Trình bày các giai đoạn phát sinh và phát triển của sự sống trên Trái Đất

Câu hỏi: Trình tự các giai đoạn của tiến hóa phát sinh sự sống trên Trái Đất là?

A. Tiến hóa hóa học – tiến hóa sinh học.

B. Tiến hóa hóa học – tiến hóa tiền sinh học - tiến hóa sinh học.

C. Tiến hóa sinh học – tiến hóa hóa học – tiến hóa tiền sinh học.

D. Tiến hóa tiền sinh học – tiến hóa sinh học – tiến hóa hóa học.

Lời giải:

Đáp án đúng: B. Tiến hóa hóa học – tiến hóa tiền sinh học - tiến hóa sinh học.

Giải thích:

Trong giai đoạn tiến hóa hóa học, các chất vô cơ có trong khí quyển nguyên thủy (hơi nước, khí cacbônic, amôniac, nitơ...) dưới tác động của các nguồn năng lượng tự nhiên đã liên kết lại tạo nên các phân tử hữu cơ đơn giản (cacbonhiđrô, saccarit, lipit, axit amin và nuclêôtit). Các chất hữu cơ hòa tan trong đại dương nguyên thủy lắng đọng trên nền bùn sét nóng đã trùng hợp lại tạo nên các đại phân tử như ARN, ADN và prôtêin...

Trong giai đoạn tiến hóa tiền sinh học, các đại phân tử tập hợp và tương tác với nhau trong một hệ thống mở tạo nên các tế bào nguyên thủy (tiền tế bào).

Trong giai đoạn tiến hóa sinh học, từ các dạng tiền tế bào đã tiến hóa cho ra tất cả các sinh vật nhân sơ và nhân thực hiện nay.

Cùng Toploigiai tìm hiểu những kiến thức cơ bản về sự sống trên Trái Đất nhé!

Xét về toàn bộ quá trình tiến hóa, sự sống trên Trái Đất đã trải qua các giai đoạn sau:

- Tiến hóa hóa học: sự hình thành và tiến hóa của các hợp chất hữu cơ

- Tiến hóa tiền sinh học: sự hình thành và tiến hóa của các tế bào sơ khai

- Tiến hóa sinh học: sự tiến hóa của các loài sinh vật trên Trái Đất cho đến ngày nay.

I. Tiến hóa hóa học

1. Hình thành các chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ

- Theo ông Oparin (Nga) và Haldane (Anh) đã độc lập nhau cùng đưa ra giả thuyết cho rằng các hợp chất hữu cơ đơn giản đầu tiên trên trái đất có thể được xuất hiện bằng con đường hóa tổng hợp từ các chất vô cơ nhờ nguồn năng lượng là sấm sét, tia tử ngoại, núi lửa: Bầu khí quyển nguyên thủy không có oxi, dưới tác dụng của nguồn năng lượng tự nhiên (tia chớp, tia tử ngoại, núi lửa …) 1 số các chất vô cơ kết hợp tạo nên chất hữu cơ đơn giản: a. amin, nucleotit, đường đơn, a. xit béo … Các đơn phân kết hợp với nhau tạo thành các đại phân tử.

- Ông Miller và Uray đã làm thí nghiệm kiểm chứng: Tạo ra môi trường có thành phần hóa học giống khí quyển của trái đất nguyên thủy trong bình thủy tinh. Hỗn hợp khí CH4, NH3, H2 và hơi nước được đặt trong điều kiện phóng điện liên tục suốt 1 tuần lễ. Kết quả các ông đã thu được 1 số chất hữu cơ đơn giản trong đó có các a. amin. Các chất hữu cơ được hình thành trong điều kiện hóa học của bầu khí quyển nguyên thủy ngày càng phức tạp dần CH → CHO → CHON

2. Quá trình trùng phân tạo nên các đại phân tử hữu cơ

- Để chứng minh các đơn phân như axit amin có thể kết hợp với nhau tạo nên các chuỗi polipeptit đơn giản trong điều kiện trái đất nguyên thủy, ông Fox và các cộng sự vào năm 1950 đã tiến hành thí nghiệm đun nóng hỗn hợp các axit amin khô ở nhiệt độ từ 150 → 180oC và đã tạo ra được các chuỗi peptit ngắn (gọi là prôtêin nhiệt).

→ Kết luận: Các đơn phân tử kết hợp với nhau tạo thành các đại phân tử.

3. Sự xuất hiện cơ chế tự nhân đôi

a. ADN có trước hay ARN có trước?

- Một số bằng chứng đã chứng minh ARN có thể tự nhân đôi không cần enzim nên ARN tiến hóa trước ADN.

- ARN có khả năng tự nhân đôi, CLTN sẽ chọn các phân tử ARN có khả năng tự sao tốt, có hoạt tính enzim tốt làm vật liệu di truyền. Từ ARN → ADN.

b. Hình thành cơ chế dịch mã:

- ARN là khuôn để các axit amin liên kết nhau tạo thành chuỗi polipeptit và chúng được bao bọc bởi màng bán thấm cách li với môi trường ngoài.

II. Tiến hóa tiền sinh học

- Các đại phân tử: lipit, protit, a. nucleic … xuất hiện trong nước và tập trung cùng nhau thì các phân tử lipit do đặc tính kị 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 CLTN sẽ tiến hóa dần tạo nên các tế bào sơ khai (protobiont).

- Các protobiont nào có được tập hợp các phân tử giúp chúng có khả năng trao đổi chất và năng lượng với bên ngoài, có khả năng phân chia và duy trì thành phần hóa học thích hợp thì được giữ lại và nhân rộng.

- Bằng thực nghiệm các nhà khoa học cũng đã tạo được các giọt gọi là lipôxôm khi cho lipit vào trong nước cùng với một số các chất hữu cơ khác nhau. Lipit đã tạo nên lớp màng bao lấy các hợp chất hữu cơ khác và một số li-pô-xôm cũng đã biểu hiện một số đặc tính sơ khai của sự sống như phân đôi, trao đổi chất với môi trường bên ngoài. Ngoài ra các nhà khoa học cũng tạo được các giọt côaxecva có khả năng tăng kích thước và duy trì cấu trúc ổn định trong dung dịch.

- Sau khi các tế bào nguyên thủy được hình thành thì quá trình tiến hóa sinh học tiếp diễn, dưới tác động của các nhân tố tiến hóa đã tạo ra các loài sinh vật như ngày nay. Tế bào nhân sơ (cách đây 3,5 tỉ năm), đơn bào nhân thực (1,5 – 1,7 tỉ năm), đa bào nhân thực (670 triệu năm).

III. Tiến hóa sinh học

Từ các tế bào nguyên thủy, dưới tác dụng chọn lọc của các nhân tố tiến hóa (thuyết tiến hóa tổng hợp) tạo nên các loài sinh vật như ngày nay.

Quá trình phát sinh và phát triển của sự sống trên Trái Đất gồm các giai đoạn sau:

    (1) Tiến hoá tiền sinh học.

    (2) Tiến hoá hoá học.

    (3) Tiến hoá sinh học.

Các giai đoạn trên diễn ra theo trình tự đúng là:

A.

B.

C.

D.

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.