Sự sống trên trái đất - Kiến thức toàn tập

Sự sống (life) trên trái đất là một thuật ngữ trong sinh học dùng để mô tả các loại vật chất có quá trình sinh học bao gồm: các quá trình tín hiệu và tự duy trì, được xác định bởi khả năng phản ứng với môi trường xung quanh, tăng trưởng, quá trình chuyển hóa, biến đổi năng lượng và sinh sản.

Sinh học là ngành khoa học nghiên cứu về sự sống, hiện nay ngành khoa học này đã ghi nhận được các hình thức của sự sống tồn tại như:

Thực vật
Động vật
Nấm
Vi khuẩn
Sinh vật nguyên sinh
Cổ khuẩn

1. Cấu trúc của sự sống

1.1. Phân tử sinh học

Những sinh vật được coi là sự sống đều được tạo thành từ các phân tử sinh học, chủ yếu được hình thành từ một số ít các nguyên tố hóa học cốt lõi.

Tất cả các sinh vật đều chứa hai loại phân tử lớn, protein và axit nucleic, thường là cả DNA và RNA: chúng mang thông tin cần thiết cho mỗi loài, bao gồm các hướng dẫn để tạo ra từng loại protein.

Các protein đóng vai trò là máy móc thực hiện nhiều quy trình hóa học của sự sống. Tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của sự sống. Các sinh vật nhỏ hơn, bao gồm vi khuẩn và archaea, bao gồm một tế bào duy nhất nhỏ.

Các sinh vật lớn hơn, chủ yếu là eukaryotes, có thể bao gồm tế bào đơn hoặc có thể là đa tế bào với cấu trúc phức tạp hơn.

Sự sống chỉ được xác nhận trên Trái Đất nhưng có thể có khả năng tồn tại sự sống ngoài Trái Đất. Sự sống nhân tạo đang được mô phỏng và khám phá bởi các nhà khoa học và kỹ sư.

1.2. Gen và tế bào

Trong sự sống nói chung, Gen là đơn vị di truyền, trong khi tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của sự sống mặc dù có nhiều sự sống không có cấu trúc của một tế bào hoàn chỉnh.

Có hai loại tế bào, tế bào prokaryotic và tế bào eukaryotic, cả hai đều bao gồm tế bào chất (cytoplasm). Trong đó tế bào chất là một phần quan trọng của tế bào, nằm trong bên trong màng tế bào và bên ngoài hạt nhân. Nó là một chất gel dày có thể chứa các cấu trúc tế bào như tế bào nhỏ, các cấu trúc tế bào nhỏ và hạt ribosome.

Tế bào chất bao gồm nước, các phân tử hữu cơ (như protein, carbohydrate và lipid), các ion và các hạt ribosome. Nó là nơi diễn ra nhiều quá trình tế bào như tổng hợp protein, quá trình trao đổi chất và truyền tín hiệu.

Tế bào sinh sản thông qua quá trình phân chia tế bào, trong đó tế bào cha chia thành hai hoặc nhiều tế bào con và truyền gen của nó cho thế hệ mới, đôi khi tạo ra biến thể di truyền.

1.3. Quá trình sinh học

Các sinh vật (Organism) hay các thực thể cá nhân của sự sống, thông thường được coi là các hệ thống mở duy trì sự cân bằng nội bào, được cấu tạo bởi tế bào, có chu kỳ sống, trải qua quá trình trao đổi chất, có thể phát triển, thích nghi với môi trường của mình, phản ứng với tác động từ môi trường, sinh sản và tiến hóa qua nhiều thế hệ.

Đôi khi các định nghĩa khác bao gồm các hình thái sống không phải là tế bào như virus và viroid, nhưng chúng thường bị loại trừ vì chúng không hoạt động độc lập; thay vào đó, chúng lợi dụng quá trình sinh học của các chủ bị nhiễm.

Kể từ khi bắt đầu từ nguyên thủy, sự sống trên Trái Đất đã thay đổi môi trường của nó trong quy mô thời gian địa chất, nhưng cũng đã thích nghi để tồn tại trong hầu hết các hệ sinh thái và điều kiện.

Các dạng sống (life form) mới đã tiến hóa từ tổ tiên chung thông qua biến đổi di truyền và chọn lọc tự nhiên, và ngày nay, ước tính số lượng các loài riêng biệt dao động từ 3 triệu đến hơn 100 triệu.

Chết là sự chấm dứt vĩnh viễn của tất cả các quá trình sinh học duy trì một hệ sinh thái, và do đó, là sự kết thúc của sự sống.

Tuyệt chủng là thuật ngữ miêu tả sự tuyệt chủng của một nhóm hoặc nhóm loài, thường là một loài. Khi đã tuyệt chủng, loài hoặc nhóm tuyệt chủng không thể sống lại. Hóa thạch là những phần còn lại hoặc dấu vết được bảo tồn của các hình thái sống.

1.4. Abiogenesis

Abiogenesis là quá trình mà sự sống được hình thành từ vật chất không sống hoặc từ những hợp chất hóa học đơn giản.

Nó đề cập đến việc xuất hiện của các hệ thống sinh học và các sự sống từ các nguyên liệu không sống ban đầu.

Abiogenesis, theo các giả thuyết hiện đại, đề cập đến sự hình thành của các cấu trúc và hệ thống sinh học đơn giản từ những hợp chất hóa học cơ bản có sẵn trong môi trường.

Các sự sống đầu tiên được cho là các hệ thống tổ chức đơn giản có khả năng sao chép và tăng cường cấu trúc.

Trong thuyết tiến hóa, sự sống đơn giản đầu tiên (có thể là các hình thức prion-like hoặc các hệ thống hóa học đơn giản) được xem là nguồn gốc của các dạng sự sống phức tạp hơn thông qua các quá trình tiến hóa dựa trên chọn lọc tự nhiên.

Các hình thức sự sống đơn giản này sau đó có thể đã tiến hóa thành các cấu trúc và hệ thống sinh học phức tạp hơn theo thời gian.

1.5. Prion vật chất tiền sự sống

Prion là một loại protein không có acid nucleic (DNA hoặc RNA) đi kèm, nhưng lại có khả năng gây nhiễm và tự truyền một cấu trúc gập sai đặc biệt.

Đặc điểm quan trọng của prion là khả năng tự truyền cấu trúc gập sai này sang các protein khác trong cơ thể, dẫn đến hiện tượng lan truyền và gây bệnh.

Các lý do prion được coi là vật chất tiền sự sống hoặc một dạng tiền sự sống bao gồm:

Không mang Acid Nucleic: Prion không chứa DNA hoặc RNA, những phân tử thông thường đóng vai trò quan trọng trong di truyền và tổ chức thông tin di truyền. Sự thiếu hụt này khiến prion trở nên đặc biệt và khác biệt so với các sinh vật sử dụng acid nucleic để lưu trữ thông tin di truyền.

Khả Năng Tự Truyền: Prion có khả năng tự truyền cấu trúc gập sai của nó sang các protein khác và gây ra sự biến đổi tương tự. Điều này làm cho prion trở thành một “nguyên tố” có khả năng truyền đạt thông tin cấu trúc gập sai mà không cần acid nucleic.

Khả Năng Gây Bệnh: Cấu trúc gập sai của prion gây ra các bệnh spongiform encephalopathies (TSEs) ở người và động vật. Mặc dù không phải vi sinh vật, prion có khả năng ảnh hưởng và gây bệnh trong các hệ thống sống khác, điều này gợi ý một khía cạnh tiềm ẩn của sự sống.

2. Phân loại sự sống trên trái đất

Sự sống trên Trái Đất được phân loại thành hai loại chính là Non-cellular life (Sự sống không tế bào) và Cellular life (Sự sống tế bào) dựa trên các yếu tố chủ yếu liên quan đến cấu trúc và tổ chức của các hình thức sự sống.

2.1. Cellular Life (Sự sống tế bào)

Hầu hết các loài sống trên Trái Đất, bao gồm động vật, thực vật, nấm, và một số vi khuẩn (eukaryotic bacteria) có cấu trúc tế bào.

Đặc điểm chính:

Sự sống được tổ chức và cấu thành bởi các tế bào, đơn vị cơ bản và chức năng của sự sống.
Tế bào là đơn vị cơ bản có cấu trúc phức tạp và chứa các thành phần quan trọng như hạt nhân (nucleus), cytoplasm, và các cấu trúc nội bào (organelles).

Ví dụ: Người, cây cỏ, động vật, nấm, vi khuẩn eukaryotic như giun đất và khuẩn eukaryotic (certain protists).

2.2. Non-Cellular Life (Sự sống không tế bào)

Bao gồm các hình thức sự sống như virus và prions, không được coi là tế bào, nhưng vẫn có một số đặc điểm của sự sống và có thể tự nhân bản.

Đặc điểm chính:

Không có cấu trúc tế bào phức tạp hoặc cấu trúc tương tự như tế bào.
Không được cấu thành từ các đơn vị tế bào, thay vào đó, chúng thường là các thực thể đơn lẻ hoặc đối tượng không có cấu trúc tế bào.

(Hình ảnh phân loại các sự sống trên trái đất)

2.3. Các đặc điểm phân chia

Sự sống trên Trái Đất được phân loại thành sự sống không tế bào (non-cellular life) và sự sống tế bào (cellular life) dựa trên một số lý do và đặc điểm quan trọng.

Dưới đây là một số đặc điểm chính dẫn đến phân loại này:

Cấu trúc tổ chức:

Sự sống tế bào: Cấu trúc tổ chức thành các tế bào, mỗi tế bào chứa các thành phần và cơ cấu chức năng cụ thể.
Sự sống không tế bào: Thiếu cấu trúc tế bào hoặc các thành phần tế bào.

Tồn tại của tế bào và hạt nhân:

Sự sống tế bào: Có tế bào là đơn vị cơ bản của tổ chức, có thể có hạt nhân chứa gen và là nơi quản lý hoạt động di truyền.
Sự sống không tế bào: Không có tế bào hoặc hạt nhân tương tự.

Có genetic material có tổ chức:

Sự sống tế bào: Có genetic material (genomes) tổ chức như DNA hoặc RNA, đặc trưng cho tính di truyền và chức năng cụ thể của sinh vật.
Sự sống không tế bào: Có thể không chứa genetic material tổ chức hoặc chứa genetic material không tổ chức.

Tính chất về sinh sản và tự tăng số lượng:

Sự sống tế bào: Sinh sản thông qua quá trình tế bào (mitosis, meiosis) hoặc kết hợp tế bào (fertilization) trong sinh vật đa tế bào.
Sự sống không tế bào: Sinh sản thông qua cơ chế đặc biệt tùy thuộc vào loại sự sống không tế bào.

Phản ứng và tương tác với môi trường:

Sự sống tế bào: Tương tác với môi trường xung quanh thông qua các cấu trúc và chức năng tế bào.
Sự sống không tế bào: Tương tác với môi trường dưới dạng tổ chức hoặc cơ chế đặc biệt.

2.4. Phân loại sự sống không tế bào (Non-Cellular Life)

Sự sống không tế bào (Non-Cellular Life), còn được gọi là sự sống không có cấu trúc tế bào hoặc sự sống không cần tế bào, là một dạng sự sống tồn tại ít nhất trong một giai đoạn của chu kỳ sống mà không có cấu trúc tế bào.

Sự sống không tế bào được chia thành 3 loại:

Viruses (Vi-rút): Đây là dạng sự sống không tế bào lớn nhất và phổ biến nhất. Virus không có cấu trúc tế bào, chủ yếu gồm chất gen và có thể sở hữu DNA hoặc RNA. Virus không thể tự nhân bản và cần phụ thuộc vào tế bào chủ để nhân bản. Có tranh luận về việc xem virus có phải là các sinh vật hay không, bởi chúng không thể tự sinh sản độc lập.

Virusoids (Virusoid): Virusoid là một dạng nhỏ hơn, tương tự virus. Virusoids chỉ gồm một đoạn RNA và không có protein bao phủ. Chúng phụ thuộc vào virus để hoàn thành chu kỳ sống của mình.

Viroids (Vi-roi): Viroids cũng là một dạng nhỏ của sự sống không tế bào. Chúng chỉ bao gồm các chuỗi RNA vòng ngắn không có bọc protein. Viroid gây bệnh cho cây trồng và một số động vật, đặc biệt quan trọng với cây trồng. Viroid không mã hóa bất kỳ protein nào và phụ thuộc vào tế bào chủ để nhân bản.

2.5. Phân loại sự sống tế bào (Cellular Life)

Sự sống có tế bào (Cellular Life) đề cập đến tất cả các dạng sự sống mà có cấu trúc tế bào là một thành phần cơ bản. Mỗi tế bào bao gồm cytoplasm (chất lỏng bên trong tế bào) được bao quanh bởi màng tế bào và chứa nhiều chất lớn như protein, DNA, RNA, cùng với nhiều chất nhỏ như chất dinh dưỡng và chất trao đổi chất.

Sự sống có tế bào được chia thành 3 domain:

Sự phân loại thành 3 domain – Bacteria, Archaea, và Eukaryota – dựa trên sự tiến hóa và các đặc điểm cấu trúc cơ bản. Mỗi domain đại diện cho một nhóm lớn các dạng sự sống có tế bào với những đặc điểm cụ thể và tổ chức cấu trúc riêng.

Bacteria (Vi khuẩn): Bacteria là một trong những domain chính và phổ biến nhất. Đây là các sinh vật prokaryotic (tế bào không có hạt nhân chứa trong nhân), thường nhỏ kích thước và có đa dạng môi trường sống. Chúng có tầm quan trọng to lớn trong các quy trình sinh học và môi trường.

Archaea (Cổ khuẩn): Cổ khuẩn cũng là prokaryotic nhưng khác với bacteria trong môi trường sống và cấu trúc di truyền. Chúng sống ở môi trường khắc nghiệt như môi trường nước mặn, nước nóng, hoặc môi trường chưa được khám phá kỹ. Ki-sinh có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu sự tiến hóa và sinh thái.

Eukaryota (Sinh học nguyên sinh): Eukaryota là domain có các tế bào eukaryotic, tức là chúng có hạt nhân chứa trong nhân và nhiều cấu trúc tế bào phức tạp hơn so với prokaryotes. Eukaryota bao gồm đa số các loài động, thực vật, nấm và nhiều dạng sự sống phức tạp khác. Chúng có vai trò quan trọng trong các hệ sinh thái và quy trình sinh học trên trái đất.

3. Đặc trưng cơ bản của sự sống

Các đặc trưng cơ bản của sự sống có thể được tóm tắt như sau:

Có cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi:

Các sinh vật và cơ thể sống được tạo thành từ các nguyên tố hóa học nhưng cấu trúc bên trong vô cùng phức tạp.
Cấu trúc tinh vi bao gồm vô số các hợp chất hóa học và các cấu trúc cụ thể thực hiện các chức năng quan trọng.

Sự chuyển hóa năng lượng phức tạp:

Sinh vật thu nhận năng lượng từ môi trường xung quanh (qua thực phẩm, ánh sáng, hoặc hợp chất hóa học) và biến đổi nó thành năng lượng cần thiết để xây dựng và duy trì tổ chức phức tạp của sự sống.

Thông tin ổn định, chính xác và liên tục:

Sự sống liên quan chặt chẽ đến việc duy trì, truyền bá và sắp xếp thông tin.
Thông tin này quan trọng cho các quá trình sống như sinh sản, phát triển, tiến hóa và phản ứng thích nghi.
Các quá trình này cần được thực hiện một cách chính xác để duy trì tính ổn định và liên tục của sự sống.

Những đặc trưng này tạo nên cơ sở cho hiểu biết và nghiên cứu về sự sống và các hệ sinh thái mà chúng ta quan sát và tìm hiểu trong tự nhiên.

4. Biểu hiện của sự sống

Tính tới thời điểm hiện nay, vẫn chưa có một sự nhất quán nào đó của giới khoa học về việc định nghĩa thế nào là một sự sống, hầu hết các định nghĩa hiện tại trong sinh học đều phần nhiều mang tính mô tả từ hiện thực khách quan.

Trong thế giới vật chất của chúng ta, một vật chất được coi là sự sống khi chúng có một quy trình sinh học. Trong đó, các quy trình sinh học là những quy trình quan trọng đối với một sinh vật để sống, và định hình khả năng tương tác của nó với môi trường.

Các quy trình sinh học bao gồm nhiều phản ứng hoá học hoặc các sự kiện khác tham gia vào sự duy trì và biến đổi của các hình thức sống.

4.1. Các đặc điểm của sự sống

Từ đó, một vật chất mà được coi là sự sống tế bào được coi khi chúng chứa các đặc điểm giúp chúng có thể nhận biết, duy trì, thúc đẩy hoặc củng cố sự tồn tại của nó trong môi trường cụ thể:

Cân bằng nội bộ: điều chỉnh môi trường nội bộ để duy trì một trạng thái ổn định; ví dụ, ra mồ hôi để làm giảm nhiệt độ.

Tổ chức: có cấu trúc bao gồm một hoặc nhiều tế bào – đơn vị cơ bản của sự sống.

Chuyển hóa: biến đổi năng lượng, được sử dụng để chuyển đổi các chất thành thành phần tế bào (anabolism) và phân giải chất hữu cơ (catabolism). Sinh vật sống cần năng lượng để duy trì cân bằng nội bộ và các hoạt động khác.

Tăng trưởng: duy trì tốc độ anabolism cao hơn so với catabolism. Một sinh vật đang phát triển tăng kích thước và cấu trúc.

Tích hợp: quá trình tiến hóa mà sinh vật trở nên tốt hơn trong việc sống trong môi trường sống của nó.

Phản ứng với tác động: chẳng hạn như co rút của một sinh vật đơn tế bào ra xa các chất bên ngoài, các phản ứng phức tạp liên quan đến tất cả các giác quan của sinh vật đa tế bào, hoặc sự di chuyển của lá cây quay về phía mặt trời (phototropism), và chemotaxis.

Sinh sản: khả năng tạo ra sinh vật cá nhân mới, enther là qua phôi thai (sexual) từ hai sinh vật cha mẹ hoặc qua sinh sản không hình thành (asexual) từ một sinh vật cha mẹ duy nhất.

4.2. Quá trình tín hiệu và quá trình tự duy trì

Dựa trên 7 đặc điểm của sự sống, chúng có thể được phân chia vào hai “Quá trình tín hiệu và quá trình tự duy trì” như sau:

Quá trình tín hiệu (Signaling processes):

Cân bằng nội bộ (Homeostasis): Điều chỉnh môi trường nội bộ để duy trì một trạng thái ổn định. Ví dụ, ra mồ hôi để làm giảm nhiệt độ.

Phản ứng với tác động (Response to stimuli): Đáp ứng và tương tác với tác động từ môi trường xung quanh, ví dụ như di chuyển, co lại, hay quay về hướng tác động.

Quá trình tự duy trì (Self-sustaining processes):

Tổ chức (Organization): Cấu trúc của sự sống, bao gồm tế bào – đơn vị cơ bản của sự sống.

Chuyển hóa (Metabolism): Biến đổi năng lượng và chất để duy trì và xây dựng cấu trúc tế bào (anabolism) và phân giải chất hữu cơ (catabolism).

Tăng trưởng (Growth): Liên quan tới tốc độ tổng hợp chất hữu cơ (anabolism) cao hơn so với phân giải chất hữu cơ (catabolism), duy trì và phát triển kích thước và cấu trúc.

Sinh sản (Reproduction): Tạo ra sinh vật mới, enther là qua phôi thai (sexual) hoặc sinh sản không hình thành (asexual).

Tích hợp (Adaptation): Tiến hóa để trở nên tốt hơn và thích ứng tốt hơn với môi trường sống.

Các đặc điểm này cùng đóng vai trò trong việc tự duy trì sự sống của một hệ thống sinh học và tương tác với môi trường xung quanh.

4.3. Cân bằng nội bộ (Homeostasis)

Cân bằng nội bộ (Homeostasis) trong sinh học đề cập đến trạng thái ổn định của điều kiện nội bộ vật lý, hoá học và xã hội được duy trì bởi các hệ thống sống.

Đây là trạng thái hoạt động tối ưu cho sinh vật và bao gồm nhiều thông số, chẳng hạn như nhiệt độ cơ thể và cân bằng lượng chất lỏng, được duy trì trong các giới hạn cố định (phạm vi cân bằng nội bộ).

Các thông số khác bao gồm pH của chất lỏng ngoài tế bào, nồng độ ion natri, kali và canxi, cũng như mức đường huyết, và cần được điều chỉnh mặc dù có thay đổi trong môi trường, chế độ ăn uống hoặc mức độ hoạt động.

Mỗi thông số này này được kiểm soát bởi một hoặc nhiều bộ điều chỉnh hoặc cơ chế cân bằng nội bộ, kết hợp để duy trì sự sống.

Cân bằng nội bộ được tạo ra thông qua khả năng tự tổ chức và kháng cự tự nhiên khi ở trong điều kiện tối ưu. Cân bằng này được duy trì thông qua nhiều cơ chế điều chỉnh; được cho là là động lực trung tâm cho tất cả các hành động hữu cơ.

Tất cả các cơ chế điều chỉnh cân bằng nội bộ đều có ít nhất ba thành phần tương quan cho biến đang được điều chỉnh: một cảm biến, một trung tâm điều khiển và một cơ cực:

Cảm biến là thành phần cảm nhận giám sát và phản ứng với các thay đổi trong môi trường, bên ngoài hoặc bên trong. Các cảm biến bao gồm thermoreceptor (người cảm nhận nhiệt độ) và mechanoreceptor (người cảm nhận cơ học).
Trung tâm điều khiển bao gồm trung tâm hô hấp và hệ thống renin-angiotensin.
Cơ cực là mục tiêu được tác động, để mang lại sự thay đổi về trạng thái bình thường. Ở cấp tế bào, cơ cực bao gồm các receptor nhân tạo thực hiện thay đổi trong biểu hiện gen thông qua sự tăng hoặc giảm và tham gia trong cơ chế phản hồi tiêu cực.

Ví dụ: Một ví dụ điển hình của cân bằng nội bộ trong kiểm soát axit mật là quá trình điều chỉnh sản xuất axit mật theo nhu cầu tiêu hóa và tiếp nhận chất béo từ chế độ ăn uống.

Khi chúng ta ăn thức ăn giàu chất béo, tín hiệu sẽ được gửi đến gan và túi mật để kích thích sản xuất axit mật. Điều này giúp tiêu hóa chất béo hiệu quả.

Ngược lại, nếu chế độ ăn uống chứa ít chất béo, tín hiệu sẽ giảm và sản xuất axit mật sẽ giảm đi để đảm bảo cân bằng nội bộ. Quá trình này giúp duy trì một môi trường nội bộ ổn định và phù hợp với nhu cầu hiện tại của cơ thể về axit mật.

4.4. Phản ứng với tác động (Response to stimuli)

Phản ứng với tác động (Response to stimuli) là một đặc điểm quan trọng của sự sống. Nó đề cập đến khả năng của một tế bào hoặc một sinh vật phản ứng và tương tác với các tác động từ môi trường xung quanh, bao gồm việc thay đổi trạng thái hoặc hoạt động của chúng để thích ứng với tín hiệu hoặc chất liệu bên ngoài (kích thích).

Các phản ứng này rất quan trọng để sinh vật tồn tại và thích ứng với môi trường. Chẳng hạn, khi thấy một mối đe dọa như một con cáo, một con thỏ sẽ có phản ứng chạy để tự bảo vệ. Điều này giúp sinh vật tránh nguy hiểm và duy trì sự sống.

Tuy nhiên, việc điều chỉnh phản ứng với tác động cũng quan trọng. Sinh vật cần quay về trạng thái nghỉ để duy trì sự sống.

Chẳng hạn, sau khi một con thỏ chạy trốn khỏi con cáo, nó cần quay trở lại trạng thái nghỉ để tránh kiệt sức. Điều này giúp duy trì cân bằng và ổn định nội bộ của cơ thể, được gọi là homeostasis, một đặc điểm quan trọng của sự sống.

Một ví dụ khác, khi có một tác động từ môi trường như một kích thích đau hoặc cảm giác chạm, các tế bào cảm giác (như nociceptors hoặc touch receptors) trong cơ thể sẽ phản ứng bằng cách gửi thông tin về kích thích này đến hệ thống thần kinh trung ương.

Tại đây, thông tin sẽ được xử lý và quyết định về cách phản ứng thích hợp, chẳng hạn như rút tay ra khỏi vùng có đau hoặc trả lời một cảm giác chạm bằng cách di chuyển.

4.5. Tổ chức sinh học (Biological organisation)

Tổ chức sinh học (Biological organisation) đề cập đến cấu trúc và sự tổ chức của sự sống, từ các mức đơn giản đến phức tạp. Đây là một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực y học. Tổ chức sinh học sử dụng một phương pháp giảm thiểu để định nghĩa sự sống và hệ thống các cấu trúc sinh học.

Tổ chức sinh học được hiểu theo một hệ thống phân cấp, từ cấu trúc và mức độ tổ chức thấp hơn như nguyên tử lên đến cấu trúc phức tạp hơn như sinh quyển (biosphere). Mỗi mức trong cấu trúc này đại diện cho sự gia tăng về mặt độ phức tạp tổ chức, với mỗi đối tượng chủ yếu được tạo thành từ đơn vị cơ bản của mức thấp hơn.

Một nguyên tắc cơ bản của tổ chức sinh học là khái niệm về “sự xuất hiện” (emergence) – các thuộc tính và chức năng có tại một mức cấu trúc không xuất hiện và không quan trọng ở các mức thấp hơn.

Tổ chức sinh học đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực y khoa, cho phép áp dụng kiến thức về tác động vật lý và hóa học đối với các bệnh tật và chức năng cơ thể.

Các mức cấu trúc trong tổ chức sinh học bao gồm cấu trúc tế bào, mô tế bào, cơ quan, hệ cơ quan và sinh quyển.

Tổ chức sinh học cũng có xu hướng từ các mức cơ bản như tế bào đến các mức cao hơn và phức tạp hơn, và mỗi mức có thể được mô tả bởi các mức thấp hơn của nó.

4.6. Chuyển hóa (Metabolism)

Chuyển hóa (Metabolism) trong sinh học đề cập đến các phản ứng hóa học quan trọng duy trì sự sống trong cơ thể sinh vật. Có ba chức năng chính của chuyển hóa:

Chuyển đổi năng lượng: Chuyển hóa giúp chuyển đổi năng lượng từ thức ăn thành năng lượng cần thiết để thực hiện các quá trình tế bào.

Chuyển đổi thức ăn thành thành phần tế bào: Chuyển hóa giúp chuyển đổi các chất từ thức ăn thành các thành phần cần thiết cho tạo cấu trúc tế bào và các phân tử quan trọng khác như protein, lipid, axit nucleic và một số loại hydrat cacbon.

Loại bỏ sản phẩm chuyển hóa: Chuyển hóa giúp loại bỏ các sản phẩm chuyển hóa hoặc chất thải, đảm bảo rằng cơ thể duy trì môi trường nội bộ ổn định và không gian tốt để các quá trình tiếp theo diễn ra.

Các phản ứng chuyển hóa có thể được phân loại thành hai loại chính: catabolism và anabolism.

Catabolism (Phân giải chất hữu cơ): Catabolism là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ lớn thành phân tử nhỏ hơn, thường giải phóng năng lượng. Ví dụ, quá trình hô hấp tế bào chuyển đổi glucose thành pyruvate.
Anabolism (Tổng hợp chất hữu cơ): Anabolism là quá trình tổng hợp các phân tử lớn hơn từ các phân tử nhỏ hơn, đòi hỏi năng lượng. Ví dụ, quá trình tổng hợp protein từ các axit amin.

Các phản ứng chuyển hóa được tổ chức thành các “con đường chuyển hóa” (metabolic pathways). Mỗi con đường chuyển hóa bao gồm một chuỗi các phản ứng chuyển hóa, trong đó một chất hóa học được chuyển đổi thành một chất khác thông qua sự tác động của một enzym cụ thể.

Chuyển hóa chủ yếu phụ thuộc vào enzym – chúng tăng tốc các phản ứng chuyển hóa và điều chỉnh tốc độ của chúng. Các phản ứng chuyển hóa đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng nội bộ và các hoạt động khác của sinh vật sống, cung cấp năng lượng và các phân tử cần thiết để xây dựng và duy trì cấu trúc của tế bào.

4.7. Tăng trưởng (Growth)

4.7.1. Quá trình tăng trưởng

Tăng trưởng (Growth) trong ngữ cảnh sinh học đề cập đến việc tăng lượng toàn bộ khối lượng của một tế bào, bao gồm cả khối lượng cytoplasm, nhân và các cấu trúc bào quan trọng (organelle).

Quá trình này xảy ra khi tổng tốc độ sinh học của tế bào (sản xuất các phân tử sinh học hoặc anabolism) nhanh hơn so với tổng tốc độ phân giải tế bào (phá hủy các phân tử sinh học qua proteasome, lysosome hoặc quá trình catabolism).

Tăng trưởng tế bào không được nhầm lẫn với quá trình phân chia tế bào hoặc chu kỳ tế bào, đó là các quá trình riêng biệt có thể xảy ra cùng với tăng trưởng tế bào trong quá trình sinh sản tế bào, trong đó một tế bào, được gọi là tế bào mẹ, tăng trưởng và chia thành hai tế bào con.

Tăng trưởng tế bào và phân chia tế bào cũng có thể xảy ra độc lập với nhau. Trong giai đoạn phát triển sơ sinh (chia tức zygote để tạo morula và blastoderm), các quá trình phân chia tế bào diễn ra lặp đi lặp lại mà không có sự tăng trưởng tế bào.

Ngược lại, một số tế bào có thể tăng trưởng mà không cần phân chia hoặc không cần tiến triển trong chu kỳ tế bào, ví dụ như sự tăng trưởng của các tế bào thần kinh trong quá trình tìm đường dẫn axon trong phát triển hệ thần kinh.

4.7.2. Quá trình gia tăng tế bào

Ở các sinh vật đa tế bào, tăng trưởng mô thường không chỉ xảy ra thông qua tăng trưởng tế bào mà còn thông qua quá trình gia tăng tế bào.

Điều này bởi vì một tế bào đơn có chỉ một bản sao của gen trong nhân tế bào chỉ có thể thực hiện quá trình sinh tổng hợp và do đó tăng trưởng tế bào chỉ ở một nửa tốc độ của hai tế bào.

Do đó, hai tế bào tăng trưởng (tăng khối lượng) ở tốc độ gấp đôi so với một tế bào duy nhất và bốn tế bào tăng trưởng với tốc độ gấp 4 lần so với một tế bào duy nhất.

Nguyên tắc này dẫn đến sự gia tăng mũi tiến của tốc độ tăng trưởng mô (tích luỹ khối lượng) trong quá trình sinh sản tế bào, nhờ vào sự gia tăng mũi tiến mạnh mẽ về số lượng tế bào.

Kích thước tế bào phụ thuộc vào cả tăng trưởng và phân chia tế bào, với sự gia tăng không cân xứng về tốc độ tăng trưởng tế bào dẫn đến sản xuất tế bào lớn hơn và sự gia tăng không cân xứng về tốc độ phân chia tế bào dẫn đến sản xuất nhiều tế bào nhỏ hơn.

Phần lớn quá trình sinh sản tế bào bao gồm tỷ lệ cân bằng giữa tốc độ tăng trưởng tế bào và tốc độ phân chia tế bào để duy trì một kích thước tế bào tương đối ổn định trong dân số tế bào đang tăng theo cấp số nhân.

Một số tế bào đặc biệt có thể tăng kích thước đến mức rất lớn thông qua một chu kỳ tế bào endoreplication không bình thường, trong đó gen bản sao trong giai đoạn S, nhưng không có phân giải sau đó (giai đoạn M) hoặc phân chia tế bào (cytokinesis).

Những tế bào lớn đặc biệt này sau quá trình endoreplication có nhiều bản sao của gen, do đó chúng có số lượng gen nhiều (polyploid).

4.8. Sinh sản (Reproduction)

Sinh sản (Reproduction), còn được gọi là cách tạo ra các sinh vật mới, là một quy trình tự nhiên khiến các con cái mới được tạo ra từ cha mẹ.

Có hai cách để sinh ra con: một là không cần cha mẹ khác (gọi là sinh sản vô tính), hai là cần cha mẹ khác (sinh sản hữu tính)

Sinh sản vô tính: Sinh sản vô tính là quá trình mà một cá thể tạo ra bản sao của chính nó hoặc một phần của nó mà không cần kết hợp với cá thể khác. Điều này có thể xảy ra qua một số phương thức:

Budding (Bốc nở): Một phần của cá thể tách ra và phát triển thành một cá thể mới. Ví dụ, Hydra, một loài động vật nước ngọt, sẽ tạo ra bản sao của chính nó thông qua quá trình bốc nở.
Fission (Chia tách): Một cá thể chia thành hai hoặc nhiều phần, mỗi phần sau đó phát triển thành một cá thể mới. Ví dụ, vi khuẩn chia tách để tạo ra các vi khuẩn con.

Sinh sản hữu tính: Sinh sản hữu tính hay sinh sản có giới tính là quá trình mà hai cá thể khác giới kết hợp để tạo ra một con mới. Quá trình này bao gồm:

Cá thể nam và cá thể nữ: Có hai giới tính khác nhau, mỗi giới tính mang một nửa số gen cần thiết để tạo ra con.
Meiosis (quá trình tạo gamete): Cả hai giới tính tạo ra gamete (tế bào sinh dục) thông qua quá trình meiosis, giảm số lượng gen trong gamete đi một nửa.
Fertilization (phôi thai): Gamete từ cá thể nam và cá thể nữ kết hợp để tạo ra zygote, con mới có sự kết hợp gen từ cả hai phía. Ví dụ, con người, động vật, và nhiều loài thực vật kết hợp giữa cá thể nam và cá thể nữ để sinh sản.

4.9. Tích hợp (Adaptation)

Tích hợp trong sinh học đề cập đến quá trình tiến hóa và thích ứng của các loài sống với môi trường xung quanh để tồn tại và sinh tồn tốt hơn theo thời gian. Đây là một khía cạnh cực kỳ quan trọng trong sự tồn tại của mỗi loài trên hành tinh này.

Chúng ta có thể hiểu tích hợp như một cơ chế tự nhiên giúp sinh vật thích ứng và phát triển để phù hợp với nơi chúng sống và điều kiện môi trường đó.

Cụ thể, tích hợp dựa trên nguyên tắc của tiến hóa và lựa chọn tự nhiên. Sinh vật có xu hướng phát triển những đặc điểm và cơ thể giúp chúng thích ứng với môi trường xung quanh.

Ví dụ, một loài cây có thể phát triển cấu trúc lá, cành, và rễ phù hợp với lượng ánh sáng, độ ẩm, và chất dinh dưỡng có sẵn trong môi trường. Điều này giúp cây tối ưu hóa quá trình quang hợp và sinh sản.

Các động vật cũng trải qua quá trình tích hợp. Chẳng hạn, lông của một loài động vật có thể thay đổi màu sắc hoặc hình dạng để tương thích với môi trường xung quanh và tránh bị kẻ săn mồi.

Loài có khả năng thích ứng tốt hơn với môi trường sẽ có khả năng sinh tồn và góp phần vào quá trình tiến hóa của loài đó.

Tích hợp không chỉ là sự thích ứng vật lý, mà còn bao gồm cách hành vi và tương tác xã hội. Điều này bao gồm cả việc phát triển các chiến lược sinh tồn và hệ thống xã hội phù hợp với môi trường sống. Tích hợp giúp đảm bảo sự cân nhắc và thích ứng hiệu quả của các loài sống trong môi trường đa dạng và thay đổi.