Virus - mối quan hệ sinh vật

Virus
Ba loại virus: virus của vi khuẩn, còn gọi là thực khuẩn thể (trái); virus của động vật
(phải trên); và retrovirus (virus phiên mã ngược, phải dưới)
Virus, còn gọi là siêu vi khuẩn hay siêu vi trùng, là một vật thể nhỏ xâm nhiễm vào cơ thể
sống. Virus có tính kí sinh nội bào bắt buộc; chúng chỉ có thể sinh sản bằng cách xâm
chiếm tế bào khác vì chúng thiếu bộ máy ở mức tế bào để tự sinh sản. Thuật ngữ virus
thường chỉ các vật thể xâm nhiễm sinh vật nhân chuẩn (sinh vật đa bào hay đơn bào), trong
khi thuật ngữ thực khuẩn thể (bacteriophage hay phage) được dùng để chỉ các vật thể xâm
nhiễm sinh vật nhân sơ (vi khuẩn hoặc vi khuẩn cổ).
Virus điển hình mang một lượng nhỏ axit nucleic (DNA hoặc RNA) bao quanh bởi lớp áo
bảo vệ (vỏ capsid) cấu tạo bằng protein, hay lipoprotein.
Điều quan trọng là bộ gen của virus không chỉ mã hoá cho các protein cần để bao bọc vật
liệu di truyền của nó mà còn mã hoá cho các protein cần cho virus sinh sản trong chu kì
xâm nhiễm của nó.
Tính liên tục: sự sống bắt nguồn từ một tổ tiên chung
Một nhóm sinh vật được gọi là có chung một nguồn gốc nếu cùng một tổ tiên chung
(common descent). Tất cả các loài sinh vật trên trái đất đều xuất phát từ một thuỷ tổ
(ancestor) hoặc một vốn gene gốc (ancestral gene pool). Giống sinh vật là thuỷ tổ của tất cả
các nhóm sinh vật hiện nay có lẽ xuất hiện ở Trái Đất khoảng 3,5 tỷ năm trước. (Xem thêm
nguồn gốc sự sống (origin of life).)
Tư tưởng về "tất cả sự sống bắt nguồn từ một quả trứng (tiếng Latin: Omne vivum ex ovo)
là một khái niệm cơ bản của sinh học hiện đại, nó nghĩa sự sống từ khi khởi nguồn đến
ngay nay để vận động và phát triển liên tục, không ngừng. Mặc dù đến tận thế kỷ 19, người
ta vẫn còn tin rằng các dạng sống có thể xuất hiện một cách tình cờ dưới một số điều kiện
nhất định. (Xem thêm tạo sinh phi sinh học (abiogenesis).)
Tính phổ biến của mã di truyền (genetic code) là một bằng chứng xác đáng mà các nhà
sinh học khẳng định giả thuyết về một tổ tiên chung (universal common descent, UCD).
của tất cả các loài vi khuẩn thực (eubacteria), vi khuẩn cổ (archaea) và sinh vật nhân thực
(eukaryote). (Xem thêm Hệ thống phân loại 3 giới.)
Nguồn gốc sự sống
Một hòn đá stromatolites (một loại đá trầm tích

cổ, thường chứa các loại vi khuẩn hóa thạch) tìm
thấy ở công viên quốc gia Glacier, Mỹ. Vào năm
2002, William Schopf của UCLA đã cho rằng
mẫu đá này đã có từ 3.5 tỉ năm trước.Xem thêm
ở Is this life?. Nếu đúng, đây có thể là hình thái
sự sống đầu tiên trên Trái Đất.
Nghiên cứu về nguồn gốc sự sống là một trong
những lĩnh vực được biết đến rất hạn chế mặc dầu hầu hết những hiểu biết của con người
về bộ môn sinh học và thế giới tự nhiên là dựa trên nó. 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 rầt 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.
Những tư tưởng về sự sống đầu tiên: Aristotle, Pasteur, Darwin, Oparin
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, rệp trong sương. Cuộc sống, nói ngắn gọn hơn, là
bắt nguồn từ sự phát triển tự nhiên. Những nhà khoa học đầu thế kỉ 18 đã lật đổ những học
thuyết của Aristotle, nhưng phải đến những thí nghiệm của Louis Pasteur vào năm 1862
người ta mới chắc chắn rằng một nơi đã được vô trùng thì sẽ vĩnh viễn không có bất cứ
sinh vật nào phát sinh trong nó được nữa. Ngoài ra ông cũng cho rằng sự sống chỉ có thể
phát sinh từ những cơ thể sống phức tạp khác. Những công trình của Pasteur có thể được
tóm tắt trong một định luật mà ngày nay chính là nền tảng của thuyết tiến hóa hiện đại:
Định luật phát sinh sinh vật: "Mọi cuộc sống đều bắt đầu từ trứng" (nguyên bản tiếng
Latinh omne vivum ex ovo).
Ngành khoa học sinh vật hiện đại đang phải đương đầu với một câu hỏi cao hơn: sự sống
bắt nguồn "đầu tiên" ở đâu? Pasteur đã chứng minh rằng những sinh vật bậc cao không thể
phát sinh một cách tự nhiên. 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 cơ
bản, nhưng nó sẽ không mang những đặc điểm như lúc trước nữa, nhưng những sinh vật cơ

bản ấy sẽ từ đâu ra? Darwin rất quan tâm đến vấn đề này. Trong một là thư gửi cho Joseph
Dalton Hooker ngày 1 tháng 2 năm 1871, Darwin đã cho rằng sự sống bắt nguồn từ "một
cái hồ nước ấm áp có chứa đầy các loại muối ammonia và phosphate, ánh sáng, nhiệt độ,
điện,... để các hợp chất protein có thể hình thành và trải qua những biến đổi phức tạp".
Tiếp theo đó, Darwin tìm cách lí giải luận điểm của mình "vào bây giờ, những điều kiện
như thế nếu tồn tại sẽ bị biến mất ngay lập tức, ngoại trừ trước khi tất cả các sinh vật sống
được sinh ra". Nói một cách khác, sự khai sinh các dạng sống phức tạp có thể một phần
nào ngăn cản sự tạo thành những hợp chất hữu cơ cơ bản trên Trái Đất, một điều kiện
khiến cho việc đi tìm câu trả lời cho câu hỏi trên nằm trong phòng thí nghiệm.
Câu trả lời cho câu hỏi của Darwin vẫn nằm ngoải tầm hiểu biết của khoa học hiện đại, và
hầu như không có một tiến bộ nào trong lĩnh vực này vào thế kỉ 19. Năm 1936, Aleksandr
Ivanovich Oparin, trong cuốn sách nổi tiếng của mình "The Origin of Life on Earth"
(Nguồn gốc của sự sống trên Trái Đất), đã cho thấy rằng sự hiện diện của không khí chứa
ôxy và những hình thái sống phức tạp đã ngăn cản những chuỗi phản ứng có thể tạo nên sự
sống. Oparin còn cho rằng, một "món súp nguyên thủy" với những hợp chất hữu cơ chỉ có
thể tạo thành ở những nơi thiếu ôxy, qua ánh sáng Mặt Trời. Sau đó, ông cho rằng chính
những hợp chất hữu cơ cao phân từ hòa tan trong nước thành các dung dịch keo, các dung
dịch keo này có thể hòa tan vào nhau tạo thanh những giọt rất nhỏ gọi là coacervate.
Những giọt này có thể lớn lên nhờ hấp thụ các giọt khác, có thể sinh sản khi có những tác
động cơ giới chia nó ra làm các hạt nhỏ hơn, do đó nó có các tính chất cơ bản của một tế
bào nguyên thủy. Tất cả những học thuyết hiện đại đều khởi đầu từ những luận điểm của
Oparin.
Những thuyết hình thành sự sống hiện đại
Trong thực tế không có một thuyết chuẩn nào về nguồn gốc sự sống. Tuy nhiên, những
thuyết được người ta chấp nhận nhiều nhất đều được xây dựng trên một số những phát
hiện về cấu trúc phân tử và tế bào. Chúng bao gồn những luận điểm sau:
Ở những điều kiện thích hợp, những vật chất không sống có thể tạo nên những phần cấu
tạo nên tế bào sống, như amino acid. Điều này đã được chứng minh qua thí ngiệm Urey-
Miller do Stanley L. Miller và Harold C. Urey vào năm 1953.
Những hợp chất phospholipid với độ dài thích hợp có thể tạo nên màng lipid, một trong hai

thành phần chủ yếu của màng tế bào.
Quá trình trùng hợp của nucleotide trở thành những mạch ARN ngẫu nhiên dẫn đến sự
nhân đôi các ribozyme (giả thiết "Thế giới ARN" của Carl Woesoe).
Những thúc đẩy tự nhiên về tính xúc tác tốt và tính đa dạng đã tạo nên các ribozyme có
khả năng chuyển hóa peptide thành các hạt protein nhỏ. Từ đó, các oligopeptide cùng với
ARN tạo thành những chất xúc tác tốt hơn hình thành. Do đó sinh ra các hạt ribosome, làm
cho sự hình thành các protein được dễ dàng hơn.
Protein đã vượt qua ribozhyme về khả năng xúc tác, và trở thành một lớp màng sinh học cơ
bản nhất. Acid nucleic chỉ còn tìm thấy trong các gen tế bào.
Nguồn gốc của các tế bào, trong khi chưa được rõ ràng, có thể gây ra tranh cãi về mức độ
quan trọng và thứ tự của bước 2 và 3. Những hợp chất vô cơ và hữu cơ cơ bản nhất tạo nên
sự sống là methane (CH4), ammonia (NH3), nước (H2O), hydro sulfua (H2S), carbon
dioxit (CO2) và phosphate (PO43-). Cho đến năm 2006, chưa có một ai đã điều chế nhân
tạo được một tế bào nguyên mẫu từ những chất cơ bản. Nhà sinh vật học John Desmond
Bernal, đã đưa ra ba quá trình mà qua đó sự sống hình thành:
Bước 1: Sự hình thành các monomers
Bước 2: Sự hình thành các polymers
Bước 3: Sự tiến hóa từ các cấp độ phân tử lên đến tế bào
Bernal còn cho rằng: sự chọn lọc tự nhiên như Darwin có thể bắt đầu từ rất sớm, có khi từ
giữa giai đoạn 1 và 2.
Nguồn gốc của các chất hữu cơ: Miller, Eigen và Wächtershäuser

Thí nghiệm Miller-Urey nhằm tái tạo điều kiện tự nhiên của Trái Đất vào thời nguyên thủy
nhằm tìm sự sống trong phòng thí nghiệm
Thí nghiệm Miller (do Harold Urey và học trò của mình là Stanley Miller) thực hiện vào
năm 1953 nhằm tái tạo lại những điều kiện được cho rằng có từ lúc Trái Đất xuất hiện. Thí
nghiệm sữ dụng một hỗn hợp các chất khí như: methane, ammonia và hidro. Tuy nhiên, tỉ
lệ của các chất khí trong khí quyển Trái Đất cổ đại vẫn là một điều gây tranh cãi. Đã có
thời người ta nghĩ rằng một lượng ôxy đáng kể trong bầu khí quyển, nhưng chính ôxy lại
ngăn cản sự hinh thành các hợp chất hữu cơ.

Thí nghiệm cho thấy với những mắt xích hữu cơ đơn giản như amino acid có thể trùng hợp
tạo thành một khối vật chất sống. Những chất hữu cơ cơ bản dĩ nhiên là khác xa so với
những tế bào có thể tự sinh sản được. Tuy nhiên, trong một môi trường mà chưa có sự
sống nào hình thành trước thì các chất hữu cơ này sẽ được tích trữ lại và đến một lúc nào
đó sẽ có một sự tiến hóa hóa học. Hơn nữa, sự hình thành các polymer phức tạp từ các
monomer dưới những điều kiện như thế không phải là một quá trình dễ dàng. Bên cạnh
những monomer cần thiết, những hỗn hợp có tác dụng ngăn cản sự hình thành các
polymer. Hơn nữa, theo như Brooks và Shaw trong cuốn Origins and Development of
Living Systems (Nguồn gốc và sự phát triên của các hệ thống sống), không có một dáu
hiệu địa lí nào cho thấy tồn tại sự tích tụ các chất hữu cơ như trên:
"Nếu có sự tích tụ nào của các chất hữu cơ, chúng ta nên hi vọng sẽ tìm được một nơi nào
đó trên Trái Đất mà trầm tich chứa đầy nhưng hợp chất hữu cơ chứa nitơ, acid, chất khử,
khoáng lưu huỳnh hay những thứ gì đó tương tự như thế; hay trong những trầm tích đã
biến đổi, chúng ta ít nhất cũng phải tìm được những hợp chất nitơ. Thực tế là những chất
như thế vẫn còn chưa được tìm thấy trên Trái Đất.
Một số nguồn khác tạo thành các hợp chất hữu cơ phức tạp đã được công nhận: ví dụ như
những yếu tố từ ngoài Trái Đất như các thiên thạch. Ví dụ như trong phân tích quang phổ,
các hợp chất hữu cơ đã được tìm thấy trong các thiên thạch và cả sao chổi. Vào 2004, một
số hợp chất hữu cơ thơm mạch vòng (PAH, viết tắt của polycyclic aromatic hydrocarbon)
đã được tìm thấy khi quan sát các tinh vân. Sự hiện diện của PAH chính là nguồn gốc của
"thế giới ARN" trong thuyết "thế giới PAH".
Có một số tranh cãi rằng vấn đề chủ yếu vẫn chưa được trả lời bằng thuyết này là làm cách
nào mà những phân tử hữu cơ đơn giản lại có thể hình thành nên những hợp chất hữu cơ
phức tạp, tương tác với nhau như thế nào để tạo thành một tế bào. Ví dụ, trong một môi
trường nước, sự thủy phân các polymer tạo thành các monomer có ưu thế hơn sự ngưng tụ
các monomer thành polymer. Thí nghiệm Miller cũng đã tạo thành những chất chắc chắn
phải phản ứng với amino acid, từ đó, chấm dứt chuỗi peptide.
Vào đầu thập kỉ 1970, một vấn đề lớn được phát hiện về nguồn gốc sự sống đã được phát
hiện bởi một nhóm nhà khoa học tại Học viện Max Planck. Họ tìm các xem xét những
bước tạm thời trong phản ứng giữa những chất trong "món súp nguyên thủy" và những

bước tạm thời trong các bước nhân đôi các mạch carbon vòng. Kết quả là, trong phân tử
carbon mạch vòng, bộ phận lưu trữ thông tin (có thể là ARN) đã tiết ra một chất enzyme,
giúp cho sự tạo nên một hệ thống thông tin mới, cứ liên tục như thế cho đến khi một hệ
thống thông tin cuối cùng hỗ trợ cho hệ thống đầu tiên. Hệ thống đó được gọi là
quasispecies, trải qua quá trình chọn lọc tự nhiên rồi trở thành một sinh vật. Một trong
những bằng chứng của thuyết carbon vòng là sự khám phá ra ARN, trong một số trường
hợp có thể chuyển hóa thành ribozymes, một dạng enzyme tạo thành ARN.
Một câu trả lời cho sự biến hóa hóc búa này được đưa ra vào thập kỉ 1980 bởi Günter
Wächtershäuser, trong một học thuyết mang tên "thế giới sắt – lưu huỳnh". Trong lý thuyết
này, ông ta đã đưa ra một lý thuyết mới về sự tiến hóa sinh hóa học chính là nguồn gốc của
sự sống. Hơn nữa, ông ta đã đưa ra một hệ thống rõ ràng về những chứng cứ sinh hóa từ
những phản ứng khác tạo ra chất hữu cơ từ những chất khí cơ bản. Trái với những thí
nghiệm của Miller, đòi hỏi rất nhiều những nguồn năng lượng khác như tia UV, sấm sét,...
hệ thống Wächtershäuser bao gồm nguồn năng lượng khác: sắt sulfide và một số khoáng
chất khác (ví dụ: khoáng pyrite). Năng lượng này được giải phóng từ những quá trình ôxi
hóa-khử những sulfide kim loại và là nguồn năng lượng chính để tạo ra những phân tử hữu
cơ cơ bản và cả polymer. Vì vậy, có thể cho rằng một hệ thống như thế đã từng tồn tại và
đã có một ảnh hưởng đến sự tự nhân đôi, chuyển hóa một cách tích cực tạo thành nhựng
thực thể, tiền thân của những sinh vật ngày nay. Cuốn sách Peptides by activation of amino
acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life (Peptide bởi sự hoạt
hóa với carbon oxide trên bề mặt (Ni,Fe)S: sự liên quan đến nguồn gốc sự sống) của ông
xuất bản năm 1998 đã được đánh giá là thiếu tính khách quan do không đưa vào những