước, nhiều viên rơi xuống những vùng nước xung quanh núi lửa hoạt động. Nước nằm gần núi lửa hoạt động có tính axit nhẹ do nó hòa tan những vật chất từ núi lửa. Nhờ tính axit nhẹ mà nước tương tác với thiên thạch để tạo nên những hợp chất hóa học đầu tiên. Và để chứng minh, Kee thả những mẩu thiên thạch chứa sắt vào nước có tính axit nhẹ và nhận thấy các hợp chất phosphate hình thành. Sau khi được nung nóng tới khoảng 80oC, các hợp chất phosphate biến thành pyrophosphate – chất tạo nên adenosine triphosphate (ATP). Các nhà khoa học đã phát hiện các chất kiên tao nên DNA trong các thiên ́ ̣ thạch, nhưng chưa chắc chắn rằng liệu chúng được tạo ra trong không gian hay do tác động của Trái Đất trong quá trình va chạm. Các nhà khoa học của NASA đã phân tích những mẫu thiên thạch hình thành cách đây nhiều tỉ năm trước khi rơi xuống Trái đất và họ phát hiện ra Adenine và Guanin - hai trong bốn chất được gọi là các nucleobazơ tạo nên DNA- đã được tìm thấy trong những mẫu thiên thạch đó. Qua cuộc nghiên cứu, cac nhà khoa hoc cũng đã cung cấp các bằng chứng ́ ̣ cho thấy rằng các nucleobazơ đã được hình thành trong không gian chứ không phải từ môi trường trên Trái đất. Qua nghiên cứu, phân tích đã cho thấy là cả ba loại phân tử cần thiết để kiên tao nên các tế bào sống là: Các nucleobazơ (được sử dụng để tạo thành các ́ ̣ nucleic acid làm nên vật chất di truyền như DNA), các acid amin (được sử dụng để tổng hợp nên protein), hợp chất amphiphilic (được sử dụng để xây dựng nên màng tế bào ), tất cả đều đã được tìm thấy trong các thiên thạch và dường như đã được hình thành tại đó. Như vậy, theo cac nhà khoa hoc, thiên thạch có thể được nói đến như ́ ̣ nguồn cung cấp các thành phần cần thiết cho nguồn gốc của sự sống trên Trái đất và có thể ở cả nơi khác nữa.
2. Giả thuyết: các chất hữu cơ phức tạp được sinh ra từ những hợp chất c ơ bản có sẵn Giả thuyết thứ hai về nguồn gốc sự sống cho rằng không có nguồn cung cấp từ ngoài Trái đất mà các chất hữu cơ phức tạp được sinh ra từ những hợp chất nhỏ có sẵn dưới các tác động bên ngoài như: bức xạ mặt trời, sấm sét, sức nóng từ lõi Trái đất và mặt trời. Tất cả đều xảy ra ở giai đoạn tiến hóa đ ầu tiên: tiến hóa hóa học. Theo giả thuyết thứ hai này thì:  Trái đất thời nguyên thủy có một khí quyển khữ gồm khí nitrogen ( N 2), hydrogen (H2), methane (CH4), ammonia (NH3), nước (H2o), hydrogen sulfide (H2S), cacbon dioxide (CO2) hay cacbon monoxide (CO) và phosphate (PO43-), nhưng không có hay rất hiếm, oxygen (O2) và ozone (O3).  Khi khối không khí khữ này giao tiếp với năng lượng, như tia lửa điện của sấm chớp, nhiệt của hỏa diệm sơn, hay tia UV sẽ cho ra một số chất hữu cơ giản dị- hợp chất đơn (monomers) như đường glucose (C 6H12O6) hay amino acids.  Các hợp chất đơn hữu cơ này tích tụ chung với nhau như “nước canh-soup”.  Các phân tử hợp chất đơn kết hợp với nhau thành đa hợp chất hữu cơ (polymers) và cuối cùng cấu tạo sự sống.  Kết hợp các phospholipids với nhau tạo thành chất lipid có 2 l ớp (lipid bilayers) là thành phần cấu tạo màng tế bào. a. Giai đoạn Tiến hóa hóa học-Giả thuyết về quá trình hình thành các chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ Năm 1920, Aleksandr Ivanovich Oparin đưa ra giả thuyết: các chất hữu cơ có thể tổng hợp từ các chất vô cơ có sẵn trong tự nhiên.Trong khí quyển nguyên thủy của Trái đất có các khí như CH4, NH3, hay là xianôgen (C2H2). Do tác dụng của các tia bức xạ mặt trời, tia tử ngoại….đã làm cho chất vô cơ hình thành nên các hợp chất hữu cơ đơn giản hiđrô cacbua gồm hai nguyên tố là C và H rồi từ đó hình thành nên các hợp chất có 3 nguyên tố C, H, O, như Saccarit, lipid rồi tạo ra các hợp chất hữu cơ có 4 nguyên tố C, H, O, N như axid amin và các Nucleoit.
Từ các axid amin hình thành nên các protein đơn giản rồi đến các protein phức tạp và từ các Nucleotit hình thành nên các axid nucleotit. Các chất hữu cơ đó ngày càng phức tạp và trở nên nặng dần rồi theo nước mưa xuống hòa tan vào nước đại dương. Tuy nhiên, giả thuyết này không đ ược công nhận vì không có thực nghiệm. b. Thí nghiệm Urey-Miller Năm 1953, Harold Urey và Stand Miller bằng thực nghiệm có thể chứng minh rằng các chất hữu cơ đơn giản có thể hình thành từ các chất vô cơ theo con đường hóa học trong điều kiện Trái Đất cổ xưa.Trong thí nghiệm vĩ đại này, các nhà khoa học đã tạo ra điều kiện tương tự như trên trái đất cổ xưa. Thí nghiệm bên đã chứng minh được một số bước trong giả thuyết của Oparin. Điều này mở ra một bước ngoặt mới trong việc tìm hiểu cội nguồn của sự sống. Thí nghiệm gồm một bình đầu tiên chứa nước (mô phỏng nước biển) với hỗn hợp khí CH4, NH3, H2, đun nóng bình này đến khi xảy ra hiện tượng hóa hơi rồi dẫn vào một bình thứ hai phóng tia lửa điện liên tục (mô phỏng sấm sét). Hỗn hợp khí được làm lạnh, ngưng tụ lại (mô phỏng hiện tượng Trái Đất nguội dần) và dẫn ngược trở lại vào bình đầu tiên để tiếp tục chu trình trên.
Trong vòng một giờ, nước trong bình chuyển sang màu cam. Sau một tuần, họ quan sát thấy 15% cacbon đã chuyển thành hợp chất hữu cơ. Sau vài tuần, chất lỏng trong bình đầu tiên trở nên sẩm màu và dần dần chuyển thành màu nâu thẫm. Khi phân tích chất này, Miller và Urey phát hiện một l ượng l ớn acid amin (amino acid) chứa trong nó, một thành phần quan trọng trong cấu trúc cơ bản của khối vật chất sống. Ðể loại bỏ khả năng các vi khuẩn nhiểm hỗn hợp và tổng hợp các hợp chất, ông lặp lại thí nghiệm nhưng không cho phóng điện, và năng suất lại không có ý nghĩa. Kế tiếp là thí nghiệm của Joan Oró I Florensa (NASA, 1959-1962) cho biết tổng hợp được chất nucleobase adenine, thành phần cấu tạo của nucleic acids trong phân tử ATP và GTP, bằng cách đun nóng dung dịch ammonium cyanide. Để chứng minh rằng trong điều kiện băng giá cũng có thể tổng hợp được s- triazines, pyrimidines (gồm cytosine và uracil), và adenine từ dung dịch urea khi cho dung dịch này qua nhiều chu kỳ kết đông nước đá rồi cho tan (freeze-thaw cycles) trong điều kiện không khí khữ với tia lữa điện. Trong thập niên 1950s và 1960s, thí nghiệm của Sidney W Fox cho thấy chất peptide được cấu tạo ngẫu nhiên trong điều kiện môi trường tương tự của thời Hadean và Archean cách đây trên 2,5 tỷ năm. Ông chứng minh các amino acids kết hợp ngẫu nhiên và tạo thành peptides. Các amino acids và peptides này kết hợp lại thành một màng hình cầu, tương tự màng tế bào (cell membrane) của sinh vật ngày nay. Năm 2001, Jason Dworkin cho dung dịch đông lạnh gồm nước, methanol, ammonia và carbon monoxide với tia tử ngoại UV. Phản ứng cho ra một số lượng đáng kể chất hữu cơ, các chất này kết hợp lại thành bong bóng hay có hình sợi ở trong nước. Ông cho rằng các màng bong bóng này giống màng tế bào chứa các chất căn bản của sự sống. Các bong bóng có kích thước từ 10 đến 40 µ, bằng kích thước của hồng huyết cầu. Đặc biệt là các bong bóng này phát quang (fluorescence) khi tiếp xúc với UV. Ông cho rằng các bong bóng phát quang này chính là mẫu mực quang tổng hợp ở thời cổ đại. Năm 2004, mhóm Leslie Orgel, thành công tỗng hợp chất Purine trong môi trường băng giá từ hydrogen cyanide.
Tất cả các thí nghiệm trên đều sử dụng tia lửa điện là nguồn năng lượng, bắt trước sấm sét hay tia hồng tử ngoại. Ngược lại, Gunster Wächtershäuser, trong thập niên 1980s, sử dụng năng lượng hóa học từ sulphides sắt, như Pyrite. Năng lượng này không những tổng hợp được các phân tử hữu cơ mà còn tạo được các oligomers và polymers. Thí nghiệm sản xuất được dipeptides (0.4 đến 12.4%) và một ít tripeptides (0.1%). Mới đây khám phá vi khuẩn Methanosarcina acetivorans ở dưới đáy biển. Vi khuẩn thời cổ đại này hấp thụ carbon monoxide và nhả ra methane và acetate. James Ferry và Christopher House của Đại học Penn State University khám phá thêm rằng vi khuẩn này lấy năng lượng từ phản ứng giữa acetate và sulphide sắt chỉ nhờ 2 amino acids đơn giản, khác với sư cần tới trên 10 amino acids như hiện nay. Christof Biebricher, năm 2008, thành công trong việc tạo một RNA mới chứa 400 bases từ một mẫu RNA thiên nhiên trong điều kiện băng giá. Mẫu RNA mới này tăng trưởng bao quanh RNA thiên nhiên. Nhóm nghiên cứu Đại Học Harvard, năm 2008, cho biết đang nghiên cứu việc tạo tế bào nhân tạo. Nhóm nghiên cứu này cho trộn vài acid béo (fatty acids) với DNA (thiên nhiên) trong một ống nghiệm, kết quả cho thấy thành lập một khối DNA mới chứa nhiều thông tin di truyền. Nếu thêm vào đó nucleotides (thiên nhiên) thì nucleotides chạy vào và DNA tự chia đôi (replicate) trong vòng một ngày. Tuy nhiên, thí nghiệm tạo DNA mới phải dựa vào DNA và nucleotides thiên nhiên trích từ nhiễm thể. Cho tới nay, chưa có khoa học gia nào tạo được tế bào nhân tạo, ngay c ả RNA hay DNA nhân tạo. Năm 2009, Sutherland và nhóm nghiên cứu thuộc Đ ại Học Manchester (Anh quốc) đã thành công tổng hợp được 2 khối cấu tạo RNA trong số 4 khối căn bản của RNA, và nhóm ông tin tưởng rằng sẽ thành công tổng hợp được RNA nhân tạo từ các dung dịch hóa học. Một khi tổng hợp được RNA nhân tạo thì không khó lắm trong việc tổng hợp DNA nhân tạo, và dựa theo nghiên cứu của nhóm Harvard, tổng hợp thành tế bào nhân tạo sẽ trong tầm tay. Một cách tổng quát, các giả thuyết cho rằng chính nhờ năng lượng của hỏa diệm sơn, sấm sét, tia tử ngoại tổng hợp các khí thời nguyên thủy thành các chất
hữu cơ đơn giản (monomers) như amino acids, nucleobases, rồi các chất đơn giản này tổng hợp thành các chất phức tạp hơn (polymers). Chất sét giàu sắt (iron-rch clays) là nơi các phân tử hữu cơ phức tạp tập trung và cô đọng đậm đ ặc, tr ở nên có khả năng sinh sôi nảy nở bằng cách tách đôi (replicate). Khối sét này hấp thụ carbon dioxide biến thành oxalic và các dicarboxylic acids khác. Trong các suối nước nóng giàu chất sulphides, khối mang chất sống này có khả năng định khí Nitrogen. Phosphate cũng được hấp thụ và tạo thành nucleotides và phospholipids. Đó là giả thuyết giải thích tiến trình tiến tới thành lập tế bào của sinh vật đ ơn bào. Sinh vật đầu tiên sống dị dưởng (heterotroph), tự dưỡng (autotrophic) hay cộng sinh (symbiosis). Sinh vật ký sinh (parasites) xuất hiện về sau. Trong các giả thuyết về “Nước soup Nguyên Thủy - primordial soup” thì sự sống bắt nguồn đầu tiên trong nước như: đại dương, biển, bờ biển, các hồ nước, hay trên mặt đất nơi nào có nước.Tuy nhiên, Gold, trong thập niên 1970s, đ ưa giả thuyết sự sống có thể bắt đầu trong môi trường nóng của vỏ Trái đ ất, không trên mặt đất mà ở độ sâu vài km dưới mặt đất. Ở cuối thập niên 1990s, người ta khám phá một số vi sinh vật nhỏ hơn vi trùng có cấu tạo DNA trong l ớp đá sâu trong lòng đất. Ngày nay, NASA cũng khám phá thêm thấy rằng dấu vết vi khuẩn hóa thạch thời nguyên thủy archaea có rất nhiều trong lòng đất, không những của quả địa cầu mà còn thấy ở nhiều hành tinh khác. III. Giai đoạn tiến hóa tiền sinh học 1. Sự tạo thành giọt coaserva Giọt coaserva là những phân tử có khả năng phân chia, sinh trưởng và hấp thụ chất dinh dưỡng từ môi trường ngoài, đây được coi là những biểu hiện đầu tiên của sự sống. Các nhà khoa học đã tạo được các giọt coaserva khi trộn polymer trong dung dịch nước (hiện tượng hóa keo), chúng dễ dàng được tạo thành mà không đòi hỏi những điều kiện đặc biệt.
Coaserva có thể tự lắp ráp khi lắc dung dịch có chứa các phân tử lipid, protein, nucleotit acid và polisaccarit. Coaserva tách biệt với môi trường ngoài bởi màng kỵ nước. Các hạt coaserva có thể hấp thụ enzim và các chất khác từ môi trường, giải phóng các sản phẩm của phản ứng enzyme. Khi hấp thụ các chất, coaserva sinh trưởng và phân chia thành các coaserva nhỏ. Các coaserva có thành phần tốt hơn sẽ to ra và phân chia tiếp. Theo Oparin, chọn lọc tự nhiên sẽ giữ lại và hoàn thiện các giọt tốt hơn để tạo nên tế bào. Từ các chất hữu cơ cao phân tử có hiện tượng đông tụ thành giọt keo gọi là giọt coaserva, đây là dấu hiệu sơ khai của sự sống (trao đổi chất, l ớn lên, phân chia). 2. Sự hình thành lớp màng Sự hình thành lớp màng nhằm phân cách coaserva với môi trường. Thông qua màng, coaserva sẽ thực hiện sự trao đổi chất với môi trường. lớp màng này gồm những phân tử protein và lipid sắp xếp theo một trật tự xác định. Các đại phân tử lipid, protit, axit nucleic… xuất hiện trong nước và tập trung cùng nhau dẫn tới việc các phân tử lipid có tính kỵ nước sẽ lập tức hình thành nên lớp màng bao bọc lấy tập hợp các đại phân tử hữu cơ tạo nên các giọt nhỏ li ti khác nhau. Các giọt này chịu sự tác động của chọn lọc tự nhiên sẽ dần tiến hóa và tạo nên các tế bào sơ khai. 3. Sự xuất hiện của enzyme Các enzyme đóng vai trò xúc tác, làm cho quá trình tổng hợp và phân giải các chất hữu cơ xảy ra nhanh hơn. Tiền thân của các enzyme đó có thể là những chất
hữu cơ phân tử lượng thấp kết hợp với các ion kim loại và liên kết với các polypeptide. 4. Hình thành cơ chế di truyền Theo chọn lọc tự nhiên, môi trường sẽ chọn lọc những tế bào thích nghi và đào thải những tế bào không thích nghi. Các đặc tính của tế bào không thể duy trì và tiến hóa qua từng thế hệ nếu như không có cơ chế di truyền. Trong tế bào, thông tin di truyền được mã hóa trong axit nucleit (DNA và RNA), nhưng DNA xuất hiện trước RNA hay ngược lại? Đó vẫn còn là điều bí ẩn. a. Giả thuyết cho rằng DNA xuất hiện trưởc Năm 1929, G.Muller một nhà di truyền học nổi tiếng nêu giả thuyết cho rằng sự sống bắt đầu từ một hoặc vài gen tạo thành không do các sinh vật. Trong một thời gian dài, giả thuyết này không được chú ý. Nhưng sau đó đã xuất hiện một vài bằng chứng cho thấy giả thuyết này ngày càng có lí:  Thứ nhất: cấu trúc phân tử và sự tái sinh của virus. Chúng ta biết rằng sau khi virus xâm nhập vào vi khuẩn chỉ có DNA hoặc RNA được bơm vào và tự nó sao chép rồi tạo ra các hạt virus mới.  Thứ hai: trong quá trình tổng hợp protein, ngoài DNA và mRNA thông tin, còn có sự tham gia của tRNA vận chuyển và rRNA của ribosome. Điều này cho thấy nucleic acid có trước.  Thứ ba: nhiều nucleotide giữ vai trò quan trọng và đa dạng ở tất cả các sinh vật b. Giả thuyết RNA là nguyên liệu di truyền đầu tiên Một số ý kiến cho rằng chính RNA mới là nguyên liệu di truyền đầu tiên, và để chứng minh cho điều này, các nhà khoa học đã nêu ra một vài bằng chứng như:  RNA bền hơn.  RNA có khả năng nhân đôi từ mạch khuôn mẫu nhanh hơn và ít sai sót hơn các trình tự khác.  RNA dễ tổng hợp hơn DNA.
 Sự sai sót trong quá trình tái bản cùng với tác động chọn lọc tự nhiên đã tạo ra sự đa dạng của RNA.  RNA là chất tự xúc tác (với rARN, tARN và mARN). Vậy DNA có trước hay RNA có trước? Đó vẫn là vấn đề nghiên cứu của các nhà khoa học và hi vọng rằng họ sẽ cho ta câu trả lời sớm nhất. Cấu trúc của DNA và bảng chữ vần để lập mã thông tin Các phân tử di truyền như DNA và RNA là các đa phân tử (polymer-dãy của nhiều phân tử nhỏ hơn) được cấu tạo bằng những bloc thành phần gọi là nucleotide. Còn các nucleobase có thành phần khác nhau: đường, phosphat và một nucleobase. Các nucleobase có bốn loại và tạo thành vần chữ cái (alphabet ) nucleobase có thể là A (phân tử adenine), G ( phân tử guanine), C (phân tử cytosine) và T (phân tử thymine), trong RNA chữ cái T được thay bằng U (phân tử uracine). Các nucleobase là các hợp chất giàu nitrogen mà liên kết với nhau theo một quy luật đơn giản: A liên kết với U (hoặc T), G với C. Mỗi cặp cơ sở ( cặp gốc) làm thành một nấc thang của hai sợi xoắn DNA. Và sự kết cặp đặc thù riêng biệt là quan trọng để sao chép trung thành thông tin. Các phân tử phosphate và đường làm thành xương sống của mỗi sợi DNA hoặc RNA Các nucleobase Các nucleobase có thể kết hợp một cách tự phát sau một số bước từ cyanide, acetylene và những phân tử đơn giản có mặt trong số các hóa chất nguyên thủy. Đường Ribose Đường cũng có thể kết hợp từ những hóa chất đơn giản ban đầu. Đã 100 năm người ta đã biết các loại phân tử đường có thể hình thành bằng cách làm nóng
dung dịch kiềm của formaldehyde, các loại hóa chất này cũng tồn tại khi Trái đất còn ở thời kỳ nguyên sơ. Song vấn đề là ở chỗ làm thế nào có được đúng loại đường- cụ thể là ribose, trong trường hợp RNA – để làm ra được nucleotide. Ribose, cùng với 3 loại đường liên quan có thể hình thành từ phản ứng của hai loại đường đơn giản hơn chứa 2 và 3 nguyên tử cacbon theo thứ tự. Khả năng hình thành của ribose theo cách kể trên không giải quyết vấn đề vì sao ribose lại có nhiều trên Trái đất lúc nguyên sơ, ribose không bền và dễ dàng phân rã trong dung dịch kiềm nhẹ. Trong quá khứ điều quan sát này dẫn nhiều nhà nghiên cứu đến kết luận rằng các phân tử di truyền nguyên thủy không chứa ribose. Phosphorus Phần phosphate của các nucleotide là phần gây ra một bí ẩn. Phosphorus- nguyên tố trung tâm của nhóm phosphate- là nguyên tố trung tâm của nhóm phosphate- là nguyên tố có nhiều trong vỏ Trái đất song không hòa tan trong nước là môi trường mà người ta giả định ở đấy đã phát sinh sự sống. Do đó khó hiểu được vì sao phosphate lại có mặt được trong chất liệu tiền sinh học (prebiotic mix). Nhiệt độ cao từ các giếng núi lửa (volcanic vent) có thể biến các khoáng sản chứa phosphate thành dạng phosphate hòa tan được trong nước song theo ước đoán của các nhà khoa học thì lượng này không nhiều. Một nguồn gốc khác của các hợp chất phosphorus này là schreibersite, một khoáng chất tìm thấy trong một số thiên thạch. Năm 2005 Mathew Pasek và Dante Lauretta ( Đại học Arizona) đã tìm thấy sự ăn mòn schreberste trong nước có thể giải thoát thành phần phospharus. Như thế chúng ta đã có ít nhất một bức tranh phác họa các khả năng tạo thành các nucleobase, đường và phosphate, song vấn đề chính lại là các thành phần đó đã liên kết đúng đắn bằng cách nào để có các nucleobse tồn tại trong thực tế. Chính công đoạn này mới là công đoạn chứa nhiều bí ẩn trong hóa học tiền sin học (prebiotic) mà nhiều nhà nghiên cứu đã phải dày công làm việc trong nhiều thập kỷ qua.
Sơ đồ cấu trúc DNA Để cho sự liên kết hóa học dẫn đến kết quả mong muốn thì cần những hợp chất giàu năng lượng. Những hợp chất như thế cũng tồn tại trên Trái đất nguyên sơ, song song trong phòng thí nghiệm các phản ứng kích hoạt nhờ những hợp chất này tỏ ra không đủ hữu hiệu và trong đa số trường hợp là vô hiệu. John Sutherland và cộng sự tại Đại học Manchester, Anh đã thông báo rằng họ đã tìm thấy con đường hình thành các nucleotide song hành với tính không bền của ribose. Họ đã tạo được một phân tử nhỏ mà họ gọi là 2- aminooxazole, phân tử này có thể xem là một đoạn của đường (sugar) kết liền với nucleobase. Các phân tử này có thể tích tụ nhiều và sau đó nhờ nhiều phản ứng hóa học khác nhau có thể tạo thành một nucleobase gắn với đường toàn vẹn. Điều lý thú là các tia UV của mặt trời khi chiếu vào những vùng nước cạn có thể loại bỏ những nucleobase đúng. Nhóm Sutherland có thể giải thích được con đường tạo thành RNA ở các thời điểm nguyên sơ của Trái đất. Tạo RNA Một khi chúng ta đã có các nucleotide bước còn lại là quá trình polymer hóa đ ể có được phân tử RNA: đường (sugar) của một nucleotide sẽ liên kết hóa học với
phosphate tiếp theo và như thế các nucleotide sẽ nối với nhau thành một chuỗi. Họ đã tạo được những dãy RNA dài gồm 40 nucleotide ( một gen hiện nay dài đ ến nhiều nghìn nucleotide). Song sự polymer hóa cũng chưa giải quyết được vấn đề nguồn gốc của sự sống. Muốn là “sống” các sinh thể phải có khả năng sinh sản đây là một quá trình đòi hỏi sự sao chép thông tin. Trong các tế bào hiện tại thì enzyme làm nhiệm vụ sao chép đó. Tuy nhiên các đa phân tử có thể cuộn lại thành nhiều dạng và từ đó có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học giống như các enzyme ngày nay đang làm. Cho nên nhiều khả năng là các RNA trong những sinh thể nguyên sơ có thể điều hành sự sao chép này. Khái niệm này đã dẫn đến nhiều thí nghiệm trong Szostak Lab và phòng thí nghiệm của David Bartel ở MIT. Hiện nay nguyên lý tự sao chép RNA (RNA self-replication) đã nhận được sự hưởng ứng từ Tracey Lincoln, Gerald Joyce (Scripps Research Institute). Tiếc thay các thí nghiệm cần nhiều RNA mà chúng ta chưa thể chế tạo nổi với số lượng lớn cần thiết. Tiền tế bào Giả sử rằng khoảng trống trong sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc sự sống một ngày nào đó sẽ được lấp trống, ta hãy tìm xem các phân tử bằng cách nào đã tương tác với nhau để liên kết thành một cấu trúc có dạng tế bào nói cách khác một “tiền tế bào” (protocell). Các màng bao bọc các tế bào hiện tại gồm một lớp kép lipid chứa phospholipid & choesterol. Những loại protein phức tạp nằm trong các màng đó đóng vai trò thủ môn giữ khung thành, chúng bơm ra và hút vào tế bào những phân tử trong khi đó những protein khác lại có nhiệm vụ hàn gắn các màng. Thử hỏi làm thế nào mà các tiền tế bào với cấu trúc đơn sơ lại có thể đảm nhiệm những công việc trên bào với cấu trúc đơn sơ lại có thể đảm nhiệm những công việc trên mà không có bộ máy protein? Những màng nguyên thủy có lẽ được cấu thành bởi những phân tử đơn giản, như các acid béo ( một thành phần của các phospholipid phức tạp). Những nghiên cứu trong những năm 1970 chứng tỏ rằng các màng đó được hình thành nhờ