Hướng dẫn giải bài tập SGK Cơ bản và Nâng cao Sinh học 12 chương 2 Sự phát sinh và phát triển của sự sống trên trái đất Bài 32: Nguồn gốc sự sống
Bài tập 1 trang 139 SGK Sinh học 12: Trình bày thí nghiệm của Miller về sự hình thành của các hợp chất hữu cơ.
Thí nghiệm của Stanley Miller, được thực hiện vào năm 1953, là một trong những thí nghiệm quan trọng nhất trong nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Mục đích của thí nghiệm này là kiểm tra xem liệu các hợp chất hữu cơ có thể được tổng hợp từ các hợp chất vô cơ trong điều kiện giống như khí quyển của Trái Đất sơ khai hay không. Thí nghiệm của Miller đã được thực hiện trong một thiết bị gọi là bình phản ứng kín, trong đó chứa một hỗn hợp khí bao gồm metan (CH4), amoniac (NH3), khí hydro (H2), và hơi nước (H2O). Đây là những khí được cho là có mặt trong khí quyển của Trái Đất sơ khai, theo các giả thuyết trước đó.
Quá trình thí nghiệm bắt đầu bằng cách đun nóng hỗn hợp nước trong bình phản ứng để tạo ra hơi nước, sau đó phóng một dòng điện cao tần (tương tự như tia sét) vào hỗn hợp khí. Dòng điện này mô phỏng các tia sét trong khí quyển của Trái Đất sơ khai, giúp cung cấp năng lượng cần thiết để các phản ứng hóa học xảy ra. Sau khi thí nghiệm diễn ra trong một thời gian nhất định, sản phẩm của quá trình phản ứng được làm lạnh và thu thập lại trong một ống làm lạnh. Khi kiểm tra, Miller phát hiện ra rằng trong ống làm lạnh có một số hợp chất hữu cơ, bao gồm axit amin, là những thành phần cơ bản của protein.
Kết quả của thí nghiệm này chứng minh rằng dưới các điều kiện hóa học nhất định, các hợp chất hữu cơ có thể được tổng hợp từ các chất vô cơ. Điều này đã hỗ trợ mạnh mẽ cho giả thuyết về sự hình thành sự sống từ các hợp chất hữu cơ đơn giản, và mở ra một hướng đi mới trong nghiên cứu nguồn gốc sự sống trên Trái Đất. Thí nghiệm của Miller không chỉ là một bằng chứng quan trọng mà còn là nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo về sự tiến hóa hóa học trong tự nhiên.
Bài tập 2 trang 139 SGK Sinh học 12: Nêu thí nghiệm chứng minh các prôtêin nhiệt có thể tự hình thành từ các axit amin mà không cần đến các cơ chế dịch mã.
Thí nghiệm chứng minh rằng các prôtêin có thể tự hình thành từ các axit amin mà không cần đến các cơ chế dịch mã được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học phân tử và hóa học sinh học. Một trong những thí nghiệm quan trọng được thực hiện bởi Miller và các cộng sự của ông, ngoài việc chứng minh sự tổng hợp các hợp chất hữu cơ, còn nghiên cứu về khả năng hình thành các chuỗi polypeptit từ các axit amin trong điều kiện đơn giản.
Trong thí nghiệm này, các nhà khoa học đã cho các axit amin tự hình thành liên kết peptit dưới tác động của nhiệt độ và các yếu tố môi trường như pH và nồng độ ion. Họ phát hiện ra rằng trong một môi trường thích hợp, các axit amin có thể kết hợp với nhau thông qua liên kết peptit, tạo thành các chuỗi polypeptit. Quá trình này không cần đến các cơ chế dịch mã phức tạp như trong tế bào, mà chỉ cần nhiệt độ và các yếu tố hóa học đơn giản.
Điều này đã chứng minh rằng sự hình thành các chuỗi polypeptit, là tiền đề để tạo thành các prôtêin, có thể xảy ra mà không cần đến sự tham gia của ribosome hay ARN, những thành phần cơ bản của quá trình dịch mã trong tế bào. Các nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về nguồn gốc sự sống, đặc biệt là trong việc tìm hiểu cách thức các hợp chất hữu cơ đơn giản có thể phát triển thành các cấu trúc phức tạp như prôtêin mà không cần sự can thiệp của các cơ chế di truyền hiện đại.
Bài tập 3 trang 139 SGK Sinh học 12: Giả sử ở một nơi nào đó trên Trái Đất hiện nay các hợp chất hữu cơ được tổng hợp từ chất vô cơ trong tự nhiên thì liệu từ các chất này có thể tiến hóa hình thành nên các tế bào sơ khai như đã từng xảy ra trong quá khứ? Giải thích.
Giả sử hiện nay, trên Trái Đất, các hợp chất hữu cơ được tổng hợp từ các chất vô cơ trong tự nhiên, thì khả năng hình thành các tế bào sơ khai như đã từng xảy ra trong quá khứ là một vấn đề phức tạp và có nhiều yếu tố cần xem xét. Trước tiên, chúng ta cần hiểu rằng sự tiến hóa của sự sống từ các hợp chất hữu cơ đến các tế bào sơ khai không phải là một quá trình đơn giản và cần phải có một số điều kiện nhất định.
Trong quá khứ, khi Trái Đất còn rất trẻ, điều kiện môi trường và khí quyển đã tạo ra những điều kiện hóa học đặc biệt, giúp các hợp chất hữu cơ như axit amin, nucleotit, và các hợp chất khác hình thành từ các chất vô cơ dưới tác động của các yếu tố như tia UV, sét, và nhiệt độ cao. Quá trình tổng hợp này tạo ra những hợp chất cơ bản cần thiết cho sự hình thành các tế bào sơ khai. Các hợp chất hữu cơ này, khi được kết hợp với các chất vô cơ và dưới sự tác động của các yếu tố môi trường, đã tạo ra các cấu trúc sơ khai, có khả năng tự sao chép và tự duy trì.
Trong môi trường hiện nay, mặc dù các hợp chất hữu cơ vẫn có thể được tổng hợp từ các chất vô cơ, nhưng các điều kiện tự nhiên không còn giống như trước kia. Một yếu tố quan trọng là sự thiếu vắng những điều kiện hóa học và môi trường khắc nghiệt như tia UV mạnh mẽ hay các đợt sét thường xuyên, những yếu tố đã giúp thúc đẩy các phản ứng hóa học tạo ra các hợp chất hữu cơ trong quá khứ. Bên cạnh đó, các yếu tố như nhiệt độ, độ pH, và nồng độ các chất vô cơ hiện nay không còn thích hợp để tạo ra các môi trường lý tưởng cho sự hình thành các tế bào sơ khai.
Ngoài ra, sự xuất hiện của các sinh vật hiện đại, đặc biệt là vi sinh vật, đã thay đổi hoàn toàn các điều kiện sinh thái và môi trường. Các vi sinh vật này chiếm lĩnh hầu hết các nguồn tài nguyên có sẵn, và chúng tạo ra một môi trường sinh hóa học khác biệt với quá khứ. Do đó, dù khả năng tổng hợp hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ vẫn có thể xảy ra trong môi trường tự nhiên hiện nay, nhưng quá trình tiến hóa từ các hợp chất này thành các tế bào sơ khai sẽ gặp phải rất nhiều khó khăn. Điều này chứng tỏ rằng sự phát sinh sự sống trên Trái Đất là một quá trình đặc biệt và có thể không thể tái diễn trong điều kiện hiện nay.
Bài tập 4 trang 139 SGK Sinh học 12: Nêu vai trò của lipit trong quá trình tiến hóa tạo nên lớp màng bán thấm.
Lipit đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của các cấu trúc tế bào, đặc biệt là trong quá trình hình thành lớp màng bán thấm, một yếu tố quan trọng trong sự tiến hóa của sự sống. Các lớp màng sinh học, bao gồm lớp màng bán thấm, là yếu tố cơ bản giúp tạo ra ranh giới giữa môi trường bên ngoài và bên trong tế bào. Chúng không chỉ giữ vững cấu trúc tế bào mà còn tham gia vào việc kiểm soát dòng chảy các chất vào và ra khỏi tế bào.
Trong quá trình tiến hóa, sự hình thành các lớp màng bán thấm có thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các hợp chất hữu cơ bên trong tế bào sơ khai khỏi sự phá hủy của môi trường bên ngoài. Lớp màng này cũng giúp tế bào giữ lại các chất dinh dưỡng và ngăn ngừa sự thẩm thấu các chất có hại. Các lipit, đặc biệt là phospholipit, có khả năng tự tổ chức thành một lớp màng hai lớp khi tiếp xúc với nước. Lớp màng này có tính chất bán thấm, cho phép một số chất đi qua trong khi ngăn chặn những chất khác.
Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình tiến hóa của sự sống vì lớp màng bán thấm không chỉ bảo vệ các tế bào sơ khai mà còn hỗ trợ quá trình trao đổi chất và tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học cần thiết trong tế bào. Sự hình thành lớp màng bán thấm từ lipit có thể là bước đầu tiên trong sự tiến hóa của các tế bào sống, giúp các tế bào sơ khai duy trì môi trường nội bào ổn định và phát triển thành các sinh vật phức tạp hơn.
Bài tập 5 trang 139 SGK Sinh học 12: Giải thích chọn lọc tự nhiên giúp hình thành lên các tế bào sơ khai như thế nào.
Chọn lọc tự nhiên là một quá trình quan trọng trong sự tiến hóa của sự sống, giúp hình thành và phát triển các sinh vật từ những dạng sống sơ khai nhất. Trong trường hợp của sự hình thành các tế bào sơ khai, chọn lọc tự nhiên đã đóng một vai trò quan trọng trong việc lựa chọn và duy trì những cấu trúc sinh học có khả năng sống sót và phát triển trong môi trường khắc nghiệt của Trái Đất sơ khai.
Các tế bào sơ khai, như là các tổ chức chất lỏng bao quanh các hợp chất hữu cơ và lipit, cần có khả năng duy trì sự ổn định nội bào và trao đổi chất để tồn tại. Chọn lọc tự nhiên giúp loại bỏ những cấu trúc không thích nghi với môi trường và duy trì các tế bào có khả năng tự tái tạo và giữ vững sự sống. Trong môi trường khắc nghiệt của Trái Đất sơ khai, những tế bào sơ khai có khả năng tự tổ chức và duy trì môi trường nội bào tốt nhất sẽ được chọn lọc, qua đó phát triển và tiến hóa thành các sinh vật phức tạp hơn.
Bài tập 2 trang 180 SGK Sinh học 12 Nâng cao: Hãy vẽ sơ đồ biểu diễn 2 giai đoạn phát sinh sự sống.
Hai giai đoạn phát sinh sự sống có thể được biểu diễn trong sơ đồ qua hai quá trình cơ bản: giai đoạn tiền sinh học và giai đoạn sinh học. Giai đoạn tiền sinh học là giai đoạn hình thành các hợp chất hữu cơ đơn giản từ các hợp chất vô cơ, trong khi giai đoạn sinh học là giai đoạn các hợp chất này tổ chức thành các cấu trúc phức tạp, như tế bào sơ khai.
Bài tập 4 trang 180 SGK Sinh học 12 Nâng cao: Giai đoạn tiến hóa tiền sinh học và sinh học diễn ra như thế nào.
Giai đoạn tiến hóa tiền sinh học là giai đoạn mà các hợp chất hữu cơ hình thành từ các chất vô cơ qua các phản ứng hóa học dưới tác động của năng lượng như tia UV hoặc sét. Giai đoạn sinh học diễn ra khi các hợp chất hữu cơ này kết hợp lại với nhau để tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn, như tế bào sơ khai, với các thành phần cấu trúc cơ bản như lớp màng bán thấm, giúp các tế bào sơ khai duy trì môi trường nội bào ổn định.
