Hide Nguyễn
Du mục số
- Xu
- 1,943
Chương1: Lý thuyết tiến hoá đối với sinh học
Những con ếch quái thai, một đề tài rất thú vị đối với kế hoạch nghiên cứu của một sinh viên đại học! Đó là những gì mà Pieter Johnson-1 sinh viên năm thứ 2 của đại học Stanford- đã suy nghĩ khi cậu ta gây ra sự chấn động trong giới khoa học cùng với "pacific tree frogs" có những đôi chân quá khổ mọc ra từ cơ thể của chúng. Những con ếch này được bắt ở một bờ ao nhỏ của một ngôi làng gần các mỏ thủy ngân cũ ở Almaden về phía Nam của San Jose,California. Các nhà khoa học trên thế giới đã báo cáo tình hình báo động về sự mất dần của rất nhiều loài ếch , có thể những con ếch "quái vật" này nắm giữ lời giải đáp vì sao có tình trạng rắc rối gặp phải ở các loài ếch trên thế giới. Các nguyên nhân của tình trạng biến hình này có thể là các chất hoá học nông nghiệp hoặc các kim loại nặng trong những quả mìn. Tuy nhiên nghiên cứu thư viện đã đề nghị các khả năng khác của Pieter.
Pieter đã nghiên cứu 35 cái ao trong vùng các con ếch biến dạng này được phát hiện. Cậu ấy đã đếm số lượng ếch trong các ao và kiểm tra thành phần hoá học của nước. 13 ao có "Pacific tree frogs" , nhưng chỉ có 4 ao là có các con ếch biến dạng. Pieter ngạc nhiên khi việc phân tích thành phần nước 4 ao này không phát hiện ra hàm lượng cao hơn của các thuốc trừ sâu,chất hoá học Công nghiệp, hay các kim loại nặng trong các ao có những con ếch biến dạng. Và càng ngạc nhiên hơn,khi cậu ta chọn lựa những con ếch từ các ao này và cho chúng đẻ trứng trong phòng thí nghiệm thì luôn thu được các con ếch bình thường. Điều khác biệt duy nhất mà cậu ta quan sát được giữa các ao là các ao có những con ếch biến dạng cũng có những con ốc sên nước ngọt.
A Monster Phenemonon : Là sinh viên năm 2 đại học Stanford, Pieter Johnson nghiên cứu về những cái ao, nơi cư trú của “pacific tree frogs” ( Hyla regilla), để cố gắng phát hiện ra lý do giải thích sự xuất hiện của hàng loạt con ếch bị biến dạng. Vật được gắn vào như cái đuôi ở đây chính là 1 cái chân thêm.
Những con ốc sên nước ngọt là ổ của rất nhiều loại sống kí sinh. Các loài sống kí sinh tham gia vào vòng đời phức tạp ở một số giai đoạn, mỗi loại trong số chúng đòi hỏi một động vật chủ đặc biệt. Pieter tập trung vào khả năng có thể rằng một vài loại động vật kí sinh sử dụng các con ốc sên như vật trung gian, đã gây bệnh cho các con ếch và gây ra hiện tượng biến dạng. Pieter đã tìm ra một loài thích hợp cho vòng đời này đó là một loài sâu béo nhỏ có tên là Ribeiroia , có mặt trong ao nơi mà các con ếch biến dạng được tìm thấy..
Sau đó Pieter đã làm một thí nghiệm, cậu ta chọn các con ếch từ những vùng mà không có các con ếch biến dạng và các con Ribeiroria. Rồi ấp trứng tại phòng thí nghiệm trong các hộp có hoặc không có loài kí sinh. Khi mà ở các hộp có loài kí sinh xuất hiện thì 85% các con ếch bị biến dạng . Một thí nghiệm xa hơn nữa đã giải thích tại sao không phải tất cả các ếch đều bị biến dạng: sự nhiễm bệnh phải xuất hiện trước khi một con nòng nọc bắt đầu mọc chân. Khi mà các con nòng nọc đã mọc chân mà bị nhiễm bệnh thì chúng không bị biến dạng
Quá trình nghiên cứu của Pieter đã bắt đầu từ một câu hỏi được đặt ra bởi quan sát trong tự nhiên. Cậu ta tự đưa ra các câu trả lời, quan sát rồi làm hẹp lại danh sách các khả năng, sau đó thực hiện các thí nghiệm để kiểm tra trong những giả định thì điều nào là hợp lý nhất. Những thí nghiệm đã giúp cậu ta đạt được một kết luận: các sự biến dạng là do loài Ribeiroia. Sự nghiên cứu của Pieter là 1 ví dụ điển hình của việc áp dụng các phương pháp khoa học trong sinh học.
Sinh học (biology) là môn học khoa học của những điều trong cuộc sống. Các nhà sinh học nghiên cứu từ cấp độ tế bào cho đến cấp độ toàn bộ hệ sinh thái. Họ nghiên cứu các sự kiện diễn ra trong 1 phần triệu giây cho đến các sự kiện kéo dài hàng triệu năm. Các nhà sinh học đặt ra các dạng câu hỏi khác nhau và sử dụng rất nhiều các công cụ, nhưng họ sử dụng các phương pháp khoa học khác nhau. Kết quả mà họ thu được là hiểu được chức năng cơ thể ( và các bộ phận của cơ thể) , và sử dụng các hiểu biết đó để giải quyết các vấn đề trong cuộc sống. Trong chương này, chúng tôi sẽ làm rõ hơn về những điều mà một nhà sinh học thực hiện. Đầu tiên, chúng tôi sẽ diễn tả các tính chất của những điều trong cuộc sống,các sự kiện tiến triển chính trong lịch sử cuộc sống của trái đất, và sự tiến hoá đa dạng của cuộc sống. Sau đó chúng tôi bàn tới các phương pháp mà các nhà sinh học sử dụng để nghiên cứu về chức năng của cuộc sống. Và ở cuối chương, chúng tôi sẽ bàn về cách làm sao để những hiểu biết của các nhà sinh học có thể được sử dụng giúp cho giải quyết vấn đề cuộc sống của cộng đồng.
Sự sống là gì?
Trước khi tìm hiểu về việc nghiên cứu sự sống, chúng ta cần thống nhất sự sống là gì. Mặc dù tất cả chúng ta đều biết những dạng sự sống quanh ta hàng ngày, nhưng thật khó để định nghĩa sự sống một cách rõ ràng. Có một định nghĩa ngắn gọn về sự sống như sau: một đơn vị có tính di truyền, có khả năng trao đổi chất, tái sinh (reproduction), và tiến hóa (evolution). Phần lớn quyển sách này đề cập những đặc tính trên của sự sống và làm thế nào chúng phối hợp với nhau để giúp cơ thể sống sót và tái sinh( hình 1.1). Bản tóm tắt khái quát sau đây sẽ giúp cho các bạn nghiên cứu về các tính chất đó.
1.1 Những mặt khác nhau của 1 đời sống: Sâu bướm, nhộng và bướm trưởng thành là những giai đoạn khác nhau trong 1 vòng đời của 1 con bướm chúa (Danaeus plexippus). Sâu bướm thu thập những nguyên liệu và năng lượng cần thiết để thực hiện hàng triệu các phản ứng chuyển hóa dẫn đến sự sinh trưởng và biến đổi, đầu tiên từ sâu bướm chuyển thành nhộng và cuối cùng thành bướm trưởng thành thích ứng cho việc sinh sản và phát tán. Sự biến đổi từ dạng này sang dạng khác được khởi sự từ các dấu hiệu từ bên trong cơ thể.
Sự trao đổi chất bao gồm sự biến đổi vật chất và năng lượng
Trao đổi chất (metabolism) : toàn bộ các hoạt động hoá học của cơ thể sống, bao gồm hàng ngàn các phản ứng hoá học riêng lẻ. Các phản ứng hoá học lấy vật chất và năng lượng và chuyển hoá chúng thành các dạng khác nhau, sẽ được tìm hiểu kĩ trong phần 1 của quyển sách này. Để 1 cơ thể hoạt động, rất nhiều trong số các phản ứng xảy ra đồng thời, cần phải kết hợp với nhau. Các gen thì quy định sự điều khiển này. Bản chất của vật chất di truyền (gen) mà điều khiển các hiện tượng trong đời sống chỉ mới được hiểu rõ trong khoảng 100 năm trở lại đây. Phần 2 của cuốn sách dành cho việc kể về câu chuyện của những khám phá về gen.
Môi trường bên ngoài có thể thay đổi một cách chóng mặt và không hề báo trước khiến cho cơ thể không thể kiểm soát được. Một cơ thể chỉ có thể bảo vệ được sức khoẻ nếu như môi trường bên trong còn đảm bảo được các điều kiện hoá lý. Các cơ quan bảo vệ của cơ thể giữ không thay đổi theo điều kiện môi trường bên ngoài bằng cách điều chỉnh quá trình trao đổi chất cho phù hợp với sự thay đổi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, có hay không có ánh sáng mặt trời, hay có những tác nhân lạ bên trong cơ thể.
Việc giữ vững sự ổn định tương đối các điều kiện bên trong cơ thể , giữ cho thân nhiệt ổn định, được gọi là tính nội cân bằng. Sự điều chỉnh để cơ thể nội cân bằng thường xuyên là không rõ ràng, bởi vì không thấy một sự biến đổi nào. Tuy nhiên, ở một vài thời điểm trong cuộc sống, có nhiều cơ quan trả lời lại sự thay đổi điều kiện không phải bằng cách giữ vững tình trạng của chúng mà theo 1 cách thay đổi phần lớn tổ chức cấu tạo. Một hình thức đầu tiên của sự thay đổi cấu trúc là sự phát triển của hình thức bào tử, một dạng bảo vệ tốt và là một hình thức vô hoạt trong các cơ thể phải chịu đựng điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một ví dụ điển hình về sự tiến hoá rất lâu về sau này là của các loài sâu bọ, như các loài bướm. Để đáp ứng lại các dấu hiệu hoá học bên trong cơ thể, một con sâu bướm sẽ phát triển bên trong một con nhộng và rồi trở thành một con bướm trưởng thành.
Sự sinh sản làm cuộc sống tiếp diễn liên tục và là nền tảng cho sự tiến hóa. Sự sinh sản khác nhau là một tính chất chính của cuộc sống. Nếu không có quá trình sinh sản, cuộc sống sẽ nhanh chóng biến mất. Sinh vật đơn bào đầu tiên sinh sản bằng hình thức nhân đôi vật chất di truyền của chúng sau đó phân tách thành hai. Hai tế bào con giống nhau và giống hệt tế bào mẹ, ngoại trừ sự đột biến xảy ra trong quá trình nhân đôi. Những lỗi đột biến đó dù hiếm, nhưng lại cung cấp các vật chất thô cho quá trình tiến hoá sinh học. Sự phối hợp của quá trình sinh sản đơn giản cùng các lỗi trong việc nhân đôi vật chất di truyền tạo nên sinh học tiến hoá, một sự thay đổi về thành phần gen của các quần thể sinh vật trải qua thời gian.
Sự đa dạng hóa cuộc sống một phần được điều khiển bởi môi trường vật lý. Có những nơi lạnh và có những nơi nóng, cái lạnh và nóng có thể kéo một khoảng thời gian dài trong năm. Ở một vài nơi (các đại dương, hồ, sông) thì ẩm ướt, một vài chỗ (các hoang mạc) thì luôn khô hạn. Không một dạng sống đơn giản nào có thể hoạt động tốt trong mọi loại môi trường như vậy. Thêm nữa, chính các dạng sống qui định sự đa dạng của chúng. Một khi thực vật tiến hóa thì nó trở thành nguồn thức ăn cho các dạng sống khác. Lần lượt các loài ăn thực vật sau đó lại trở thành thức ăn cho các loài sinh vật khác. Và khi các dạng sống này chết đi, chúng lại tiếp tục là thức ăn cho các dạng sống khác. Điểm khác nhau giữa các dạng sống cho phép chúng tồn tại trong các môi trường khác nhau và thích ứng với các kiểu sống khác nhau mà ta gọi là sự thích nghi. Sự đa dạng tuyệt vời của các dạng sống làm cho sinh học trở thành một thứ khoa học hấp dẫn và Trái đất trở thành một nơi giàu có, phục vụ cho cuộc sống.
Có một thời kì dài không có sự sống trên trái đất. Sau đó là thời kì sống của các đơn bào, rồi đến sự sinh trưởng của các đa bào. Nói một cách khác, tự nhiên và sự đa dạng các dạng sống khác nhau luôn thay đổi theo thời gian. Việc nghiên cứu quá trình mà tạo nên sự tiến hoá sinh học trên trái đất là một khoa học rất được chú trọng vào thế kỷ 19. Những quá trình đó sẽ được nói đến rõ nét hơn trong phần 4 của cuốn sách này. Còn ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu một cách ngắn gọn làm sao có thể khám phá ra chúng.
Tiến hóa sinh học
Những thay đổi qua hàng tỷ năm Khá lâu trước khi hiểu được cơ chế tiến hoá của sinh giới , nhiều người đã nhận thấy rằng sinh vật biến đổi theo thời gian và những cơ thể sống đã tiến hoá từ một loài nào đó ko còn tồn tại trên trái đất. Vào năm 1760, nhà tự nhiên học người Pháp_Count George-Louis Leclerc de Buffon (1707-1788)_đã viết “Lịch sử tự nhiên của muôn loài”, cuốn sách đã trình bày một cách rõ ràng về khả năng tiến hoá của sinh vật. Buffon đã quan sát xương chi của tất cả các loài động vật có vú ông nhận thấy có sự tương đồng ở nhiều điểm (hình 1.2). Ông cũng lưu ý một điểm: có những loài động vật có vú, như heo chẳng hạn, chân chúng có những ngón chẳng bao giờ chạm đất, và không có tác dụng gì. Buffon đã gặp khó khăn trong việc giải thích sự tồn tại của những ngón nhỏ vô ích này bởi quan niệm thông thường: Trái đất và tạo vật của nó được thượng đế tạo ra trong mối quan hệ với các dạng trước đó. Để giải thích cho những quan sát của mình, Buffon giả thiết rằng xương chi của các động vật có vú có thể đã được thừa hưởng từ một tổ tiên chung. Những con heo đó có thể có những ngón chân vô chức năng vì chúng được thừa hưởng từ tổ tiên đã có những ngón chân với đầy đủ hình dạng và chức năng.
Buffon đã không thể giải thích được những biến đổi diễn ra như thế nào nhưng một học trò của ông là Jean baptiste de Lamarck (1744-1829) đã đề xuất một cơ chế cho sự thay đổi. Ông cho rằng: ”Một giống sinh vật có thể thay đổi dần dần qua nhiều thế hệ vì thế hệ con cháu được thừa hưởng những đặc tính đã trở nên phổ biến, các đặc tính này sẽ càng hoàn thiện hơn trong quá trình phát triển của sinh vật, ngược lại các đặc tính không được tiếp nhận sẽ thu nhỏ lại và trở nên kém phát triển”. Ngày nay, các nhà khoa học không thừa nhận quá trình tiến hóa tuân theo cơ chế này. Tuy nhiên Lamarck đã để lại một dấu ấn quan trọng trong quá trình giải thích sự tiến hoá của sinh vật.
Thuyết tiến hóa của Darwin
Năm 1858, theo xu hướng chung, các nhà sinh học nhanh chóng tiếp thu một lý thuyết tiến hóa mới được đề xuất độc lập bởi Charles Darwin và Alfred Russel Wallace. Vào thời gian này, những nhà địa chất đã thu thập được những bằng chứng về sự tồn tại và thay đổi củaTrái đất qua hàng triệu năm, chứ không chỉ dừng lại ở vài ngàn năm như mọi người đã tưởng. Các bạn sẽ học kỹ hơn về thuyết tiến hóa do chọn lọc tự nhiên ở chương 23, nhưng các bạn cần nắm được những ý cơ bản để có thể hiểu được nội dung của quyển sách này. Lý thuyết của Darwin bao gồm 3 quan sát thực nghiệm và 1 kết luận ông rút ra từ đó. Ba quan sát thực nghiệm:
Khi sống dưới đáy đại dương một số loài cá có hình thù kỳ lạ để phù hợp với hoàn cảnh sống đặc biệt
Những nhà sinh vật bắt đầu có sự thay đổi một chút về quan niệm chủ đạo so với 1 thế kỷ trước.Họ chấp nhận sự lâu dài của quá trình tiên hoá và thừa nhận rằng Chọn lọc tự nhiên là 1 quá trình các sinh vật thích nghi với môi trường sống. Để chấp nhận quan niệm này cần nhiều thời gian vì nó đòi hỏi phải từ bỏ nhiều quan niệm của thế giới quan buổi ban đầu.
Trước Darwin, người ta xem thế giới là mới mẻ và cơ thể sinh vật khi được thượng đế tạo ra đã có như dạng hiện thời. Đến thời Darwin, thế giới được xem là đã cổ xưa, cả trái đất lẫn những cư dân của nó đều đã thay đổi theo thời gian. Những dạng tổ tiên rất khác so với những dạng tồn tại ngày nay. Những cơ thể sống tiến hóa những đặc điểm riêng của chúng vì với những đặc điểm này tổ tiên của chúng đã tồn tại và sinh sản tốt hơn với những đặc điểm khác.
Những sự kiện trọng đại trong lịch sử sự sống trên trái đất
Lịch sử sự sống trên trái đất
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
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
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
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
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
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
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.
Cây tiến hóa của sự sống
Tât cả các loài trên trái đất ngày nay đều bắt nguần từ một tổ tiên chung, tổ tiên của chúng ta chính là các vi sinh vật đơn bào xuất hiện trên trái đất từ 4 tỷ năm về trước. Nếu như những điều kiện trên trái đất không thay đổi thì ngay từ khi hình thành đến ngày nay chỉ có duy nhất một loài sinh vật tồn tại. Nhưng vấn đề đặt ra là trên trái dất hiện nay có tới hàng triệu loài cùng sinh sống, mỗi loài trong chúng có nhưng đặc điểm khác nhau về mặt di truyền học.
Tại sao lại có nhiều loài như vậy? Với điều kiện có sự bắt cặp ngẫu nhiên giữa các cá thể khác nhau trong quần thể để sản sinh ra các thế hệ con cháu, sự bắt cặp ngẫu nhiên này sẽ tạo ra sự khác biệt giữa con cái với cha mẹ, nhưng sự khác biệt này được tích lũy trong khoảng thời gian nhất định và sẽ tạo ra những thay đổi lớn của thế hệ con cháu so với tổ tiên của chúng, và chỉ những loài thích nghi được với sự thay đổi của điều kiện môi trường sống mới sống và tồn tại được. Tuy nhiên, nếu trong một quần thể ban đầu có sự chia cách lẫn nhau để tạo thành hai nhóm khác nhau, các cá thể trong hai nhóm này trở lên bất thụ với nhau, tức là khi đó đã có sự khác nhau về mặt di truyền giữa các cá thể trong hai nhóm này, nếu điều này xẩy ra thì sẽ có sự hình thành loài mới. Sự tách ra của cả nhóm cá thể trong một quần thể này là nguyên nhân cơ bản nhất dẫn đến sự đa dạng của sinh vật trên trái đất ngày nay. Vấn đề này sẽ được làm sáng tỏ trong chương 24 của quyển sách này.
Đôi khi chúng ta cho rằng, sự đơn giản của các sinh vật nguyên thủy lại là một cấu trúc tốt để giúp cho chúng tồn tại, do khả năng thích nghi của chúng tốt hơn các sinh vật khác. Nói tóm lại, tất cả các sinh vật còn tồn tại đến ngày nay đều là do khả năng thích ứng tốt của chúng đối với sự thay đổi của môi trường sống như mỏ của các loài chim thay đổi với những điều kiện sống và môi trường sống khác nhau, đại bàng thì có mỏ to khỏe để thích hợp cới việc xé thịt và giết hại con mồi, chim dế thì có cái mỏ nhọn và dài đẻ chúng có thể băt được những con mồi trong bùn đất, và sự đa dạng về hình thể khác được thấy trong Hình 17. Sự đa dạng của các loài vi khuẩn, mà phần lớn trong số chúng có cấu tạo rất đơn giản, kiểu hình đơn giản này chứng minh rằng chúng có hiệu quả thích nghi tốt. Trong quyển sách này chúng ta sử dụng mức độ đơn giản và phức tạp khác nhau trong cấu trúc để nói lên sự liên quan lẫn nhau của cả sinh vật, chúng ta sử dụng phân chia các đặc tính khác nhau của các nhóm sinh vật xuất hiện trước và các tiến hoá của các thế hệ sau này.
Nhiều hơn 30 triệu loài sinh vật có thể sống trên trái đất ngày nay, còn có nhiều loài khác đã từng tồn tại trên trái đất nhưng đến nay đã không còn tồn tại nữa. Tính đa dạng của sinh giới ngày nay là kết quả của sự phân tách ra hàng triệu lần của quần thể sinh vật ban đầu. Để hiểu về sự hình thành loài chúng ta có thể biểu diễn những sự kiện xẩy ra bằng cây tiến hoá, cây tiến hoá chỉ ra các cấp độ phân tách của các quần thể mà kết quả của sự hình thành loài mới (cây tiến hoá này có thể được thấy trong hình 18). Một cây tiến hoá với một thân ban đầu và ngày càng phân ra thành nhiều nhánh rất đa dạng, theo dấu vết của sự phân nhánh này dựa vào các thế hệ con cháu ta có thể biết được tổ tiên đã sinh ra chúng sống trong thời gian trước, cây tiến hoá cho chúng ta biết được mối liên hệ tiến hoá giữa loài và các nhóm của loài. Những loài sinh vật có đặc điểm chung gần gũi với nhau được xếp thành một nhánh, những nhóm có những đặc điểm khác nhau được xếp thành các nhánh khác nhau. Trong quyển sách này chúng ta chấp nhận quy ước thời gian đi từ trái qua phải, như vậy đi về phía trái của cây là tổ tiên của các loài, và gốc của cây là là tổ tiên chung của sự sống trên trái đất ngày nay.
Mục đích của cây tiến hoá là xác định mối quan hệ tiến hoá giữa các loài trên trái đất ngày nay. Đạt được mục đích này là nhờ các nhà sinh vật học đã nghiên cứu tập hợp đầy đủ các thành viên của sự sống trên cây tiến hoá từ những vi trùng đến những động vật có vú. Từ dữ liệu của cây tiến hóa cho ta thấy được sự đa dạng của các nguồn. Những hóa thạch của các sinh vật sống trước đây kể cho chúng ta ở đâu khi nào mà các vi sinh vật tổ tiên đã sống và những cái gì còn giống đến ngày nay. Với kĩ thuật gen hiện đại như là kĩ thuật tái tổ hợp DNA chúng ta có thể xác định được nhiều gen của các loài khác nhau. Nhờ công nghệ thông tin chúng ta có thể tập hợp được khối lượng lớn của các thông tin di truyền. Sáng kiến về cây tiến hóa là một trong những đề tài có tầm quan trọng nhất của sinh học hiện đại, nó làm mất ít nhất hai thập kỉ của nhiều nhà khoa học trên các lĩnh vực khác nhau, đó là nguyên nhân đẫn đến trong một thời gian dài sự hoàn thành đầy đủ nhiều loài trên trái đất chưa được mô tả.
Cây tiến hoá sẽ là một khung thông tin trong sinh học cũng như bảng tuần hoàn cung cấp các thông tin cho hoá học và vật lý. Sự tiến hoá sắp đặt tự do hơn nhiều triệu năm nay được nghiên cứu và phát triển. Mỗi một sự sống mang một bộ gen nhất định, nó kiểm chứng cho sự chọn lọc của tự nhiên. Các nhà khoa học có thể mở được những bí ẩn về di truyền này và nghiên cứu sâu hơn về các quá trình sản sinh ra chúng. Mặc dù còn nhiều điều chưa được hoàn thành, các nhà sinh học đã đủ biết để lập ra cây tiến hoá tạm thời của sự sống, được chỉ ra trong Hình 18.
Sinh vật thuộc hai nhóm sinh vật thời thái cổ và vi khuẩn là các sinh vật không có nhân. Archaea và vi khuẩn cũng có mối liên hệ với nhau và chúng tồn tại từ rất sớm trong quá trình tiến hoá của sự sống, hai loài này sẽ đựoc mô tả kỹ trong chương 27 của quyển sách này. Thành viên khác đó là sinh vật có nhân Eukarya, chúng là các tế bào có nhân hoàn chỉnh, Eukarya được chia ra làm 4 nhóm là: sinh vật nguyên sinh, thực vật, nấm và động vật. Sinh vật nguyên sinh được giới thiệu ở chương 28, thực vật sẽ được giới thiệu ở chương 29 và chương 30, nấm ở chương 31 bao gồm nấm mốc, nấm lớn, nấm men và các sinh vật tương tự khác, đây là nguồn tài nguyên phong phú cho việc tổng hợp các phân tử sinh học bằng các chất sinh học khác. Nấm có thể làm hỏng thực phẩm trong môi trường của chúng và sau đó chúng hấp thu các sản phẩm hỏng vào trong tế bào của chúng. Chúng rất quan trọng trong quá trình phân hủy xác của các vật liệu sinh học và các sinh vật chết khác đóng góp quan trọng vào chu trình tuần hoàn vật chất của sự sống.
Thành viên của giới động vật là các sinh vật dị dưỡng (heterotrophs), những loại này chúng ăn vào bụng những thức ăn nhưng sự đồng hóa thức ăn diễn ra ở bên ngoài tế bào, và sau đó chúng hấp thụ sản phẩm. Động vật ăn nhiều nhóm khác nhau để thu được năng lượng thô và năng lượng cho tế bào hoạt động. Giới này sẽ được giới thiệu ở chương 32, 33 và 34. Chúng ta sẽ thảo luận về mức độ quan trọng của các mức độ tổ chức sống trong chương 25. Chúng ta cần biết nhận diện tên sinh vật bằng tên la tinh, đầu tiên là tên của nhóm loài đó là các loài có tổ tiên chung, thứ hai là tên của loài. Tránh sự nhầm lẫn, không nhiều hơn sự phối hợp của hai tên đó là tên của một loài. Ví dụ tên khoa học của loài người là Homo sapiens trong đó homo là tên giống loại còn sapiens là tên loài của chúng ta.
Sinh học là một môn khoa học
Để nghiên cứu sự đa dạng phong phú của sinh vật sống, các nhà sinh vật học đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Quan sát trực tiếp bằng các giác quan là phương thức chính của nhiều nghiên cứu khoa học, ở những phương này các nhà khoa học sử dụng nhiều loại dụng cụ và máy móc để hỗ trợ các giác quan của con người. Ví dụ, có thể dùng kính hiển vi để nghiên cứu các vật thể vô cùng nhỏ. Hoặc để quan sát và phóng đại các vật thể ở xa , ta có thể dùng kính viễn vọng. Để tìm hiểu các sự kiện đã diễn ra cách đây hàng triệu năm, các nhà khoa học dùng phương pháp phân tích phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ.
Phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học
Bên cạnh sự trợ giúp của các dụng cụ nghiên cứu, phương pháp luận còn đóng một vai trò quan trọng giúp các nhà khoa học trả lời các câu hỏi về thế giới tự nhiên. Phương pháp đặt giả thuyết - phỏng đoán là phương pháp khoa học được sử dụng nhiều nhất. Phương pháp này giúp các nhà khoa học sửa đổi các kết luận của họ. Phương pháp này gồm 5 bước :
1- Quan sát. 2- Đặt câu hỏi. 3- Đặt giả thuyết, giả thuyết có khuynh hướng trả lời các câu hỏi. 4- Đưa ra phỏng đoán, dựa trên giả thuyết. 5- Kiểm tra phán đoán bằng cách thêm vào những quan sát hoặc là làm thí nghiệm. Nếu các kết quả đã qua kiểm tra củng cố giả thuyết ban đầu, thì nó sẽ làm sáng tỏ các phỏng đoán cũng như các thực nghiệm. Nếu như các kết quả tiếp tục củng cố các thực nghiệm, độ tin cậy và độ chính xác được nâng cao, thì giả thuyết sẽ được xem như là học thuyết. Nếu như các kết quả không làm sáng tỏ các giả thuyết, nó sẽ bị bác bỏ hay sẽ được sửa đổi để phù hợp với những thông tin mới. Sau đó các phỏng đoán mới được đưa ra và các kiểm chứng mới cũng sẽ được tiến hành.
Giả thuyết được kiểm tra bằng hai cách
Kiểm tra giả thuyết rất đa dạng, nhưng có 2 loại chính sau đây: phương pháp kiểm tra thực nghiệm và phương pháp so sánh. Nếu có thể, các nhà khoa học dùng thực nghiệm để kiểm tra phỏng đoán từ giả thuyết. Những việc mà Pieter Jonhoson đã làm là lấy trứng của những con ếch trong phòng thí nghiệm. Anh dự đoán rằng, nếu giả thuyết của mình là đúng (nghĩa là ký sinh trùng Riberoria gây ra biến dạng ếch), thì ếch khi sinh sống chung với loài sâu này sẽ gia tăng sự biến dạng, và ngược lại thì ếch không bị biến dạng. Điểm thuận lợi của kiểm chứng thực nghiệm là tất cả các nhân tố khác ngoài nhân tố kiểm chứng là không thay đổi. Nghĩa là, bất kỳ một yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến kết quả (như nhiệt độ nước, độ pH trong thí nghiệm của Pieter) đều được kiểm soát. Điểm mạnh nhất của thí nghiệm là có khả năng chứng minh được giả thuyết hay phỏng đoán từ thí nghiệm đó là sai.
Nhưng có nhiều giả thuyết không thể kiểm tra bằng thực nghiệm. Một số giả thuyết được kiểm tra bằng phỏng đoán từ những mô hình trong tự nhiên nếu như giả thuyết đó đúng. Dữ liệu thu thập sẽ quyết định những mô hình đấy có thực sự tồn tại trong tự nhiên hay không. Sự giải quyết vấn đề này gọi là phương pháp so sánh. Đây là phương pháp cơ bản của nhiều nhà khoa học trong 1 số lĩnh vực, như chiêm tinh học (astronomy ) . Đây là cũng là phương pháp so sánh mà các nhà sinh học thường dùng.
Hình 1.9 mô tả 1 trong nhiều thí nghiệm các nhà khoa học đưa ra để kiểm tra giả thuyết của mình. Một vài thử nghiệm khác cũng đưa cho cùng kết quả tương tự, trong khi 1 số khác lại cho thấy không có sự ảnh hưởng của tia UV-B, hoặc cho thấy những ảnh hưởng trái ngược của tia UV-B khi có sự có mặt của pH thấp.
Một phần nhỏ chứng minh cho giả thuyết hiếm khi nào dẫn tới chấp nhận giả thuyết. Tương tự, 1 chống đối riêng lẽ không thể bác bỏ giả thuyết. Các kết quả không ủng hộ giả thuyết do nhiều nguyên nhân, một trong số đó là giả thuyết sai. Ví dụ, 1 phỏng đoán sai có thể rút ra từ 1 giả thuyết không chính xác. Hay 1 thí nghiệm dùng 1 sinh vật không thích hợp có thể đưa tới các kết quả sai lầm.
Bưóc 1 : Quan sát
Quần thể lưỡng cư của các vi sinh vật như nhau, tức là thay đổi bất thường theo thời gian. Trước khi chúng ta đưa ra quyết định về bất kỳ sự suy giảm nào khác với những quần thể bình thường, chúng ta cần phải phát hiện là chúng bất thường. Để đánh sự biến đổi bất thường này, một nhóm các nhà khoa học trên thế giới đang tiến hành thu thập dữ liệu về các quần thể lưỡng cư. Dữ liệu của nhóm đã chứng minh rằng các quần thể lưỡng cư đang biến đổi nghiêm trọng ở một số nơi trên thế giới, đặc biệt là ở vùng Tây Bắc Mỹ , Trung Mỹ, Đông Bắc Úc, vịnh Amazon. Các dữ liệu cuả các nhà khoa học cũng cho thấy rằng sự biến đổi ở vùng núi thì cao hơn ở vùng đất thấp. Các nhà nghiên cứu cũng khám phá là không có dữ liệu biến đổi ở quần thể Châu Phi và Châu Á.
Bước 2 : Đặt câu hỏi
Hai câu hỏi được đưa ra là: Tại sao nhóm lưỡng cư giảm mạnh hơn ở vùng cao? Tại sao sự suy giảm chỉ xảy ra ở 1 số vùng mà không phải các vùng khác?
Bước 3 và bước 4 : lập giả thuyêt và phỏng đoán
Để phát triển giả thuyết cho câu hỏi đầu, trước tiên các nhà khoa học đã xác nhận rằng yếu tố môi trường có làm thay đổi độ cao. Nhiệt độ giảm, lượng mưa tăng ở những vùng cao, và trong những vùng ôn đới, mật độ tia tử ngoại-B (UV-B) tăng khoảng 18% tương ứng khi độ cao tăng 1000m. Một giả thuyết được đưa ra cho rằng sự suy giảm về số lượng của 1 số loài lưỡng cư là do sự gia tăng toàn cầu của tia UV-B, kết quả của việc giảm nồng độ của ozon khí quyển. Nếu sự gia tăng mật độ tia UV-B gây ra những ảnh hưởng bất lợi đến số lượng loài lưỡng cư, chúng ta có thể đưa ra phỏng đoán rằng việc giảm tia UV-B ở các ao nơi trứng loài lưỡng cư được ấp và ấu trùng đang phát triển sẽ cải thiện được tỷ lệ sống sót của chúng.
Bước 5 : kiểm tra giả thuyết
Giả thiết cho rằng việc tăng mật độ tia UV-B có thể làm giảm sút số lượng loài lưỡng cư đã được kiểm tra bằng cách so sánh các phản xạ của các con nòng nọc của 2 loài ếch sống ở vùng núi Australia. Một loài Litoria verreauxii đã biến mất hoàn toàn khỏi vùng này; và loài còn lại thì Crinia signifera thì không. Nguyên nhân là do ở vùng cao, các con nòng nọc này sẽ phải chịu 1 lượng tia UV-B lớn hơn, và kinh nghiệm cho thấy rằng khả năng sống sót của loài L.verreauxii ít hơn loài C.signifera nếu phải chịu cùng 1 lượng UV-B như nhau. Theo như phỏng đoán, khi tiếp xúc với tia UV-B, các cá thể của loài C. signifera vẫn sống tốt, nhưng tất cả các cá thể loài L. verreauxii đều chết trong vòng 2 tuần. Nếu được nuôi trong 1 hồ lớn được bao bọc bởi những tấm lọc nhằm hạn chế bớt tia UV, thì cá thể của cả 2 loài đều sống tốt. Và kết quả thu được đã củng cố cho giả thuyết mà các nhà khoa học đưa ra ban đầu.
Nhiều giả thiết cũng được đưa ra nhằm xác định các nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm số lượng của loài lưỡng cư, bao gồm cả các ảnh hưởng do những biến động môi trường sống gây ra bởi con người. Hai tác động rõ ràng nhất từ những biết đổi môi trường sống gây ra bởi loài người là sự ô nhiễm không khí trong khu đô thị, khu tăng trưởng công nghiệp, và thuốc trừ sâu sử dụng trong nông nghiệp.
Theo giả thuyết về sự biến đổi môi trường thì sự thái hoá của các loài lưỡng cư có thể là do môi trường chúng đang sống ô nhiễm hơn các môi trường ở vùng khác. Giả thuyết này được kiểm tra bằng phương pháp so sánh. Các nhà khoa học mở rộng nghiên cứu lên 8 loài lưỡng cư tại ban California. Các loài được nghiên cứu bao gồm 4 loài ếch thuộc giống Rana, hai loài cóc và vài loài kỳ nhông. Các khảo sát được dùng theo phương pháp thống kê (khảo sát và đếm) để nhận biết nơi nào các quần thể của 1 loài hiện diện hay vắng mặt tại hàng trăm điểm khảo sát ở khắp tiểu bang.
Kết quả thống kê của ếch Rana aurora được trình bày ở hình 1.10
Bản đồ hình 1.10 cho thấy một xu thế rất rõ của R. Aurora: các quần thể lưỡng cư hầu như biến mất tại vùng thành thị và các vùng trồng trọt ô nhiễm cao, và hiện diện rất nhiều tại các vùng nông nghiệp tương đối sạch hơn. Đây là thông tin căn bản nhất của phương pháp so sánh.
Trong nghiên cứu này, sau khi đếm tỉ mỉ và so sánh với các dữ kiện tương tự khác có được từ 8 loài cho thấy rằng một vài loài biến mất tại các vùng ô nhiễm cao, tuy nhiên vẫn có những loài(như cóc) thì không bị ảnh hưởng. Từ đó chúng ta có thể kết luận môi trường sống của con người không phải là nguyên nhân duy nhất của sự biến mất tất cả các loài. Một vài nghiên cứu khác cũng nhấn mạnh một số giả thiết khác về sự biến mất của một số loài lưỡng cư. Một vài bằng chứng cho thấy rằng khói từ các đám cháy rộng có thể gây các ảnh hưởng bất lợi đến các loài lưỡng cư. Sự thay đổi khí hậu đóng một vai trò cự kỳ quan trọng ở những vùng như vùng Trung Mỹ, nơi mà từ tiết ấm và khô suốt nhiều năm mùa gieo trồng có thể là nguyên nhân biến mất của loài cóc vàng Costa Rica. Và cũng theo Poeter Jonhson giải thích các sinh vật ký sinh cũng là một phần nguyên nhân của vấn đề.
Mặt dầu việc tìm kiếm và thu thập thêm thông tin là rất quan trọng, nhưng với những quan sát và nghiên cứu trên đây đã cho ta thấy được không chỉ có một nguyên nhân dẫn đến tình trạng thoái hoá của các loài lưỡng cư.
Phát hiện này không gây một ngạc nhiên nào bởi vì không có nơi nào trên trái đất mà điều kiện tự nhiên lại giống nhau hoàn toàn cả, và cũng không có loài lưỡng cư nào thích nghi giống loài nào. Trong quá trình thích nghi với tự nhiên, lưỡng cư cũng giống như tất cả các sinh vật khác. Sự sống của chúng rất phức tạp và là sự tương tác giữa rất nhiều các nhân tố với nhau bao gồm cả sự tương tác giữa loài và loài.
Một giải thích đơn giản đối với mọi vấn đề không thể đạt được sự đồng thuận và tin tưởng của tất cả mọi người. Sự phức tạp này làm cho sinh học trở thành một bộ môn khoa học khá khó khăn để nghiên cứu. Nhưng chính điều đó làm cho sinh học trở nên thu hút và lý thú hơn.
Không phải tất cả mọi điều tra đều là khoa học
Phương pháp nghiên cứu khoa học là công cụ mạnh nhất của loài người để tìm hiểu tự nhiên và tăng cường sự hiểu biết của mình đối với thế giới tự nhiên và các quy luật của nó. Sức mạnh của khoa học được đặt nền tảng trên các lý thuyết đã được kiểm chứng. Quá trình này có khả năng tự điều chỉnh bởi vì nếu có bất cứ sai lầm nào trong quá trình thiết lập một học thuyết mới nó sẽ bị loại thải hoặc được thực hiện theo cách khác trong các thí nghiệm sau. Thêm vào đó bởi vì các bước để thực hiện một thí nghiệm được trình bày một cách kỹ càng nên các nhà nghiên cứu đi sau sẽ dễ dàng kiểm chứng. Bất kỳ sai sót hay sự thiếu trung thực nào cũng sẽ được nhanh chóng phát hiện. Đó cũng là lý do tại sao khác với các nhà chính trị, các nhà khoa học trên thế giới luôn tin tưởng kết quả của nhau .
Nếu hiểu rõ về phương pháp nghiên cứu khoa học ta có thể phân biệt rõ giữa khoa học và các lĩnh vực khác. Nghệ thuật, âm nhạc và văn học những hoạt động nâng cao đời sống con người không phải là các bộ môn khoa học. Chúng giúp chúng ta hiểu biết được những giá trị của cuộc sống. Tôn giáo cũng không phải là một bộ môn khoa học. Tôn giáo trao cho ta niềm tin và dìu dắt đời sống tâm linh chúng ta, thiết lập những giá trị nhân văn căn bản. Thông tin khoa học tạo ra một tình huống mà các giá trị của tình huống đó được thảo luận và thành lập. Nhưng nó không thể nói cho chúng ta tình huống đó có giá trị như thế nào
Sự liên hệ giữa sinh học và xã hội
Các nghiên cứu về sinh học có quan hệ rất lâu dài và chặt chẽ với cuộc sống con người. Nông nghiệp và dược phẩm là 2 lĩnh vực quan trọng nhất trong sinh học ứng dụng. Con người đã nghiên cứu về nguyên nhân gây bệnh và các liệu pháp điều trị từ thời cổ đại. Ngày nay với sự giải mã di truyền và khả năng thao tác trên gene của sinh vật, con người có thể chữa trị được rất nhiều bệnh và sản xuất các sản phẩm nông sản khác. Trong cùng thời gian này có rất nhiều vấn đề về đạo đức và xã hội nảy sinh. Bao nhiêu và theo phương thức nào chúng ta chuyển đổi gene của người và một số loài sinh vật khác? Có vấn đề gì không khi ta thay thế các sinh vật truyền thống bằng các sinh vật biến đổi gene? Độ an toàn của các sinh vật chuyển gene đối với môi trường và đối với con người?
Nguyên nhân khác để ta lưu tâm đến việc nghiên cứu sinh học là để hiểu rõ hơn về những tác động của con người lên thế giới tự nhiên. Việc sử dụng các nguồn tài nguyên có thể hoặc không thể tái tạo đã gây nguy hiểm lên môi trường, nơi cung cấp sự sống cho tất cả chúng ta. Những hoạt động của con người đã thay đổi khí hậu toàn cầu, nguyên nhân của sự tuyệt chủng hàng loạt các loài, và kết quả là sự lây lan của những căn bệnh mới và biến thể nguy hiểm của các căn bệnh cũ. Ví dụ như sự lây lan nhanh chóng của dịch SARS hay West Nile virus là do sự thuận tiện của các phương tiện giao thông. Những hiểu biết về sinh học cần thiết cho việc nhận biết nguyên nhân của các thay đổi trên, cảnh báo xã hội đề phòng và đối phó với chúng, và khai thác sự đa dạng sinh thái của tự nhiên nhằm cung cấp hàng hoá và dịch vụ cho con người nhằm nâng cao cuộc sống con người.
Các nhà khoa học còn giúp đỡ chính phủ trong việc thiết lập luật lệ và các quy tắc ứng xử trong xã hội để đối phó với vấn đề và thử thách ngày một nhiều. Trong quá trình nghiên cứu cuốn sách này chúng ta sẽ được tiếp cận với các kiến thức về sinh học đủ để ta hiểu rõ nếu các chính sách về sinh học được ban hành.
Xuyên suốt cuốn sách này chóng ta sẽ trao đổi về sự kỳ thú trong nghiên cứu sinh vật và thấy được sự phong phú về phương thức nghiên cứu của các nhà sinh học để tìm hiểu về thế giới theo cách chúng ta nhận biết và cách thức hoạt động, chức năng của muôn loài.
Động cơ lớn nhất của các nhà sinh học là sự nghi ngờ, tò mò. Con người bị quyến rũ bởi sự phong phú và vẻ đẹp của tự nhiên và muốn tìm hiểu nhiều hơn về các loài giúp loài người hiểu biết thêm về các loài sinh vật khác và sự tương tác giữa loài người với các loài sinh vật khác trong tự nhiên. Lịch sử nghiên cứu cho thấy chỉ những người biết tò mò và tìm hiểu thì mới có thể thành công. Nói một cách khác, tò mò là thích nghi! Một lượng lớn câu hỏi của chúng ta về thế giới vẫn chưa được trả lời, và những khám phá mới thường đặt ra nhiều câu hỏi mới nhiều hơn là những điều mà nó trả lời được. Có nghĩa là sự tò mò sẽ là động cơ quan trọng nhất để bạn có thể có những ý tưởng.
Nguồn : Thuvienkhoahoc
Những con ếch quái thai, một đề tài rất thú vị đối với kế hoạch nghiên cứu của một sinh viên đại học! Đó là những gì mà Pieter Johnson-1 sinh viên năm thứ 2 của đại học Stanford- đã suy nghĩ khi cậu ta gây ra sự chấn động trong giới khoa học cùng với "pacific tree frogs" có những đôi chân quá khổ mọc ra từ cơ thể của chúng. Những con ếch này được bắt ở một bờ ao nhỏ của một ngôi làng gần các mỏ thủy ngân cũ ở Almaden về phía Nam của San Jose,California. Các nhà khoa học trên thế giới đã báo cáo tình hình báo động về sự mất dần của rất nhiều loài ếch , có thể những con ếch "quái vật" này nắm giữ lời giải đáp vì sao có tình trạng rắc rối gặp phải ở các loài ếch trên thế giới. Các nguyên nhân của tình trạng biến hình này có thể là các chất hoá học nông nghiệp hoặc các kim loại nặng trong những quả mìn. Tuy nhiên nghiên cứu thư viện đã đề nghị các khả năng khác của Pieter.
Pieter đã nghiên cứu 35 cái ao trong vùng các con ếch biến dạng này được phát hiện. Cậu ấy đã đếm số lượng ếch trong các ao và kiểm tra thành phần hoá học của nước. 13 ao có "Pacific tree frogs" , nhưng chỉ có 4 ao là có các con ếch biến dạng. Pieter ngạc nhiên khi việc phân tích thành phần nước 4 ao này không phát hiện ra hàm lượng cao hơn của các thuốc trừ sâu,chất hoá học Công nghiệp, hay các kim loại nặng trong các ao có những con ếch biến dạng. Và càng ngạc nhiên hơn,khi cậu ta chọn lựa những con ếch từ các ao này và cho chúng đẻ trứng trong phòng thí nghiệm thì luôn thu được các con ếch bình thường. Điều khác biệt duy nhất mà cậu ta quan sát được giữa các ao là các ao có những con ếch biến dạng cũng có những con ốc sên nước ngọt.
A Monster Phenemonon : Là sinh viên năm 2 đại học Stanford, Pieter Johnson nghiên cứu về những cái ao, nơi cư trú của “pacific tree frogs” ( Hyla regilla), để cố gắng phát hiện ra lý do giải thích sự xuất hiện của hàng loạt con ếch bị biến dạng. Vật được gắn vào như cái đuôi ở đây chính là 1 cái chân thêm.
Những con ốc sên nước ngọt là ổ của rất nhiều loại sống kí sinh. Các loài sống kí sinh tham gia vào vòng đời phức tạp ở một số giai đoạn, mỗi loại trong số chúng đòi hỏi một động vật chủ đặc biệt. Pieter tập trung vào khả năng có thể rằng một vài loại động vật kí sinh sử dụng các con ốc sên như vật trung gian, đã gây bệnh cho các con ếch và gây ra hiện tượng biến dạng. Pieter đã tìm ra một loài thích hợp cho vòng đời này đó là một loài sâu béo nhỏ có tên là Ribeiroia , có mặt trong ao nơi mà các con ếch biến dạng được tìm thấy..
Sau đó Pieter đã làm một thí nghiệm, cậu ta chọn các con ếch từ những vùng mà không có các con ếch biến dạng và các con Ribeiroria. Rồi ấp trứng tại phòng thí nghiệm trong các hộp có hoặc không có loài kí sinh. Khi mà ở các hộp có loài kí sinh xuất hiện thì 85% các con ếch bị biến dạng . Một thí nghiệm xa hơn nữa đã giải thích tại sao không phải tất cả các ếch đều bị biến dạng: sự nhiễm bệnh phải xuất hiện trước khi một con nòng nọc bắt đầu mọc chân. Khi mà các con nòng nọc đã mọc chân mà bị nhiễm bệnh thì chúng không bị biến dạng
Quá trình nghiên cứu của Pieter đã bắt đầu từ một câu hỏi được đặt ra bởi quan sát trong tự nhiên. Cậu ta tự đưa ra các câu trả lời, quan sát rồi làm hẹp lại danh sách các khả năng, sau đó thực hiện các thí nghiệm để kiểm tra trong những giả định thì điều nào là hợp lý nhất. Những thí nghiệm đã giúp cậu ta đạt được một kết luận: các sự biến dạng là do loài Ribeiroia. Sự nghiên cứu của Pieter là 1 ví dụ điển hình của việc áp dụng các phương pháp khoa học trong sinh học.
Sinh học (biology) là môn học khoa học của những điều trong cuộc sống. Các nhà sinh học nghiên cứu từ cấp độ tế bào cho đến cấp độ toàn bộ hệ sinh thái. Họ nghiên cứu các sự kiện diễn ra trong 1 phần triệu giây cho đến các sự kiện kéo dài hàng triệu năm. Các nhà sinh học đặt ra các dạng câu hỏi khác nhau và sử dụng rất nhiều các công cụ, nhưng họ sử dụng các phương pháp khoa học khác nhau. Kết quả mà họ thu được là hiểu được chức năng cơ thể ( và các bộ phận của cơ thể) , và sử dụng các hiểu biết đó để giải quyết các vấn đề trong cuộc sống. Trong chương này, chúng tôi sẽ làm rõ hơn về những điều mà một nhà sinh học thực hiện. Đầu tiên, chúng tôi sẽ diễn tả các tính chất của những điều trong cuộc sống,các sự kiện tiến triển chính trong lịch sử cuộc sống của trái đất, và sự tiến hoá đa dạng của cuộc sống. Sau đó chúng tôi bàn tới các phương pháp mà các nhà sinh học sử dụng để nghiên cứu về chức năng của cuộc sống. Và ở cuối chương, chúng tôi sẽ bàn về cách làm sao để những hiểu biết của các nhà sinh học có thể được sử dụng giúp cho giải quyết vấn đề cuộc sống của cộng đồng.
Sự sống là gì?
Trước khi tìm hiểu về việc nghiên cứu sự sống, chúng ta cần thống nhất sự sống là gì. Mặc dù tất cả chúng ta đều biết những dạng sự sống quanh ta hàng ngày, nhưng thật khó để định nghĩa sự sống một cách rõ ràng. Có một định nghĩa ngắn gọn về sự sống như sau: một đơn vị có tính di truyền, có khả năng trao đổi chất, tái sinh (reproduction), và tiến hóa (evolution). Phần lớn quyển sách này đề cập những đặc tính trên của sự sống và làm thế nào chúng phối hợp với nhau để giúp cơ thể sống sót và tái sinh( hình 1.1). Bản tóm tắt khái quát sau đây sẽ giúp cho các bạn nghiên cứu về các tính chất đó.
1.1 Những mặt khác nhau của 1 đời sống: Sâu bướm, nhộng và bướm trưởng thành là những giai đoạn khác nhau trong 1 vòng đời của 1 con bướm chúa (Danaeus plexippus). Sâu bướm thu thập những nguyên liệu và năng lượng cần thiết để thực hiện hàng triệu các phản ứng chuyển hóa dẫn đến sự sinh trưởng và biến đổi, đầu tiên từ sâu bướm chuyển thành nhộng và cuối cùng thành bướm trưởng thành thích ứng cho việc sinh sản và phát tán. Sự biến đổi từ dạng này sang dạng khác được khởi sự từ các dấu hiệu từ bên trong cơ thể.
Sự trao đổi chất bao gồm sự biến đổi vật chất và năng lượng
Trao đổi chất (metabolism) : toàn bộ các hoạt động hoá học của cơ thể sống, bao gồm hàng ngàn các phản ứng hoá học riêng lẻ. Các phản ứng hoá học lấy vật chất và năng lượng và chuyển hoá chúng thành các dạng khác nhau, sẽ được tìm hiểu kĩ trong phần 1 của quyển sách này. Để 1 cơ thể hoạt động, rất nhiều trong số các phản ứng xảy ra đồng thời, cần phải kết hợp với nhau. Các gen thì quy định sự điều khiển này. Bản chất của vật chất di truyền (gen) mà điều khiển các hiện tượng trong đời sống chỉ mới được hiểu rõ trong khoảng 100 năm trở lại đây. Phần 2 của cuốn sách dành cho việc kể về câu chuyện của những khám phá về gen.
Môi trường bên ngoài có thể thay đổi một cách chóng mặt và không hề báo trước khiến cho cơ thể không thể kiểm soát được. Một cơ thể chỉ có thể bảo vệ được sức khoẻ nếu như môi trường bên trong còn đảm bảo được các điều kiện hoá lý. Các cơ quan bảo vệ của cơ thể giữ không thay đổi theo điều kiện môi trường bên ngoài bằng cách điều chỉnh quá trình trao đổi chất cho phù hợp với sự thay đổi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, có hay không có ánh sáng mặt trời, hay có những tác nhân lạ bên trong cơ thể.
Việc giữ vững sự ổn định tương đối các điều kiện bên trong cơ thể , giữ cho thân nhiệt ổn định, được gọi là tính nội cân bằng. Sự điều chỉnh để cơ thể nội cân bằng thường xuyên là không rõ ràng, bởi vì không thấy một sự biến đổi nào. Tuy nhiên, ở một vài thời điểm trong cuộc sống, có nhiều cơ quan trả lời lại sự thay đổi điều kiện không phải bằng cách giữ vững tình trạng của chúng mà theo 1 cách thay đổi phần lớn tổ chức cấu tạo. Một hình thức đầu tiên của sự thay đổi cấu trúc là sự phát triển của hình thức bào tử, một dạng bảo vệ tốt và là một hình thức vô hoạt trong các cơ thể phải chịu đựng điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một ví dụ điển hình về sự tiến hoá rất lâu về sau này là của các loài sâu bọ, như các loài bướm. Để đáp ứng lại các dấu hiệu hoá học bên trong cơ thể, một con sâu bướm sẽ phát triển bên trong một con nhộng và rồi trở thành một con bướm trưởng thành.
Sự sinh sản làm cuộc sống tiếp diễn liên tục và là nền tảng cho sự tiến hóa. Sự sinh sản khác nhau là một tính chất chính của cuộc sống. Nếu không có quá trình sinh sản, cuộc sống sẽ nhanh chóng biến mất. Sinh vật đơn bào đầu tiên sinh sản bằng hình thức nhân đôi vật chất di truyền của chúng sau đó phân tách thành hai. Hai tế bào con giống nhau và giống hệt tế bào mẹ, ngoại trừ sự đột biến xảy ra trong quá trình nhân đôi. Những lỗi đột biến đó dù hiếm, nhưng lại cung cấp các vật chất thô cho quá trình tiến hoá sinh học. Sự phối hợp của quá trình sinh sản đơn giản cùng các lỗi trong việc nhân đôi vật chất di truyền tạo nên sinh học tiến hoá, một sự thay đổi về thành phần gen của các quần thể sinh vật trải qua thời gian.
Sự đa dạng hóa cuộc sống một phần được điều khiển bởi môi trường vật lý. Có những nơi lạnh và có những nơi nóng, cái lạnh và nóng có thể kéo một khoảng thời gian dài trong năm. Ở một vài nơi (các đại dương, hồ, sông) thì ẩm ướt, một vài chỗ (các hoang mạc) thì luôn khô hạn. Không một dạng sống đơn giản nào có thể hoạt động tốt trong mọi loại môi trường như vậy. Thêm nữa, chính các dạng sống qui định sự đa dạng của chúng. Một khi thực vật tiến hóa thì nó trở thành nguồn thức ăn cho các dạng sống khác. Lần lượt các loài ăn thực vật sau đó lại trở thành thức ăn cho các loài sinh vật khác. Và khi các dạng sống này chết đi, chúng lại tiếp tục là thức ăn cho các dạng sống khác. Điểm khác nhau giữa các dạng sống cho phép chúng tồn tại trong các môi trường khác nhau và thích ứng với các kiểu sống khác nhau mà ta gọi là sự thích nghi. Sự đa dạng tuyệt vời của các dạng sống làm cho sinh học trở thành một thứ khoa học hấp dẫn và Trái đất trở thành một nơi giàu có, phục vụ cho cuộc sống.
Có một thời kì dài không có sự sống trên trái đất. Sau đó là thời kì sống của các đơn bào, rồi đến sự sinh trưởng của các đa bào. Nói một cách khác, tự nhiên và sự đa dạng các dạng sống khác nhau luôn thay đổi theo thời gian. Việc nghiên cứu quá trình mà tạo nên sự tiến hoá sinh học trên trái đất là một khoa học rất được chú trọng vào thế kỷ 19. Những quá trình đó sẽ được nói đến rõ nét hơn trong phần 4 của cuốn sách này. Còn ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu một cách ngắn gọn làm sao có thể khám phá ra chúng.
Tiến hóa sinh học
Những thay đổi qua hàng tỷ năm Khá lâu trước khi hiểu được cơ chế tiến hoá của sinh giới , nhiều người đã nhận thấy rằng sinh vật biến đổi theo thời gian và những cơ thể sống đã tiến hoá từ một loài nào đó ko còn tồn tại trên trái đất. Vào năm 1760, nhà tự nhiên học người Pháp_Count George-Louis Leclerc de Buffon (1707-1788)_đã viết “Lịch sử tự nhiên của muôn loài”, cuốn sách đã trình bày một cách rõ ràng về khả năng tiến hoá của sinh vật. Buffon đã quan sát xương chi của tất cả các loài động vật có vú ông nhận thấy có sự tương đồng ở nhiều điểm (hình 1.2). Ông cũng lưu ý một điểm: có những loài động vật có vú, như heo chẳng hạn, chân chúng có những ngón chẳng bao giờ chạm đất, và không có tác dụng gì. Buffon đã gặp khó khăn trong việc giải thích sự tồn tại của những ngón nhỏ vô ích này bởi quan niệm thông thường: Trái đất và tạo vật của nó được thượng đế tạo ra trong mối quan hệ với các dạng trước đó. Để giải thích cho những quan sát của mình, Buffon giả thiết rằng xương chi của các động vật có vú có thể đã được thừa hưởng từ một tổ tiên chung. Những con heo đó có thể có những ngón chân vô chức năng vì chúng được thừa hưởng từ tổ tiên đã có những ngón chân với đầy đủ hình dạng và chức năng.
Buffon đã không thể giải thích được những biến đổi diễn ra như thế nào nhưng một học trò của ông là Jean baptiste de Lamarck (1744-1829) đã đề xuất một cơ chế cho sự thay đổi. Ông cho rằng: ”Một giống sinh vật có thể thay đổi dần dần qua nhiều thế hệ vì thế hệ con cháu được thừa hưởng những đặc tính đã trở nên phổ biến, các đặc tính này sẽ càng hoàn thiện hơn trong quá trình phát triển của sinh vật, ngược lại các đặc tính không được tiếp nhận sẽ thu nhỏ lại và trở nên kém phát triển”. Ngày nay, các nhà khoa học không thừa nhận quá trình tiến hóa tuân theo cơ chế này. Tuy nhiên Lamarck đã để lại một dấu ấn quan trọng trong quá trình giải thích sự tiến hoá của sinh vật.
Thuyết tiến hóa của Darwin
Năm 1858, theo xu hướng chung, các nhà sinh học nhanh chóng tiếp thu một lý thuyết tiến hóa mới được đề xuất độc lập bởi Charles Darwin và Alfred Russel Wallace. Vào thời gian này, những nhà địa chất đã thu thập được những bằng chứng về sự tồn tại và thay đổi củaTrái đất qua hàng triệu năm, chứ không chỉ dừng lại ở vài ngàn năm như mọi người đã tưởng. Các bạn sẽ học kỹ hơn về thuyết tiến hóa do chọn lọc tự nhiên ở chương 23, nhưng các bạn cần nắm được những ý cơ bản để có thể hiểu được nội dung của quyển sách này. Lý thuyết của Darwin bao gồm 3 quan sát thực nghiệm và 1 kết luận ông rút ra từ đó. Ba quan sát thực nghiệm:
Khi sống dưới đáy đại dương một số loài cá có hình thù kỳ lạ để phù hợp với hoàn cảnh sống đặc biệt
- Tốc độ sinh sản của cơ thể sinh vật, mặc dù chậm, nhưng đủ lớn để có số lượng cá thể khổng lồ nếu tốc độ tử không nhanh bằng.
- Trong mỗi loài sinh vật, đều có sự khác nhau giữa các cá thể.
- Con cháu giống bố mẹ vì chúng đã thừa hưởng những đặc tính của của bố mẹ mình.
Những nhà sinh vật bắt đầu có sự thay đổi một chút về quan niệm chủ đạo so với 1 thế kỷ trước.Họ chấp nhận sự lâu dài của quá trình tiên hoá và thừa nhận rằng Chọn lọc tự nhiên là 1 quá trình các sinh vật thích nghi với môi trường sống. Để chấp nhận quan niệm này cần nhiều thời gian vì nó đòi hỏi phải từ bỏ nhiều quan niệm của thế giới quan buổi ban đầu.
Trước Darwin, người ta xem thế giới là mới mẻ và cơ thể sinh vật khi được thượng đế tạo ra đã có như dạng hiện thời. Đến thời Darwin, thế giới được xem là đã cổ xưa, cả trái đất lẫn những cư dân của nó đều đã thay đổi theo thời gian. Những dạng tổ tiên rất khác so với những dạng tồn tại ngày nay. Những cơ thể sống tiến hóa những đặc điểm riêng của chúng vì với những đặc điểm này tổ tiên của chúng đã tồn tại và sinh sản tốt hơn với những đặc điểm khác.
Những sự kiện trọng đại trong lịch sử sự sống trên trái đất
Lịch sử sự sống trên trái đất
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
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
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
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
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
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
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.
Cây tiến hóa của sự sống
Tât cả các loài trên trái đất ngày nay đều bắt nguần từ một tổ tiên chung, tổ tiên của chúng ta chính là các vi sinh vật đơn bào xuất hiện trên trái đất từ 4 tỷ năm về trước. Nếu như những điều kiện trên trái đất không thay đổi thì ngay từ khi hình thành đến ngày nay chỉ có duy nhất một loài sinh vật tồn tại. Nhưng vấn đề đặt ra là trên trái dất hiện nay có tới hàng triệu loài cùng sinh sống, mỗi loài trong chúng có nhưng đặc điểm khác nhau về mặt di truyền học.
Tại sao lại có nhiều loài như vậy? Với điều kiện có sự bắt cặp ngẫu nhiên giữa các cá thể khác nhau trong quần thể để sản sinh ra các thế hệ con cháu, sự bắt cặp ngẫu nhiên này sẽ tạo ra sự khác biệt giữa con cái với cha mẹ, nhưng sự khác biệt này được tích lũy trong khoảng thời gian nhất định và sẽ tạo ra những thay đổi lớn của thế hệ con cháu so với tổ tiên của chúng, và chỉ những loài thích nghi được với sự thay đổi của điều kiện môi trường sống mới sống và tồn tại được. Tuy nhiên, nếu trong một quần thể ban đầu có sự chia cách lẫn nhau để tạo thành hai nhóm khác nhau, các cá thể trong hai nhóm này trở lên bất thụ với nhau, tức là khi đó đã có sự khác nhau về mặt di truyền giữa các cá thể trong hai nhóm này, nếu điều này xẩy ra thì sẽ có sự hình thành loài mới. Sự tách ra của cả nhóm cá thể trong một quần thể này là nguyên nhân cơ bản nhất dẫn đến sự đa dạng của sinh vật trên trái đất ngày nay. Vấn đề này sẽ được làm sáng tỏ trong chương 24 của quyển sách này.
Đôi khi chúng ta cho rằng, sự đơn giản của các sinh vật nguyên thủy lại là một cấu trúc tốt để giúp cho chúng tồn tại, do khả năng thích nghi của chúng tốt hơn các sinh vật khác. Nói tóm lại, tất cả các sinh vật còn tồn tại đến ngày nay đều là do khả năng thích ứng tốt của chúng đối với sự thay đổi của môi trường sống như mỏ của các loài chim thay đổi với những điều kiện sống và môi trường sống khác nhau, đại bàng thì có mỏ to khỏe để thích hợp cới việc xé thịt và giết hại con mồi, chim dế thì có cái mỏ nhọn và dài đẻ chúng có thể băt được những con mồi trong bùn đất, và sự đa dạng về hình thể khác được thấy trong Hình 17. Sự đa dạng của các loài vi khuẩn, mà phần lớn trong số chúng có cấu tạo rất đơn giản, kiểu hình đơn giản này chứng minh rằng chúng có hiệu quả thích nghi tốt. Trong quyển sách này chúng ta sử dụng mức độ đơn giản và phức tạp khác nhau trong cấu trúc để nói lên sự liên quan lẫn nhau của cả sinh vật, chúng ta sử dụng phân chia các đặc tính khác nhau của các nhóm sinh vật xuất hiện trước và các tiến hoá của các thế hệ sau này.
Nhiều hơn 30 triệu loài sinh vật có thể sống trên trái đất ngày nay, còn có nhiều loài khác đã từng tồn tại trên trái đất nhưng đến nay đã không còn tồn tại nữa. Tính đa dạng của sinh giới ngày nay là kết quả của sự phân tách ra hàng triệu lần của quần thể sinh vật ban đầu. Để hiểu về sự hình thành loài chúng ta có thể biểu diễn những sự kiện xẩy ra bằng cây tiến hoá, cây tiến hoá chỉ ra các cấp độ phân tách của các quần thể mà kết quả của sự hình thành loài mới (cây tiến hoá này có thể được thấy trong hình 18). Một cây tiến hoá với một thân ban đầu và ngày càng phân ra thành nhiều nhánh rất đa dạng, theo dấu vết của sự phân nhánh này dựa vào các thế hệ con cháu ta có thể biết được tổ tiên đã sinh ra chúng sống trong thời gian trước, cây tiến hoá cho chúng ta biết được mối liên hệ tiến hoá giữa loài và các nhóm của loài. Những loài sinh vật có đặc điểm chung gần gũi với nhau được xếp thành một nhánh, những nhóm có những đặc điểm khác nhau được xếp thành các nhánh khác nhau. Trong quyển sách này chúng ta chấp nhận quy ước thời gian đi từ trái qua phải, như vậy đi về phía trái của cây là tổ tiên của các loài, và gốc của cây là là tổ tiên chung của sự sống trên trái đất ngày nay.
Mục đích của cây tiến hoá là xác định mối quan hệ tiến hoá giữa các loài trên trái đất ngày nay. Đạt được mục đích này là nhờ các nhà sinh vật học đã nghiên cứu tập hợp đầy đủ các thành viên của sự sống trên cây tiến hoá từ những vi trùng đến những động vật có vú. Từ dữ liệu của cây tiến hóa cho ta thấy được sự đa dạng của các nguồn. Những hóa thạch của các sinh vật sống trước đây kể cho chúng ta ở đâu khi nào mà các vi sinh vật tổ tiên đã sống và những cái gì còn giống đến ngày nay. Với kĩ thuật gen hiện đại như là kĩ thuật tái tổ hợp DNA chúng ta có thể xác định được nhiều gen của các loài khác nhau. Nhờ công nghệ thông tin chúng ta có thể tập hợp được khối lượng lớn của các thông tin di truyền. Sáng kiến về cây tiến hóa là một trong những đề tài có tầm quan trọng nhất của sinh học hiện đại, nó làm mất ít nhất hai thập kỉ của nhiều nhà khoa học trên các lĩnh vực khác nhau, đó là nguyên nhân đẫn đến trong một thời gian dài sự hoàn thành đầy đủ nhiều loài trên trái đất chưa được mô tả.
Cây tiến hoá sẽ là một khung thông tin trong sinh học cũng như bảng tuần hoàn cung cấp các thông tin cho hoá học và vật lý. Sự tiến hoá sắp đặt tự do hơn nhiều triệu năm nay được nghiên cứu và phát triển. Mỗi một sự sống mang một bộ gen nhất định, nó kiểm chứng cho sự chọn lọc của tự nhiên. Các nhà khoa học có thể mở được những bí ẩn về di truyền này và nghiên cứu sâu hơn về các quá trình sản sinh ra chúng. Mặc dù còn nhiều điều chưa được hoàn thành, các nhà sinh học đã đủ biết để lập ra cây tiến hoá tạm thời của sự sống, được chỉ ra trong Hình 18.
Sinh vật thuộc hai nhóm sinh vật thời thái cổ và vi khuẩn là các sinh vật không có nhân. Archaea và vi khuẩn cũng có mối liên hệ với nhau và chúng tồn tại từ rất sớm trong quá trình tiến hoá của sự sống, hai loài này sẽ đựoc mô tả kỹ trong chương 27 của quyển sách này. Thành viên khác đó là sinh vật có nhân Eukarya, chúng là các tế bào có nhân hoàn chỉnh, Eukarya được chia ra làm 4 nhóm là: sinh vật nguyên sinh, thực vật, nấm và động vật. Sinh vật nguyên sinh được giới thiệu ở chương 28, thực vật sẽ được giới thiệu ở chương 29 và chương 30, nấm ở chương 31 bao gồm nấm mốc, nấm lớn, nấm men và các sinh vật tương tự khác, đây là nguồn tài nguyên phong phú cho việc tổng hợp các phân tử sinh học bằng các chất sinh học khác. Nấm có thể làm hỏng thực phẩm trong môi trường của chúng và sau đó chúng hấp thu các sản phẩm hỏng vào trong tế bào của chúng. Chúng rất quan trọng trong quá trình phân hủy xác của các vật liệu sinh học và các sinh vật chết khác đóng góp quan trọng vào chu trình tuần hoàn vật chất của sự sống.
Thành viên của giới động vật là các sinh vật dị dưỡng (heterotrophs), những loại này chúng ăn vào bụng những thức ăn nhưng sự đồng hóa thức ăn diễn ra ở bên ngoài tế bào, và sau đó chúng hấp thụ sản phẩm. Động vật ăn nhiều nhóm khác nhau để thu được năng lượng thô và năng lượng cho tế bào hoạt động. Giới này sẽ được giới thiệu ở chương 32, 33 và 34. Chúng ta sẽ thảo luận về mức độ quan trọng của các mức độ tổ chức sống trong chương 25. Chúng ta cần biết nhận diện tên sinh vật bằng tên la tinh, đầu tiên là tên của nhóm loài đó là các loài có tổ tiên chung, thứ hai là tên của loài. Tránh sự nhầm lẫn, không nhiều hơn sự phối hợp của hai tên đó là tên của một loài. Ví dụ tên khoa học của loài người là Homo sapiens trong đó homo là tên giống loại còn sapiens là tên loài của chúng ta.
Sinh học là một môn khoa học
Để nghiên cứu sự đa dạng phong phú của sinh vật sống, các nhà sinh vật học đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Quan sát trực tiếp bằng các giác quan là phương thức chính của nhiều nghiên cứu khoa học, ở những phương này các nhà khoa học sử dụng nhiều loại dụng cụ và máy móc để hỗ trợ các giác quan của con người. Ví dụ, có thể dùng kính hiển vi để nghiên cứu các vật thể vô cùng nhỏ. Hoặc để quan sát và phóng đại các vật thể ở xa , ta có thể dùng kính viễn vọng. Để tìm hiểu các sự kiện đã diễn ra cách đây hàng triệu năm, các nhà khoa học dùng phương pháp phân tích phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ.
Phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học
Bên cạnh sự trợ giúp của các dụng cụ nghiên cứu, phương pháp luận còn đóng một vai trò quan trọng giúp các nhà khoa học trả lời các câu hỏi về thế giới tự nhiên. Phương pháp đặt giả thuyết - phỏng đoán là phương pháp khoa học được sử dụng nhiều nhất. Phương pháp này giúp các nhà khoa học sửa đổi các kết luận của họ. Phương pháp này gồm 5 bước :
1- Quan sát. 2- Đặt câu hỏi. 3- Đặt giả thuyết, giả thuyết có khuynh hướng trả lời các câu hỏi. 4- Đưa ra phỏng đoán, dựa trên giả thuyết. 5- Kiểm tra phán đoán bằng cách thêm vào những quan sát hoặc là làm thí nghiệm. Nếu các kết quả đã qua kiểm tra củng cố giả thuyết ban đầu, thì nó sẽ làm sáng tỏ các phỏng đoán cũng như các thực nghiệm. Nếu như các kết quả tiếp tục củng cố các thực nghiệm, độ tin cậy và độ chính xác được nâng cao, thì giả thuyết sẽ được xem như là học thuyết. Nếu như các kết quả không làm sáng tỏ các giả thuyết, nó sẽ bị bác bỏ hay sẽ được sửa đổi để phù hợp với những thông tin mới. Sau đó các phỏng đoán mới được đưa ra và các kiểm chứng mới cũng sẽ được tiến hành.
Giả thuyết được kiểm tra bằng hai cách
Kiểm tra giả thuyết rất đa dạng, nhưng có 2 loại chính sau đây: phương pháp kiểm tra thực nghiệm và phương pháp so sánh. Nếu có thể, các nhà khoa học dùng thực nghiệm để kiểm tra phỏng đoán từ giả thuyết. Những việc mà Pieter Jonhoson đã làm là lấy trứng của những con ếch trong phòng thí nghiệm. Anh dự đoán rằng, nếu giả thuyết của mình là đúng (nghĩa là ký sinh trùng Riberoria gây ra biến dạng ếch), thì ếch khi sinh sống chung với loài sâu này sẽ gia tăng sự biến dạng, và ngược lại thì ếch không bị biến dạng. Điểm thuận lợi của kiểm chứng thực nghiệm là tất cả các nhân tố khác ngoài nhân tố kiểm chứng là không thay đổi. Nghĩa là, bất kỳ một yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến kết quả (như nhiệt độ nước, độ pH trong thí nghiệm của Pieter) đều được kiểm soát. Điểm mạnh nhất của thí nghiệm là có khả năng chứng minh được giả thuyết hay phỏng đoán từ thí nghiệm đó là sai.
Nhưng có nhiều giả thuyết không thể kiểm tra bằng thực nghiệm. Một số giả thuyết được kiểm tra bằng phỏng đoán từ những mô hình trong tự nhiên nếu như giả thuyết đó đúng. Dữ liệu thu thập sẽ quyết định những mô hình đấy có thực sự tồn tại trong tự nhiên hay không. Sự giải quyết vấn đề này gọi là phương pháp so sánh. Đây là phương pháp cơ bản của nhiều nhà khoa học trong 1 số lĩnh vực, như chiêm tinh học (astronomy ) . Đây là cũng là phương pháp so sánh mà các nhà sinh học thường dùng.
Hình 1.9 mô tả 1 trong nhiều thí nghiệm các nhà khoa học đưa ra để kiểm tra giả thuyết của mình. Một vài thử nghiệm khác cũng đưa cho cùng kết quả tương tự, trong khi 1 số khác lại cho thấy không có sự ảnh hưởng của tia UV-B, hoặc cho thấy những ảnh hưởng trái ngược của tia UV-B khi có sự có mặt của pH thấp.
Một phần nhỏ chứng minh cho giả thuyết hiếm khi nào dẫn tới chấp nhận giả thuyết. Tương tự, 1 chống đối riêng lẽ không thể bác bỏ giả thuyết. Các kết quả không ủng hộ giả thuyết do nhiều nguyên nhân, một trong số đó là giả thuyết sai. Ví dụ, 1 phỏng đoán sai có thể rút ra từ 1 giả thuyết không chính xác. Hay 1 thí nghiệm dùng 1 sinh vật không thích hợp có thể đưa tới các kết quả sai lầm.
Bưóc 1 : Quan sát
Quần thể lưỡng cư của các vi sinh vật như nhau, tức là thay đổi bất thường theo thời gian. Trước khi chúng ta đưa ra quyết định về bất kỳ sự suy giảm nào khác với những quần thể bình thường, chúng ta cần phải phát hiện là chúng bất thường. Để đánh sự biến đổi bất thường này, một nhóm các nhà khoa học trên thế giới đang tiến hành thu thập dữ liệu về các quần thể lưỡng cư. Dữ liệu của nhóm đã chứng minh rằng các quần thể lưỡng cư đang biến đổi nghiêm trọng ở một số nơi trên thế giới, đặc biệt là ở vùng Tây Bắc Mỹ , Trung Mỹ, Đông Bắc Úc, vịnh Amazon. Các dữ liệu cuả các nhà khoa học cũng cho thấy rằng sự biến đổi ở vùng núi thì cao hơn ở vùng đất thấp. Các nhà nghiên cứu cũng khám phá là không có dữ liệu biến đổi ở quần thể Châu Phi và Châu Á.
Bước 2 : Đặt câu hỏi
Hai câu hỏi được đưa ra là: Tại sao nhóm lưỡng cư giảm mạnh hơn ở vùng cao? Tại sao sự suy giảm chỉ xảy ra ở 1 số vùng mà không phải các vùng khác?
Bước 3 và bước 4 : lập giả thuyêt và phỏng đoán
Để phát triển giả thuyết cho câu hỏi đầu, trước tiên các nhà khoa học đã xác nhận rằng yếu tố môi trường có làm thay đổi độ cao. Nhiệt độ giảm, lượng mưa tăng ở những vùng cao, và trong những vùng ôn đới, mật độ tia tử ngoại-B (UV-B) tăng khoảng 18% tương ứng khi độ cao tăng 1000m. Một giả thuyết được đưa ra cho rằng sự suy giảm về số lượng của 1 số loài lưỡng cư là do sự gia tăng toàn cầu của tia UV-B, kết quả của việc giảm nồng độ của ozon khí quyển. Nếu sự gia tăng mật độ tia UV-B gây ra những ảnh hưởng bất lợi đến số lượng loài lưỡng cư, chúng ta có thể đưa ra phỏng đoán rằng việc giảm tia UV-B ở các ao nơi trứng loài lưỡng cư được ấp và ấu trùng đang phát triển sẽ cải thiện được tỷ lệ sống sót của chúng.
Bước 5 : kiểm tra giả thuyết
Giả thiết cho rằng việc tăng mật độ tia UV-B có thể làm giảm sút số lượng loài lưỡng cư đã được kiểm tra bằng cách so sánh các phản xạ của các con nòng nọc của 2 loài ếch sống ở vùng núi Australia. Một loài Litoria verreauxii đã biến mất hoàn toàn khỏi vùng này; và loài còn lại thì Crinia signifera thì không. Nguyên nhân là do ở vùng cao, các con nòng nọc này sẽ phải chịu 1 lượng tia UV-B lớn hơn, và kinh nghiệm cho thấy rằng khả năng sống sót của loài L.verreauxii ít hơn loài C.signifera nếu phải chịu cùng 1 lượng UV-B như nhau. Theo như phỏng đoán, khi tiếp xúc với tia UV-B, các cá thể của loài C. signifera vẫn sống tốt, nhưng tất cả các cá thể loài L. verreauxii đều chết trong vòng 2 tuần. Nếu được nuôi trong 1 hồ lớn được bao bọc bởi những tấm lọc nhằm hạn chế bớt tia UV, thì cá thể của cả 2 loài đều sống tốt. Và kết quả thu được đã củng cố cho giả thuyết mà các nhà khoa học đưa ra ban đầu.
Nhiều giả thiết cũng được đưa ra nhằm xác định các nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm số lượng của loài lưỡng cư, bao gồm cả các ảnh hưởng do những biến động môi trường sống gây ra bởi con người. Hai tác động rõ ràng nhất từ những biết đổi môi trường sống gây ra bởi loài người là sự ô nhiễm không khí trong khu đô thị, khu tăng trưởng công nghiệp, và thuốc trừ sâu sử dụng trong nông nghiệp.
Theo giả thuyết về sự biến đổi môi trường thì sự thái hoá của các loài lưỡng cư có thể là do môi trường chúng đang sống ô nhiễm hơn các môi trường ở vùng khác. Giả thuyết này được kiểm tra bằng phương pháp so sánh. Các nhà khoa học mở rộng nghiên cứu lên 8 loài lưỡng cư tại ban California. Các loài được nghiên cứu bao gồm 4 loài ếch thuộc giống Rana, hai loài cóc và vài loài kỳ nhông. Các khảo sát được dùng theo phương pháp thống kê (khảo sát và đếm) để nhận biết nơi nào các quần thể của 1 loài hiện diện hay vắng mặt tại hàng trăm điểm khảo sát ở khắp tiểu bang.
Kết quả thống kê của ếch Rana aurora được trình bày ở hình 1.10
Bản đồ hình 1.10 cho thấy một xu thế rất rõ của R. Aurora: các quần thể lưỡng cư hầu như biến mất tại vùng thành thị và các vùng trồng trọt ô nhiễm cao, và hiện diện rất nhiều tại các vùng nông nghiệp tương đối sạch hơn. Đây là thông tin căn bản nhất của phương pháp so sánh.
Trong nghiên cứu này, sau khi đếm tỉ mỉ và so sánh với các dữ kiện tương tự khác có được từ 8 loài cho thấy rằng một vài loài biến mất tại các vùng ô nhiễm cao, tuy nhiên vẫn có những loài(như cóc) thì không bị ảnh hưởng. Từ đó chúng ta có thể kết luận môi trường sống của con người không phải là nguyên nhân duy nhất của sự biến mất tất cả các loài. Một vài nghiên cứu khác cũng nhấn mạnh một số giả thiết khác về sự biến mất của một số loài lưỡng cư. Một vài bằng chứng cho thấy rằng khói từ các đám cháy rộng có thể gây các ảnh hưởng bất lợi đến các loài lưỡng cư. Sự thay đổi khí hậu đóng một vai trò cự kỳ quan trọng ở những vùng như vùng Trung Mỹ, nơi mà từ tiết ấm và khô suốt nhiều năm mùa gieo trồng có thể là nguyên nhân biến mất của loài cóc vàng Costa Rica. Và cũng theo Poeter Jonhson giải thích các sinh vật ký sinh cũng là một phần nguyên nhân của vấn đề.
Mặt dầu việc tìm kiếm và thu thập thêm thông tin là rất quan trọng, nhưng với những quan sát và nghiên cứu trên đây đã cho ta thấy được không chỉ có một nguyên nhân dẫn đến tình trạng thoái hoá của các loài lưỡng cư.
Phát hiện này không gây một ngạc nhiên nào bởi vì không có nơi nào trên trái đất mà điều kiện tự nhiên lại giống nhau hoàn toàn cả, và cũng không có loài lưỡng cư nào thích nghi giống loài nào. Trong quá trình thích nghi với tự nhiên, lưỡng cư cũng giống như tất cả các sinh vật khác. Sự sống của chúng rất phức tạp và là sự tương tác giữa rất nhiều các nhân tố với nhau bao gồm cả sự tương tác giữa loài và loài.
Một giải thích đơn giản đối với mọi vấn đề không thể đạt được sự đồng thuận và tin tưởng của tất cả mọi người. Sự phức tạp này làm cho sinh học trở thành một bộ môn khoa học khá khó khăn để nghiên cứu. Nhưng chính điều đó làm cho sinh học trở nên thu hút và lý thú hơn.
Không phải tất cả mọi điều tra đều là khoa học
Phương pháp nghiên cứu khoa học là công cụ mạnh nhất của loài người để tìm hiểu tự nhiên và tăng cường sự hiểu biết của mình đối với thế giới tự nhiên và các quy luật của nó. Sức mạnh của khoa học được đặt nền tảng trên các lý thuyết đã được kiểm chứng. Quá trình này có khả năng tự điều chỉnh bởi vì nếu có bất cứ sai lầm nào trong quá trình thiết lập một học thuyết mới nó sẽ bị loại thải hoặc được thực hiện theo cách khác trong các thí nghiệm sau. Thêm vào đó bởi vì các bước để thực hiện một thí nghiệm được trình bày một cách kỹ càng nên các nhà nghiên cứu đi sau sẽ dễ dàng kiểm chứng. Bất kỳ sai sót hay sự thiếu trung thực nào cũng sẽ được nhanh chóng phát hiện. Đó cũng là lý do tại sao khác với các nhà chính trị, các nhà khoa học trên thế giới luôn tin tưởng kết quả của nhau .
Nếu hiểu rõ về phương pháp nghiên cứu khoa học ta có thể phân biệt rõ giữa khoa học và các lĩnh vực khác. Nghệ thuật, âm nhạc và văn học những hoạt động nâng cao đời sống con người không phải là các bộ môn khoa học. Chúng giúp chúng ta hiểu biết được những giá trị của cuộc sống. Tôn giáo cũng không phải là một bộ môn khoa học. Tôn giáo trao cho ta niềm tin và dìu dắt đời sống tâm linh chúng ta, thiết lập những giá trị nhân văn căn bản. Thông tin khoa học tạo ra một tình huống mà các giá trị của tình huống đó được thảo luận và thành lập. Nhưng nó không thể nói cho chúng ta tình huống đó có giá trị như thế nào
Sự liên hệ giữa sinh học và xã hội
Các nghiên cứu về sinh học có quan hệ rất lâu dài và chặt chẽ với cuộc sống con người. Nông nghiệp và dược phẩm là 2 lĩnh vực quan trọng nhất trong sinh học ứng dụng. Con người đã nghiên cứu về nguyên nhân gây bệnh và các liệu pháp điều trị từ thời cổ đại. Ngày nay với sự giải mã di truyền và khả năng thao tác trên gene của sinh vật, con người có thể chữa trị được rất nhiều bệnh và sản xuất các sản phẩm nông sản khác. Trong cùng thời gian này có rất nhiều vấn đề về đạo đức và xã hội nảy sinh. Bao nhiêu và theo phương thức nào chúng ta chuyển đổi gene của người và một số loài sinh vật khác? Có vấn đề gì không khi ta thay thế các sinh vật truyền thống bằng các sinh vật biến đổi gene? Độ an toàn của các sinh vật chuyển gene đối với môi trường và đối với con người?
Nguyên nhân khác để ta lưu tâm đến việc nghiên cứu sinh học là để hiểu rõ hơn về những tác động của con người lên thế giới tự nhiên. Việc sử dụng các nguồn tài nguyên có thể hoặc không thể tái tạo đã gây nguy hiểm lên môi trường, nơi cung cấp sự sống cho tất cả chúng ta. Những hoạt động của con người đã thay đổi khí hậu toàn cầu, nguyên nhân của sự tuyệt chủng hàng loạt các loài, và kết quả là sự lây lan của những căn bệnh mới và biến thể nguy hiểm của các căn bệnh cũ. Ví dụ như sự lây lan nhanh chóng của dịch SARS hay West Nile virus là do sự thuận tiện của các phương tiện giao thông. Những hiểu biết về sinh học cần thiết cho việc nhận biết nguyên nhân của các thay đổi trên, cảnh báo xã hội đề phòng và đối phó với chúng, và khai thác sự đa dạng sinh thái của tự nhiên nhằm cung cấp hàng hoá và dịch vụ cho con người nhằm nâng cao cuộc sống con người.
Các nhà khoa học còn giúp đỡ chính phủ trong việc thiết lập luật lệ và các quy tắc ứng xử trong xã hội để đối phó với vấn đề và thử thách ngày một nhiều. Trong quá trình nghiên cứu cuốn sách này chúng ta sẽ được tiếp cận với các kiến thức về sinh học đủ để ta hiểu rõ nếu các chính sách về sinh học được ban hành.
Xuyên suốt cuốn sách này chóng ta sẽ trao đổi về sự kỳ thú trong nghiên cứu sinh vật và thấy được sự phong phú về phương thức nghiên cứu của các nhà sinh học để tìm hiểu về thế giới theo cách chúng ta nhận biết và cách thức hoạt động, chức năng của muôn loài.
Động cơ lớn nhất của các nhà sinh học là sự nghi ngờ, tò mò. Con người bị quyến rũ bởi sự phong phú và vẻ đẹp của tự nhiên và muốn tìm hiểu nhiều hơn về các loài giúp loài người hiểu biết thêm về các loài sinh vật khác và sự tương tác giữa loài người với các loài sinh vật khác trong tự nhiên. Lịch sử nghiên cứu cho thấy chỉ những người biết tò mò và tìm hiểu thì mới có thể thành công. Nói một cách khác, tò mò là thích nghi! Một lượng lớn câu hỏi của chúng ta về thế giới vẫn chưa được trả lời, và những khám phá mới thường đặt ra nhiều câu hỏi mới nhiều hơn là những điều mà nó trả lời được. Có nghĩa là sự tò mò sẽ là động cơ quan trọng nhất để bạn có thể có những ý tưởng.
Nguồn : Thuvienkhoahoc
