Sự sống

Sự sống, hay sinh mệnh/mạng, là một đặc điểm phân biệt các thực thể vật chất có cơ chế sinh học (ví dụ như khả năng tự duy trì, hay truyền tín hiệu), tách biệt chúng với các vật thể không có những cơ chế đó hoặc đã ngừng hoạt động, những vật đó được gọi là vô sinh hay vô tri giác. Nhiều dạng sự sống tồn tại như thực vật, động vật, nấm, nguyên sinh vật, vi khuẩn cổ và vi trùng. Các tiêu chí đôi khi có thể mơ hồ và có thể hoặc không thể xác định vi-rút, viroid, hoặc sự sống nhân tạo tiềm ẩn là 'sống' và nói chung thì gọi là sinh mệnh. Sinh học là môn khoa học chính liên quan đến nghiên cứu về sự sống, mặc dù có nhiều khoa học khác cũng tham gia vào việc này.

Khái niệm của sự sống rất phức tạp. Hiện nay sinh vật được định nghĩa là có khả năng cân bằng nội môi, tạo nên bởi các tế bào, thực hiện các quá trình trao đổi chất, phát triển và thích ứng với môi trường, phản ứng với tác động và sinh sản. Nhưng một số các cách định nghĩa khác cũng được đề cập vì những điều kiện trên không áp dụng cho một số loài như vi-rút. Qua nhiều thời kì lịch sử, đã có nhiều nỗ lực để tìm ra định nghĩa của 'sự sống' và nhiều lý thuyết về các đặc tính và sự xuất hiện của các sinh vật, như chủ nghĩa duy vật, niềm tin rằng mọi thứ đều được tạo ra từ vật chất và cuộc sống chỉ đơn thuần là một hình thức phức tạp của nó; Thuyết kỳ dị, niềm tin rằng tất cả mọi thứ là sự kết hợp của vật chất và hình thái, và hình dạng của một sinh vật là linh hồn của nó; Thế hệ tự phát, niềm tin rằng cuộc sống liên tục xuất hiện từ sự sống còn; Và thuyết sức sống, một giả thuyết hiện đại đã mất uy tín, cho rằng phần lớn các sinh vật sống có một 'lực lượng sống' hoặc một 'tia lửa'. Định nghĩa của sự sống trong thời hiện đại phức tạp hơn, với sự đóng góp từ sự đa dạng của các định nghĩa khoa học. Các nhà lý sinh học đã đưa ra nhiều định nghĩa thông qua các hệ thống hóa học, ngoài ra còn có các định nghĩa dựa trên các lí thuyết về hệ thống sống, ví dụ như giả thuyết Gaia, phát biểu rằng Trái Đất cũng là một vật thể sống. Một ý tưởng khác cho rằng sự sống là một đặc tính của hệ sinh thái, và một số khác dựa trên cơ sở của Toán sinh học. Nguồn gốc sự sống (Abiogenesis) diễn tả sự sống tự nhiên được hình thành từ các vật chất vô sinh, ví dụ như là các hợp chất hữu cơ đơn giản. Tính chất chung của tất cả các sinh vật bao gồm nhu cầu biến đổi các nguyên tố hóa học cốt lõi nhất định để duy trì các chức năng sinh hóa.

Sự sống trên Trái Đất xuất hiện lần đầu vào khoảng 4.28 tỉ năm trước, ngay sau sự hình thành của biển vào khoảng 4.41 tỉ năm trước đây và cũng không lâu sau sự hình thành của Trái Đất 4.54 tỉ năm trước. Sự sống trên Trấi đất có thể bắt nguồn từ các tế bào RNA, mặc dù sự sống với tế bào RNA có thể không phải là đầu tiên. Cơ chế hình thành sự sống trên Trái Đất chưa được giải thích, nhưng một số tin vào thí nghiệm Miller–Urey. Những dạng sống sớm nhất được phát hiện là hóa thạch của một số loài vi khuẩn. Vào tháng 7 năm 2016, các nhà khoa học báo cáo rằng đã xác định được một bộ 355 gien tin rằng bắt nguồn từ tổ tiên chung gần nhất của mọi loài (viết tắt: LUCA).

Từ thuở sơ khai của lịch sử Trái Đất, hệ sinh thái luôn thay đổi theo thời gian. Để sinh tồn, mọi loài sinh vật phải thích nghi được với các tác động khác nhau của môi trường. Một vài loài vi sinh vật, gọi là Extremophile (vi sinh chịu cực hạn), những loài đó có thể sống sót trong các môi trường đạt giới hạn về vật lí cũng như địa lí, các môi trường cực hạn không có khả năng duy trì sự sống cho các loài khác.

Các đặc điểm đặc trưng của sự sống

1. Cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi: Cơ thể sinh vật được hình thành từ các nguyên tố hóa học tự nhiên, nhưng bên trong lại phức tạp với vô số hợp chất hóa học. Những chất phức tạp này tạo nên các cấu trúc tinh vi thực hiện các chức năng quan trọng, ngay cả các phân tử lớn cũng đóng vai trò then chốt.
2. Chuyển hóa năng lượng phức tạp: Nhận năng lượng từ môi trường bên ngoài và biến đổi để xây dựng và duy trì cấu trúc phức tạp của sự sống.
3. Thông tin ổn định, chính xác và liên tục của sự sống: Liên quan đến các quá trình chủ yếu như sinh sản, phát triển, tiến hóa và phản ứng thích nghi.

Các biểu hiện của sự sống

1. Trao đổi chất: Tất cả các hoạt động hóa học trong cơ thể sinh vật.
2. Sự nội cân bằng: Xu hướng của các sinh vật tự duy trì môi trường bên trong ổn định: các tế bào hoạt động ở mức cân bằng và duy trì ở trạng thái nhất định.
3. Sự tăng trưởng: Tăng khối lượng vật chất sống của mỗi cơ thể sinh vật.
4. Đơn vị tổ chức: Cấu trúc bao gồm một hoặc nhiều tế bào - đơn vị cơ bản của cuộc sống.
5. Sự đáp ứng: Đáp ứng các kích thích khác nhau từ môi trường bên ngoài.
6. Sự sinh sản: Bao gồm cả sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính.
7. Sự thích nghi: Khả năng của cơ thể sống bình thường trong một môi trường nhất định.

Nguồn gốc

Các dấu vết chứng minh rằng sự sống trên Trái Đất đã tồn tại khoảng 3,7 tỉ năm trước, với những dấu vết sớm nhất được tìm thấy trong các hóa thạch có tuổi 3,4 tỉ năm. Tất cả các dạng sống đã biết đến có chung các cơ chế phân tử cơ bản, phản ánh sự xuất phát từ cùng một nguồn gốc; dựa trên các quan sát, giả thiết về nguồn gốc của sự sống để tìm ra cơ chế giải thích sự hình thành từ cùng một nguồn gốc trong vũ trụ, từ các phân tử hữu cơ đơn giản trong các dạng sống tiền tế bào đến các tế bào nguyên thủy và quá trình trao đổi chất. Các mô hình được chia thành hai nhóm 'genes-first' và 'metabolism-first', nhưng xu hướng hiện tại là sự kết hợp của cả hai nhóm này.

Hiện nay, chưa có kết luận khoa học nào về nguồn gốc của sự sống. Tuy nhiên, các mô hình khoa học phổ biến nhất được xây dựng dựa trên những quan sát sau:

• Thí nghiệm Miller-Urey và nghiên cứu của Sidney Fox, cho thấy các điều kiện môi trường Trái Đất nguyên thủy, bao gồm các phản ứng tổng hợp amino axit và các hợp chất hữu cơ từ các tiền chất vô cơ.
• Phospholipid được liên tục hình thành từ các lớp lipid kép, là cấu trúc cơ bản của màng tế bào.

Các sinh vật tổng hợp protein, là các polymer của axit amin sử dụng thông tin được mã hóa bởi DNA. Quá trình tổng hợp protein yêu cầu sự trung gian của RNA. Khả năng bắt đầu của sự sống từ các gene nguồn gốc đầu tiên, tiếp theo là protein; một giả thuyết khác là protein trước và sau đó mới có gene.

Tuy nhiên, do gene và protein đều là cơ sở để sản xuất lẫn nhau, vấn đề là cái nào xuất hiện trước và cái nào sau giống như câu chuyện về con gà và quả trứng. Hầu hết các nhà khoa học áp dụng giả thuyết này vì không chắc rằng gene và protein đã phát triển độc lập.

Ngược lại, Francis Crick đã đưa ra một giả thuyết khác, rằng sự sống ban đầu dựa trên RNA, có các tính chất tương tự như DNA trong việc lưu trữ thông tin và xúc tác một số protein. Giải thích này được gọi là giả thuyết thế giới RNA, được chứng minh qua quan sát các thành phần quan trọng nhất của tế bào (những thành phần tiến hóa chậm nhất) được tạo thành chủ yếu hoặc toàn bộ bằng RNA. Các cofactor (ATP, Acetyl-CoA, NADH,...) cũng là nucleotide hoặc các chất có mối quan hệ rõ ràng với chúng. Tính chất xúc tác của RNA đã được Thomas Cech xác nhận vào năm 1986.

Vấn đề còn tồn tại của giả thuyết thế giới RNA là nó xuất phát từ các tiền chất vô cơ đơn giản khó hơn so với các phân tử hữu cơ khác. Một lý do để giải thích điều này là các tiền thân RNA rất ổn định và phản ứng chậm trong môi trường xung quanh, và có thể rằng các sinh vật được cấu tạo từ các phân tử khác trước khi có RNA. Tuy nhiên, việc tổng hợp thành công các phân tử RNA nhất định trong điều kiện môi trường đã từng tồn tại trên Trái Đất đã được chứng minh bằng cách thêm các tiền chất có thể thay thế theo một thứ tự đặc biệt với các tiền chất-phosphat có mặt trong quá trình phản ứng. Nghiên cứu này làm cho giả thuyết thế giới RNA trở nên hợp lý hơn.

Năm 2009, các thí nghiệm minh họa cho tiến hóa Darwin của hệ enzym RNA (ribozyme) đã được thực hiện trong ống nghiệm. Gerald Joyce, người đã thực hiện nghiên cứu này, cho rằng 'Đây là ví dụ đầu tiên ngoài lĩnh vực sinh học và tiến hóa thích nghi trong một hệ thống di truyền phân tử.'

Các phát hiện của NASA năm 2011 dựa trên nghiên cứu về thiên thạch được tìm thấy trên Trái Đất cho thấy rằng các thành phần của RNA và DNA (adenine, guanine và các phân tử hữu cơ liên quan) có thể được hình thành trong không gian bên ngoài Trái Đất.

Các môi trường sống

Sự đa dạng của sự sống trên Trái Đất là kết quả của sự tương tác động năng giữa di truyền, trao đổi chất, thách thức môi trường vật lý và sự cộng sinh. Môi trường sống trên Trái Đất thường bị chiếm bởi vi sinh vật, nơi diễn ra quá trình trao đổi chất và tiến hóa. Những thay đổi vật lý-hóa học trong môi trường địa chất đã ảnh hưởng đến con đường tiến hóa của các loài kế tục. Ví dụ, vi khuẩn lam thực hiện quang hợp, tạo ra oxy là chất độc đối với hầu hết sự sống ban đầu trên Trái Đất, đặt ra thách thức và thúc đẩy tiến hóa động thực vật.

Hình dạng và chức năng

Tế bào là đơn vị cơ bản của mọi cơ thể sống, phát triển từ tế bào có trước thông qua phân bào. Học thuyết tế bào được Henri Dutrochet, Theodor Schwann, Rudolf Virchow và các nhà khoa học khác đưa ra vào đầu thế kỷ 19 và được chấp nhận rộng rãi. Hoạt động của các cơ quan phụ thuộc vào hoạt động của tế bào, với dòng năng lượng xuất hiện bên trong và giữa chúng. Tế bào chứa thông tin di truyền và truyền tải nó trong quá trình phân bào.

Phân loại

Sự sống ngoài Trái Đất

Đa số các nhà khoa học cho rằng nếu sự sống tồn tại ở ngoài Trái Đất, thì tiến hóa của nó đã phát triển độc lập tại nhiều nơi khác nhau trong vũ trụ. Có giả thuyết cho rằng sự sống ngoài Trái Đất có thể có một nguồn gốc chung và sau đó được phân tán khắp vũ trụ từ một hành tinh có thể ở được đến các hành tinh khác. Một quan điểm khác cho rằng nếu chúng ta phát hiện sự sống và văn minh ở ngoài Trái Đất gần chúng ta, thì sự sống và văn minh đó có thể đã phát triển hoặc sơ khai hơn rất nhiều so với chúng ta.

Khoa học sự sống

Liên kết ngoài

• Sự sống trong Từ điển bách khoa Việt Nam
• Life (biology) trong Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)