Thế giới sinh vật

Trong sinh học và sinh thái học, sinh vật (organism), dạng sống (lifeform) hoặc dạng sinh học (biological form) là bất kỳ thực thể nào thể hiện đầy đủ các đặc điểm của sự sống. Sinh vật được phân loại theo đơn vị phân loại thành các nhóm cụ thể như sinh vật đa bào (multicellular organism), động vật, thực vật và nấm (fungi); hoặc các sinh vật đơn bào (unicellular organism) như sinh vật nguyên sinh (protist), vi khuẩn (bacteria) và vi khuẩn cổ (archaea).

Tất cả các sinh vật đều thể hiện những đặc điểm cơ bản như trao đổi chất, duy trì cân bằng nội môi, phát triển sinh học, sinh sản và phản ứng với các kích thích từ môi trường. Tuy nhiên, không phải sinh vật nào cũng thể hiện đầy đủ những đặc điểm này. Một số sinh vật có thể không di chuyển hoặc không phản ứng trực tiếp với môi trường, và có thể không có khả năng sinh sản độc lập. Con người, với hàng nghìn tỷ tế bào biệt hóa, phát triển thành các mô và cơ quan chuyên biệt trong quá trình sinh học.

Sinh vật có thể thuộc loại nhân sơ hoặc nhân thực. Sinh vật nhân sơ bao gồm hai vực chính: vi khuẩn và cổ khuẩn. Sinh vật nhân thực có cấu trúc tế bào với nhân được bao bọc bởi màng và chứa các bào quan như ty thể và lạp thể. Những sinh vật này thường được cho là có nguồn gốc từ thuyết nội cộng sinh, mà trong đó, vi khuẩn đóng vai trò quan trọng.

Số lượng loài trên Trái Đất được ước tính từ 10 triệu đến 14 triệu, nhưng chỉ khoảng 1,2 triệu loài đã được ghi nhận. Hơn 99% các loài đã từng tồn tại, tương đương với hơn 5 tỷ loài, hiện đã tuyệt chủng. Năm 2016, các gen từ tổ tiên chung cuối cùng của tất cả các sinh vật đã được xác định.

Hóa học

Sinh vật là những hệ thống hóa học phức tạp, được tổ chức theo cách hỗ trợ sinh sản và duy trì sự sống. Các quy luật hóa học áp dụng cho các vật thể vô sinh cũng giống như những quy luật áp dụng cho sinh vật sống. Sinh vật hiện diện với các hiện tượng thể lực xác định trong môi trường sống, và khả năng sống sót của gen dựa trên DNA là kết quả của sự tương tác này.

Cacbon là nguyên tố hóa học chủ chốt trong các hợp chất sinh học. Tính chất hóa học của cacbon, bao gồm khả năng liên kết với các nguyên tử nhỏ khác và kích thước nhỏ của nó, cho phép tạo ra nhiều liên kết khác nhau. Điều này làm cho cacbon trở thành yếu tố chính trong sự sống hữu cơ. Nó có khả năng hình thành các hợp chất với ba nguyên tử như cacbon dioxide, cũng như các chuỗi dài hàng nghìn nguyên tử như axít nucleic, đóng vai trò trong việc kết nối các tế bào và truyền thông tin qua protein.

Đại phân tử

Các hợp chất trong sinh vật có thể được phân chia thành đại phân tử và các phân tử nhỏ hơn. Bốn nhóm đại phân tử chính bao gồm axít nucleic, protein, cacbohydrat và lipid. Axít nucleic, đặc biệt là DNA, lưu trữ thông tin di truyền dưới dạng chuỗi nucleotide. Có bốn loại nucleotide khác nhau (adenin, cytosin, guanin, thymin) xác định các đặc điểm của sinh vật. Chuỗi nucleotide được chia thành các codon, mỗi codon gồm ba nucleotide và mã hóa một amino acid cụ thể. Do đó, chuỗi DNA mã hóa cho các protein cụ thể, với cấu trúc và chức năng tùy thuộc vào các amino acid và cách protein gập lại.

Chức năng của protein bao gồm:

1. Enzyme, thúc đẩy tất cả các phản ứng trong quá trình trao đổi chất
2. Protein cấu trúc, như tubulin và collagen
3. Protein điều hòa, như các yếu tố phiên mã và cyclins điều chỉnh chu kỳ tế bào
4. Các phân tử tín hiệu hoặc thụ thể, bao gồm một số hormone và các thụ thể tương ứng
5. Protein bảo vệ, từ kháng thể của hệ miễn dịch đến độc tố như dendrotoxin của rắn, và các protein chứa các amino acid đặc biệt như canavanin

Màng tế bào được cấu tạo từ lớp phospholipid kép, tạo thành một hàng rào bảo vệ các thành phần bên trong tế bào và kiểm soát sự di chuyển của các hợp chất vào và ra khỏi tế bào. Nhờ vào tính thấm chọn lọc của màng phospholipid, chỉ những phân tử cụ thể mới có thể xuyên qua. Ở nhiều sinh vật đa bào, màng này còn có vai trò lưu trữ năng lượng và trung gian thông tin giữa các tế bào. Cacbohydrat, mặc dù dễ vỡ hơn lipid, lại cung cấp nhiều năng lượng hơn và là nguồn năng lượng quan trọng cho tất cả các sinh vật.

Cấu trúc

Sinh vật được cấu tạo từ các đơn vị cơ bản gọi là tế bào; có những sinh vật chỉ có một tế bào (đơn bào) và những sinh vật khác có nhiều tế bào (đa bào). Trong sinh vật đa bào, các tế bào có thể biệt hóa để thực hiện các chức năng khác nhau. Một tập hợp tế bào thực hiện chức năng chung gọi là mô, và ở động vật có bốn loại mô chính: biểu mô, mô thần kinh, mô cơ, và mô liên kết. Các mô này phối hợp để hình thành các cơ quan với chức năng đặc thù (như bơm máu từ tim hoặc bảo vệ cơ thể như da). Cấu trúc này tiếp tục mở rộng lên cấp độ cao hơn với các cơ quan tổ chức thành hệ cơ quan cho phép động vật thực hiện các chức năng sống như sinh sản, tiêu hóa, và nhiều hơn nữa. Nhiều sinh vật đa bào có nhiều hệ cơ quan hoạt động phối hợp, đảm bảo sự sống tồn tại.

Tế bào

Thuyết tế bào, được phát triển vào năm 1839 bởi Schleiden và Schwann, khẳng định rằng tất cả sinh vật đều được cấu tạo từ một hoặc nhiều tế bào. Tất cả các chức năng quan trọng của sinh vật xảy ra trong tế bào, và tế bào chứa thông tin di truyền cần thiết để quy định chức năng của nó và truyền thông tin cho các thế hệ tế bào tiếp theo.

Có hai loại tế bào chính: tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn. Tế bào nhân sơ thường tồn tại độc lập, trong khi tế bào nhân chuẩn thường xuất hiện trong các sinh vật đa bào. Tế bào nhân sơ không có màng nhân, nên DNA không bị giới hạn trong tế bào; ngược lại, tế bào nhân chuẩn có một màng nhân bao bọc.

Mỗi tế bào đều được bao quanh bởi một màng tế bào, tách biệt nội dung bên trong với môi trường xung quanh, điều khiển sự di chuyển của các chất vào và ra, và duy trì điện thế của tế bào. Bên trong màng tế bào, tế bào chất chứa phần lớn thể tích tế bào với các muối. Tất cả các tế bào đều có DNA, vật liệu di truyền, và RNA, chứa thông tin cần thiết để sản xuất nhiều loại protein khác nhau như enzyme và cấu trúc nguyên thủy của tế bào. Tế bào còn chứa nhiều phân tử sinh học khác.

Tất cả các tế bào chia sẻ những đặc điểm chung sau đây:

• Sinh sản qua quá trình phân bào.
• Sử dụng enzyme và các protein khác được mã hóa bởi gen DNA, thông qua mRNA và ribosome để thực hiện các chức năng.
• Thực hiện trao đổi chất, bao gồm việc thu nhận nguyên liệu thô để xây dựng các thành phần của tế bào, chuyển hóa năng lượng và loại bỏ các sản phẩm phụ. Chức năng của tế bào phụ thuộc vào khả năng sử dụng năng lượng hóa học từ các phân tử hữu cơ, năng lượng này được cung cấp từ quá trình trao đổi chất.
• Phản ứng với các kích thích từ bên ngoài và bên trong, như thay đổi nhiệt độ, pH, hoặc mức dinh dưỡng.
• Các thành phần của tế bào được bảo vệ bởi màng tế bào, chứa các protein và lớp lipid kép.

Tiến hóa

Tổ tiên chung gần nhất

Tổ tiên chung gần nhất chỉ các sinh vật còn tồn tại hiện nay trên Trái Đất có nguồn gốc chung. LUCA, tổ tiên chung cuối cùng của tất cả các sinh vật, được cho là xuất hiện khoảng 3,5 đến 3,8 tỷ năm trước, trong thời kỳ Đại Cổ Thái cổ.

Thông tin về sự phát triển của sự sống từ trước đến nay được nghiên cứu qua nhiều lĩnh vực như địa chất học và khoa học hành tinh. Các ngành này cung cấp cái nhìn về lịch sử Trái Đất và các biến đổi do sự sống gây ra. Tuy nhiên, việc tiếp cận thông tin về Trái Đất từ thời kỳ xa xưa đã bị cản trở bởi các quá trình địa chất diễn ra qua nhiều thời kỳ khác nhau.

Theo lý thuyết sinh học, tất cả các sinh vật trên Trái Đất đều có nguồn gốc từ tổ tiên chung. Bằng chứng về tổ tiên chung được thể hiện qua những đặc điểm chung giữa các sinh vật. Thời kỳ Darwin, bằng chứng chủ yếu dựa vào quan sát hình thái học, chẳng hạn như tất cả các loài chim đều có cánh dù không phải loài nào cũng biết bay.

Ngày nay, bằng chứng di truyền cho thấy tất cả sinh vật đều có nguồn gốc chung. Chẳng hạn, tất cả các tế bào sử dụng axit nucleic như là vật liệu di truyền và 20 aminoaxit để tổng hợp protein. Tất cả các sinh vật đều sử dụng mã di truyền giống nhau để dịch chuỗi axit nucleic thành protein. Sự phổ biến của các đặc điểm này khẳng định sự tồn tại của tổ tiên chung, vì sự chọn lọc của nhiều đặc điểm này có vẻ như là ngẫu nhiên.

Tranh cãi về nguồn gốc tổ tiên chung đã được nêu ra trong một bài báo của Ford Doolittle năm 2000, nơi ông thảo luận về những biến động trong mã di truyền. Bài báo cho rằng sự chuyển gen ngang có thể làm phức tạp việc phân tích nguồn gốc tổ tiên. Tuy nhiên, một nghiên cứu toán học năm 2010 đã chứng minh rằng chuyển gen ngang không thể bác bỏ sự tồn tại của tổ tiên chung, mà chỉ làm thay đổi thời điểm tổ tiên này xuất hiện. Theobald (2010) tính toán rằng từ dữ liệu di truyền và sự phổ biến của mã di truyền, nucleotide và amino acid giống nhau, xác suất cho sự tồn tại của tổ tiên chung là 10^2489.

Chuyển gen ngang

Nguồn gốc của các sinh vật hiện nay thường được tái dựng theo phương pháp truyền thống dựa vào hình thái, nhưng ngày càng được mở rộng bằng cách phân tích sự trao đổi gen (DNA).

Nhà sinh học Gogarten cho rằng: 'Ẩn dụ cây phát sinh sự sống không còn phù hợp với dữ liệu di truyền hiện tại', mặc dù ông khuyến nghị rằng 'các nhà sinh học nên áp dụng sự kết hợp của các ẩn dụ sinh học để mô tả các lịch sử di truyền khác nhau và sử dụng mạng lưới các ẩn dụ để hiểu sự trao đổi phong phú và ảnh hưởng của chuyển gen ngang trong vi sinh vật.'

Tương lai của sự sống

Trong ngữ cảnh hiện đại, nhân bản sinh vật đề cập đến việc tạo ra những sinh vật đa bào hoàn toàn giống hệt về mặt di truyền với một cá thể khác. Tuy nhiên, công nghệ nhân bản có khả năng tạo ra các loài hoàn toàn mới. Sự nhân bản sinh vật đang là chủ đề của nhiều cuộc tranh luận đạo đức.

Vào năm 2008, Viện J. Craig Venter đã tổng hợp thành công một hệ gen của vi khuẩn Mycoplasma genitalium bằng cách ghép nối 25 mảnh DNA qua phương pháp tái tổ hợp trong men, đơn giản hóa quy trình lắp ráp các phân tử DNA lớn từ các mảnh tổng hợp và tự nhiên.

Tổ chức sinh học

Các cấp độ tổ chức sinh học

• Nguyên tử
  • Phân tử
    • Đại phân tử
      • Bào quan
        • Tế bào
          • Mô
            • Cơ quan
              • Hệ cơ quan
                • Cơ thể (sinh vật)

Các cấp độ tổ chức sinh học trong cơ thể

• Quần thể
  • Quần xã
    • Hệ sinh thái
      • Sinh quyển

Phân loại sinh học

• Phân loại học
• Danh pháp học
• Loài

Virus

Virus không được xem là sinh vật điển hình do chúng không có khả năng tự tái tạo hay trao đổi chất. Điều này cũng gây tranh cãi vì một số 'vật ký sinh' và 'nội cộng sinh' cũng không thể tồn tại độc lập. Mặc dù virus chứa một số enzyme và phân tử đặc trưng của sinh vật sống, chúng không thể sống ngoài tế bào của vật chủ và phải dựa vào hệ thống trao đổi chất và di truyền của sinh vật chủ. Nguồn gốc của virus vẫn còn đang được nghiên cứu. Một số nhà khoa học nghi ngờ rằng virus có thể bắt nguồn từ các sinh vật chủ của chúng.

Tuổi thọ

Tuổi thọ là một trong những chỉ số quan trọng của sinh vật. Một số loài động vật chỉ sống được một ngày, trong khi một số loài thực vật có thể tồn tại hàng nghìn năm. Quá trình lão hóa đóng vai trò quyết định trong tuổi thọ của tất cả sinh vật, bao gồm vi khuẩn, virus và cả prion.

• Lịch sử tiến hóa của sự sống

Chú thích

Các liên kết hữu ích

• Thông tin về sinh vật tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Trình duyệt phân loại (gốc) Danh sách phân loại tại NCBI
• Danh sách các loài tại Website Species 2000
• Dự án Cây sự sống của Đại học Arizona.