Lịch sử sự sống trên trái đất được tóm lượt trong vòng lịch gồm 30 ngày theo hình 1.3. Những thay đổi trong hơn 4 tỷ năm qua là kết quả của các tiến trình tự nhiên mà chúng có thể được xác định và nghiên cứu bằng những phương pháp khoa học. Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một số điểm thay đổi quan trọng nhất để nắm được tinh thần của quyển sách. Sáu sự kiện tiến hoá trọng đại sau sẽ cung cấp cho chúng ta 1 khung thảo luận cả về những đặc tính của sự sống và sự tiến hóa của các đặc tính này.

Sự sống nảy sinh thông qua con đường tiến hóa hóa học[sửa]

Sự sống đã bắt đầu từ những chất không có sự sống. Tất cả thành phần, có sự sống hay không có sự sống đều do các thành phần hóa học cấu tạo thành. Những đơn vị hóa học nhỏ nhất gọi là nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo thành phân tử (tính chất của các đơn vị hóa học này được đề cập ở chương 2). Quá trình tiến hóa hoá học (chemical evolution) làm xuất hiện sự sống đã diễn ra cách nay gần 4 tỷ năm, khi những tương tác của các hợp chất vô cơ tạo ra những phân tử có những tính chất đáng lưu ý. Một số hóa chất liên quan có thể có nguồn gốc ngoài Trái Đất, nhưng sự tiến hoá hoá học đãdiễn ra trên Trái Đất. Những phân tử đơn giản này có thể tổng hợp thành những phân tử lớn, phức tạp hơn nhưng bền vững. Vì chúng vừa phức tạp vừa bền vững nên những phân tử này có thể làm gia tăng về loại và số lượng phản ứng hoá học. Một số loại phân tử lớn được tìm thấy trong các hệ thống sống; đặc tính và chức năng của các phân tử này sẽ được đề cập trong chương 3.

Tiến hóa sinh học bắt đầu khi tế bào hình thành[sửa]

Vào khoảng 3.8 tỷ năm trước, những hệ thống tương tác của phân tử được bao quanh trong những cái khoang. Bên trong những đơn vị này_Tế bào_sự điều khiển được sử dụng khắp lối vào, duy trì và hủy diệt phân tử, như những phản ứng hoá học. Nguồn gốc của những tế bào đánh dấu bước khởi đầu của sự tiến hoá sinh học. Tế bào và màng tế bào là chủ đề của chương 4, 5.

Những tế bào hấp thu năng lượng và tái tạo chính chúng_hai dấu hiệu cơ bản của sự sống_từ khi chúng tiến hoá. Tế bào là đơn vị của sự sống. Những thí nghiệm của Pasteur và các nhà khoa học khác suốt thế kỷ 19 đã thuyết phục hầu hết các nhà khoa học rằng, dưới điều kiện hiện tại của trái đất, không thể tạo ra tế bào từ các hợp chất vô cơ được mà phải từ một tế bào khác.

Trong 2 tỷ năm sau khi tế bào xuất hiện, tất cả cơ thể sinh vật là đơn bào (chỉ có một tế bào). Chúng ở dưới đại dương, nơi chúng được bảo vệ tránh khỏi những tia cực tím giết người. Những tế bào đơn giản này gọi là prokaryotic cells, không có màng bao quanh.

Quang hợp đã làm thay đổi tiến trình tiến hóa[sửa]

Một sự kiện trọng đại đã xảy ra cách nay 2.5 tỷ năm: Sự Quang hợp_khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để trao đổi chất_xuất hiện. Tất cả những tế bào phải thu những nguyên liệu thô và năng lượng cung cấp cho sự trao đổi chất. Những tế bào quang hợp lấy nguyên liệu thô từ môi trường, nhưng năng lượng chúng thường sử dụng để quang hợp những nguyên tố lại đến từ mặt trời. Những tế bào quang hợp đầu tiên có lẽ giống prokaryotes ngày nay được gọi là cyanobacteria (hình 1.4). Năng lượng giữ lấy quá trình hoạt động, chúng ta sẽ đề cập đến trong chương 8, nền tảng của tất cả sự sống ngày nay. Khí oxy là một sản phẩm phụ trong quá trình quang hợp. Quá trình quang hợp lại phát triển một lần nữa, prokayotes quang hợp quá phong phú đến nỗi chúng tạo ra 1 lượng lớn oxy trong khí quyển. Oxy chúng ta hít thở ngày nay sẽ không tồn tại nếu không có sự quang hợp. Khi lần đầu tiên nó xuất hiện trong khí quyển, oxy đã đầu độc tất cả cơ thể sinh vật trên Trái đất. Những prokaryotes_đã làm tăng sức chịu đựng với oxy_cũng đã xuất hiện thành công trong môi trường không có sinh vật và sinh sôi nảy nở trong điều kiện rất phong phú. Với những prokaryotes, sự hiện diện của oxy đã mở ra một con đường tiến hoá mới. Những phản ứng trao đổi chất dùng oxy, được gọi là aerobic metabolism, có hiệu quả hơn anaerobic metabolism_phương thức mà những prokaryotes đã dùng. Aerobic metabolism đã làm cho tế bào phát triển lớn hơn, và nó trở thành phương thức được dùng chung cho tất cả sinh vật trên trái đất.

Trải qua thời gian dài, số lượng lớn oxy được tạo ra từ quá trình quang hợp có một hiệu quả khác. Hình thành từ oxy (O2), ozon (O3) bắt đầu được tích lũy trong thượng tầng khí quyển. Ozon từ từ hình thành một lớp dày đặc như cái khiên, cản lại gần hết các phóng xạ cực tím của mặt trời. Cuối cùng (mặc dù chỉ trong 800 triệu năm tiến hoá) sự hiện diện của cái khiên đó đã giúp cho sinh vật có thể rời khỏi sự bảo vệ của đại dương mà lên bờ cho một dạng thứ sống mới

Tế bào với những khoang phức tạp bên trong[sửa]

Thời gian trôi qua, nhiều tế bào prokaryotic đã phát triển to lớn đủ để tấn công, nhấn chìm và tiêu hoá được những cái nhỏ hơn. Chúng trở thành những dã thú đầu tiên. Thông thường thì những tế bào nhỏ bị phá hủy trong tế bào lớn, nhưng một số tế bào nhỏ lại có thể hòa nhập lâu dài trong hệ thống của những tế bào chủ. Trong hình thức này, những tế bào với những khoang phức tạp, được gọi là eukaryotic cells, nảy sinh. Vật chất di truyền của chúng được chứa đựng trong nhân (có màng nhân) và được tổ chức trong một đơn vị riêng rẽ. Một số khoang khác có những mục đích khác, như quang hợp (hình 1.5).

Đa bào nảy sinh và tế bào trở nên chuyên hóa[sửa]

Cho đến khoảng 1 tỷ năm trước, chỉ có cơ thể đơn bào (gồm có prokaryotic và eukaryotic) tồn tại. Hai bước ngoặt phát triển làm nên sự tiến hoá của sinh vật đa bào_Cơ thể sinh vật có thể chứa hơn 1 tế bào_:

Thứ nhất là khả năng thay đổi cấu trúc và chức năng của nó để đối đầu với thách thức_môi trường thay đổi. Điều đó đã được hoàn thành khi Prokaryotes tiến hoá khả năng tự chuyển đổi chúng từ những tế bào lớn nhanh trong các mầm sống hoạt động không tích cực có thể tồn tại trong diều kiện khắc nghiệt của môi trường.

Sự phát triển thứ hai cho phép những tế bào dính vào nhau sau khi chúng bị phân ra và hoạt động cùng nhau trong một hình thức liên hợp. Cơ thể sinh vật bắt đầu bao gồm nhiều tế bào, các tế bào bắt đầu chuyên hoá. Một số tế bào nào đó có thể chuyên hoá chức năng quang hợp. Một số khác chuyên hoá chức năng vận chuyển nguyên liệu thô như nước và nitơ.

Giới tính làm tăng tốc độ tiến hóa[sửa]

Những cơ thể đơn bào đầu tiên sinh sản bằng cách phân đôi và những tế bào con giống hệt tế bào bố mẹ. Nhưng sự sinh sản hữu tính_kết hợp những gene từ hai tế bào khác nhau trong một tế bào_xuất hiện sớm trong suốt sự tiến hoá của cuộc sống. Những Prokaryotes ban đầu tiến hành sex (ví dụ thay đổi vật liệu gene) và tái sinh (phân bào) vào thời điểm khác nhau. Mặc dù ngày nay trong nhiều cơ thể đơn bào, sex và sinh sản xảy ra đồng thời.

Sự phân chia nhân đơn giản_Nguyên phân_đã đủ cho sự sinh sản của sinh vật đơn bào, và sự thay đổi của gene có thể xảy ra bất kỳ thời điểm nào. Những cơ thể sinh vật bắt đầu có nhiều tế bào, tuy nhiên một số tế bào chuyên hóa cho việc sinh dục. Chỉ những tế bào sinh dục chuyên hoá, gọi là giao tử, có thể thay đổi gene, và đời sống sinh dục của những sinh vật đa bào trở nên phức tạp hơn. Một phương pháp hoàn toàn mới để phân chia nhân ra đời_giảm phân. Một tiến trình rắc rối và phức tạp, giảm phân mở ra vô số khả năng cho sự tái kết hợp của gene giữa những giao tử.

Sex làm tăng tốc độ của sự tiến hoá vì 1 cơ thể sinh vật-trao đổi thông tin di truyền với một cá thể khác-tạo ra một thế hệ con khác biệt rất nhiều về mặt di truyền với những cá thể được tạo ra từ nhưng cơ thể sinh vật sinh sản bằng cách phân bào nguyên nhiễm. Một số thế hệ con cháu này tồn tại và sinh sản tốt hơn những cá thể trong những môi trường khác. Đó là sự khác biệt di truyền mà chọn lọc tự nhiên tiến hành.