Tiến hóa từ sinh vật đơn bào đến con người
TIẾN-HÓA TỪ SINH-VẬT-ĐƠN-BÀO ĐẾN CON NGƯỜI
Trần-Đăng Hồng PhD
Đặc tính của sự-sống (life) là khả năng sinh-sản (reproduction), thích-ứng (adaptation) và tiến-hóa (evoluation) để sinh-tồn (survival).
Địa-cầu từ ngày thành lập, cách nay 4,54 tỷ năm, đến nay đã trải qua không biết bao lần đỗi thay địa chất, đại dương và khí hậu. Võ trái đất nguội dần, đại dương và biển cả thành lập cách đây 4,2 tỷ năm, nước biển còn ngọt, về sau mới mặn dần do tích tụ muối khoáng rữa từ đất đá của lục địa. Đất liền nỗi lên thành lục địa cách đây 4 tỷ năm. Hỏa-diệm-sơn (núi lửa) hoạt động mạnh, động-dất triền miên, thiên thạch (meteorites) bắn phá dữ dội vì chưa có lớp khí quyễn che chở, và tia-tử-ngoại (Ultra-violet UV) tràn ngập địa cầu vì chưa có lớp ozone. Khí quyễn chỉ là một lớp mỏng gồm khí hydrogen, helium, khói hỏa-diệm-sơn và hơi nước. Về sau có thêm nhiều carbon dioxide (CO2) và nitrogen (N2). Chưa có oxy. Từ thời đại Proterozoic (cách nay 2,5 tỷ đến 542 triệu năm) về sau, oxy gia tăng dần trong khí quyễn.
Khí hậu cũng đỗi thay nhiều lần, nhiều chu kỳ băng-giá rồi hâm-nóng toàn cầu xãy ra, nước biển dâng lên sụt xuống không biết bao nhiêu lần. Cứ mỗi lần biến đỗi như vậy, một số chũng-loại sinh vật bị tuyệt chũng, nhưng đồng thời một số khác được tiến-hóa nẩy sinh nhiều chũng-loại mới, cấu trúc tiến bộ hơn, để thích ứng môi trường mới. Chũng-loại được đa-dạng-hóa (diversity), càng về sau càng phong phú.
Sự-sống xuất hiện đầu tiên trên địa cầu là những sinh-vật đơn-bào, vi-khuẫn (bacteria) là chánh, cách đây 3,5 tỷ năm, thuộc thời đại Archaean (cách nay 3,8 – 2,5 tỷ năm). Đó là một tiền-tế-bào (prokaryote), chỉ gồm màng tế-bào bên trong chứa ribosomes, chưa có nhân (nucleus), mitochondria hay lục lạp (chloroplasts). Từ những hợp chất hữu-cơ kết hợp tạo sự-sống đầu tiên, nay chúng có khả năng sinh sản nhanh chóng. Địa cầu bấy giờ chưa có sinh-vật nào khác, ngoài thế giới vi-khuẫn.
Nghiên cứu cỗ thạch thành hình ở đáy đại dương có tuổi trên 2,5 tỷ năm cho thấy dấu vết vi-khuẫn cyanobacteria hay chlorophyta sống thành mãng lớn. Vi-khuẫn cyanobacteria, xuất hiện cách đây 3,5 tỷ năm, là sinh vật dị-dưởng (heterotroph) sống nhờ năng lượng của các chất hữu-cơ, như amino acids của tế-bào khác, và đặc biệt lấy năng lượng từ kim loại như sulphide sắt ở đáy biển để biến chế thành chất hữu-cơ. Ngược lại, chlorophyta xuất hiện sau, cách đây khoảng 3 tỷ năm, có chứa lục-lạp (chloroplast, chlorophyll), thuộc loại tự-dưởng (autotroph), tự sản xuất được chất đường nhờ hiện tượng quang-tỗng-hợp (photosynthesis) khi tiếp cận với ánh sáng. Cũng cần nhắc lại, khí quyễn của địa cầu ở thời đại này chưa có, hay rất hiếm khí Oxy và Ozone, địa cầu bị thiên-thạch và tia tử-ngoại UV bắn phá dữ dội, sự-sống chưa hiện diện trên mặt đất vì chưa có lớp ozone bảo vệ. Sự-sống chỉ hiện diện ở đáy đại dương, ánh sáng mặt trời không chiếu tới. Các sinh vật ở đáy đại dương là các sinh vật yếm khí (anaerobic organisms), chúng sống không cần oxy tự do để hô hấp mà lấy oxy từ các hợp chất vô-cơ hay hữu-cơ.
Về sau, cách đây khoảng 3 tỷ năm, một số sinh vật này trồi dần lên mặt biển, tiếp cận với ánh sáng, và vì không còn nguồn năng lượng từ kim loại ở đáy biển, chúng tự diễn-biến (evolution) để thích ứng môi trường mới bằng cách tế-bào có thêm lục-lạp. Sinh vật có diệp-lục-tố (chlorophyll) xuất hiện. Chúng dùng năng lượng ánh sáng mặt trời để biến dioxide carbon (CO2), có trong nước biển và nhiều trong không khí, thành chất hữu-cơ, và nhã oxy vào nước hay vào khí quyễn qua hiện tượng quang-tỗng-hợp. Trong môi trường mới có chứa oxy, sinh vật tiến-hóa thành sinh vật hảo-khí (aerobic organisms), chúng cần có oxy để hô-hấp (respiration) tạo năng lượng. Nhờ nhả oxy, khí quyễn càng chứa nhiều oxy ở các thời đại sau
Sinh vật đơn-bào sinh sản rất nhanh, sống thành tập đoàn to lớn. Để sinh tồn, chúng cạnh tranh với nhau, mạnh được yếu thua, nên sản sinh nhiều chũng-loại mới đưa đến đa-dạng-hóa (diversity) trong thế giới vi-khuẫn. Tiến-hóa tiếp tục, sinh vật đơn-bào càng về sau càng phức tạp hơn, hoặc tiếp tục sống tự-dưởng hay sống dị-dưởng. Các sinh vật ký-sinh (parasites), thuộc loại dị dưỡng, như các vi-khuẫn ký sinh, virus xuất hiện vào thời điễm này. Sinh vật ký-sinh phải sống bám vào ký chủ (host) để rút tĩa chất hữu-cơ của ký chủ. Chúng gây bịnh. Song song, các sinh vật cọng-sinh (symbiosis) cũng xuất hiện. Loại sinh vật này cần sống chung với một loại sinh vật khác, chúng hỗ trợ nhau để sống chung, đôi bên cùng hưởng lợi: sinh vật này cung cấp cho sinh vật kia những chất cần thiết để sống mà sinh vật kia không sản xuất được, và ngược lại.
Đa-dạng-hóa, cạnh tranh giữa đồng loại hay với chũng-loại khác để sinh tồn, tiến-hóa tiếp tục tiến tới việc xuất hiện các sinh-vật đơn-bào to lớn hơn. Đó là các protists. Ở loại sinh vật này, tế-bào phát triễn hơn, chứa nhân (nucleus), ở đó các thông tin di-truyển được tồn trử. Ngoài ra, còn có mitochondria, nơi sản xuất năng lượng ATP. Kễ từ đây, thế giới sinh vật bắt đầu chia 2 nhóm: Thực vật (Plantae) và Động vật (Animalia).
Ở đại dương, oxy do quang-tỗng-hợp phóng thích, hòa tan trong nước biển, phản ứng với các kim loại khác như đá vôi, sắt, v.v. tạo thành lớp đá giàu chất oxyt-sắt, là nguồn năng lượng cho sinh-vật sống ở đáy biển. Oxy trong khí quyễn gia tăng nhờ 2 nguồn chính: Oxy trong nước biển thoát vào khí quyển, và nhờ hiện tượng quang-tỗng-hợp. Phản ứng với tia tữ ngoại UV, oxy biến thành ozone tạo lớp ozone ở thượng tầng khí quyễn, che chở sinh vật địa cầu. Sinh vật địa cầu nhờ vậy càng thêm phong phú.
Trong thời đại Proterozoic này có 3 thời kỳ địa cầu trải qua băng-giá: 2,3 tỷ, 710 triệu và 640 triệu năm trước. Cứ mỗi lần có băng-giá, khí hậu biến đỗi, là có một số loài bị tuyệt-chũng, một số loài khác tiến-hóa tạo nhiều loài mới để thích ứng với môi trường mới.
Với thời gian, sinh vật tiến-hóa từ đơn-bào đến đa-bào (multicellular). Thế giới sinh vật vào thời kỳ 2 tỷ năm trước gồm 3 lãnh vực: vi-trùng (bacteria), Archaea (tế-bào chưa có nhân, nucleus) và Eukarya (tế-bào có nhân, mitochondria, bộ Golgi và lục-bào).
Khoảng 1 tỷ năm trước, một số Eukaryo chứa luc-lạp có khã năng quang-tỗng-hợp. Tảo-xanh (green algae), tế-bào có chứa lục-lạp xuất hiện làm nước biển có màu xanh. Như vậy tảo-xanh là tỗ tiên của loài thực vật (plants). Sinh vật archaeans, bacteria, và eukaryotes tiếp tục đa-dạng-hóa, càng về sau càng phức tạp và thích ứng môi trường mới.
Khoảng 900 triệu năm trước, sinh vật tiến-hóa thành động vật (animals), chúng sống thành tập-đoàn. Đầu tiên là các bọt-biển (sponges), kết hợp thành mãng lớn, rồi tách thành nhiều mãng nhỏ, các mãng này lớn dần, và tiếp tục như vậy. Động vật Spriggina floundensi hóa thạch được tìm thấy trong đá có tuổi 580 triệu năm. Có lẽ đây là động vật tỗ tiên của giới động vật của thời Cambrian sau này.
Động vật có xương-sống (vertebrates) xuất hiện vào cuối thời đại Proterozoic và đầu thời đại Phanerozoic, cách đây khoảng 250 triệu năm.
Thời đại Phanerozoic được chia làm 3 kỷ nguyên (era): Paleozoic, Mesozoic và Cenozoic.
Kỷ nguyên Paleozoic, kéo dài từ 542 đến 251 triệu năm trước, có nhiều biến cố quan trọng ảnh hưởng đến tiến-hóa sinh vật. Đại-lục-địa Pannotia tách thành 4 tiểu-lục-địa Laurentia, Baltica, Siberia và Gondwana, Các tiểu-lục-địa này di chuyển xa nhau, rồi va chạm nhau, tạo nhiều núi cao và vực thẩm. Hỏa-diệm-sơn hoạt động mạnh, nhiều động đất, nền móng đại-dương nâng cao, làm nước biển dâng cao. Thời tiết ấm hơn ngày nay, chỉ có băng-hà ở 2 cực. Vào thời Devonian (416 -359 triệu năm) Gondwana và Siberia bắt đầu chuyển tới Laurussia, gây việc va chạm giữa Siberia và Laurussia, giữa Gondwana với Laurussia tạo thành lục-địa Pangae (359-299 triệu năm).
Vì những biến đỗi lục địa, khí hậu, v.v. trong kỹ nguyên Paleozic nhiều hình thức sinh vật mới xuất hiện: cây và động vật leo lên sống ở đất liền. Vì thay đổi khí hậu nhiều lần, ảnh hưởng hỏa-diệm-sơn, động đất, thiên thạch bắn phá, một số loài bị tuyệt chũng, một số tiến-hóa thành chũng loại mới.
Thành lập luc-địa Pangaea cách đây 300 triệu năm
Tiến-hóa mãnh liệt nhất xảy ra trong thời Cambrian cách đây 542 – 488 triệu năm, với sự xuất hiện trong thời gian ngắn này nhiều chũng-loại mới: đông vật có võ cứng (shell), động vật có xương-sống (vertebrates), động vật có bộ-xương-ngoài (exoskeletons) như nhuyễn-thể (molluscs), độngvật-da-gai (echinoderms), hải-bách-hợp (crinoids) và độngvật-có-đốt (tiết-túc, arthropods).
Động vật Spriggina floundesi hóa thạch có niên đại 580 triệu năm, là tỗ tiên của nhiều loại động vật thời sau này.
Động vật có xương-sống đầu tiên xuất hiện là loài Cá (fishes), cách đây 530 triệu năm. Tổ tiên của loài cá có lẽ là loài Pikaia. Loài cá có hàm (jaws) (Gnathostomata) xuất hiện vào thời Ordovician, cách đây 488- 444 triệu năm. Loài cá gia tăng kích thước từ đầu thời Paleozic cách đây khoảng 544 triệu năm, cá có thể dài tới 7 m.
Tuy nhiên vào cuối Cambrian và đầu Ordovician, nhiều chũng-loại tuyệt chũng trên quy mô toàn cầu. Thời Ordovician được xem là thời tuyệt chũng của nhiều chũng-loại: động vật tay-cuộn như sò cỗ (brachiopods), bọ-ba-thùy (trilobites), đông vật hình-rêu (moss animal – Bryozoa) và san-hô biến mất. Lý do có lẽ là do nhiệt độ biển trở nên lạnh. Tuy nhiên, song song với tuyệt chũng, một số chũng-loại mới, tiến bộ hơn, được xuất hiện.
Cách đây vài trăm triệu năm, rong-xanh và nấm (fungi) sống ở các bờ nước, tiến-hóa và leo lên đất liền. Các mẩu thực vật và nấm hóa thạch cỗ nhất có niên đại 480-460 triệu năm. Tuy nhiên các nghiên cứu mới đây cho biết các loài nấm xuất hiện trên mặt đất có thể sớm hơn, cách đây khoảng 1000 triệu năm, và cây cối khoảng 700 triệu năm nay,
Động vật cỗ đại nhất rời biển cả để lên đất liền là loài tiết-túc (arthropods, côn trùng chân có khớp) cách đây 450 triệu năm, các nghiên cứu mới đây cho biết có thể sớm hơn, cách đây 530 triệu năm.
Cách đây 440 triệu năm, một cuộc tuyệt chũng quy mô lớn xảy ra, có lẻ do băng hà.
Cách đây 380-375 triệu năm, động vật bốn-chân (tetrapods) đầu tiên được thành hình từ loài cá, ngạnh cá (fins) biến thành chân giúp con vật có thể ngẫng cao cỗ khỏi mặt nước để thở không khí. Sau này chúng vượt lên đất liền để sống, nhưng phải trở về biển cả để đẻ trứng. Đó là tổ tiên của loài động vật lưỡng-cư hay lưỡng-thể (amphibians) vừa sống được trong nước vùa sống được trên đất liền.
Khoảng 365 triệu năm trước, một cuộc tuyệt chũng quy mô khác lại xãy ra, do hiện tượng giá lạnh toàn cầu.
Khoảng 360 triệu năm trước, cây trên đất liền bắt đầu cho hạt (hột, seeds).
Khoảng 340 triệu năm trước, một số loại lưỡng-cư tiến hóa có khả năng đẻ trứng trên cạn (amniotes), như rùa, loài bò-sát, chim, khũng long.
Khoảng 310 triệu năm trước, từ nhóm đẻ-trứng-trên-cạn như chim và loài bò-sát (sauropsids) tiến hóa thành nhóm động vật synapsids gồm động vật có-vú (mammals) và các nhóm tương cận.
Vào 250 triệu năm trước, trong kỹ nguyên Mesozoic (250 – 65.5 triệu năm trước), vì các biến cố hỏa-diệm-sơn hoạt động, thiên-thạch bắn phá, khí methane cao, nước biển giao động gây tuyệt chủng khoảng 95% sinh vật trên toàn cầu.
Khoảng 230 triệu năm trước, khũng-long (Dinosaurs) xuất hiện từ loài bò-sát (Reptiles), tuy nhiên vào khoảng 200 triệu năm trước một số chũng loại khũng long bị tuyệt chũng, một số loài khũng long khác sống sót chiếm ưu thế trong loài động vật trên địa cầu. Động-vật-có-vú ra đời bắt đầu với những động vật nhỏ như chuột mỏ-nhọn (shrews).
Khoảng 180 triệu năm trước, đại lục Pangaea tách rời thành Laurasia và Gondwana. Khũng-long-có-cánh bay được ra đời, sau này khũng-long-có-cánh Archaeopterix tiến-hóa thành loài Chim (birds) khoảng 150 triệu năm trước.
Khoảng 132 triệu năm trước, thời Cretaceous, thực vật hiễn-hoa bí-tử (hạt kín, angiosperms) tiến hóa thành thực vật khỏa-tử (hạt trần, gymnosperms).
Sự kiện cạnh tranh sinh tồn giữa Chim và khũng-long làm khũng-long biết bay Pterosaurus tuyệt chũng, và các loài khũng long khác bị hạn chế sinh tốn.
Trong Kỹ nguyên Cenozoic (từ 65.5 triệu năm cho tới nay), các lục địa tiến tới thành hình hiện nay. Một phần lục-địa Gondwana tách ra thành tiểu-lục-địa Australia-New Guinea, Thái-Bình-Dương nới rộng, Nam Mỹ và Bắc Mỹ nối dính nhau, lục địa Ấn Độ xáp vào Á châu (45-50 triệu năm trước), Arabia va chạm nhập với EurAsia (35 triệu năm trước). Toàn cầu trở nên lạnh.
Khoảng 65 triệu năm trước, một thiên thạch khỗng lồ có đường kính 10 km bắn vào địa cầu mà dấu vết là hố Chisxulub còn hiện nay. Các mãnh vở, bụi và hơi nước che khuất mặt trời tối đen ngăn cản quang-tỗng-hợp. Các động vật to xác, và khũng-long-không-cánh bị tuyệt chũng.
Trong thời Paleocene (65.5 - 56 triệu năm trước), động vật có-vú (mammals) đa-dạng-hóa thành nhiều loài, thân xác to lớn hơn, và chiếm ưu thế trong loài có xương-sống.
Khoảng 63 triệu năm trước, loài nhân-hầu (hay linh-trưởng, động vật có tay) (primates) xuất hiện.
Khoảng 34 triệu năm trước, vài loại động-vật có-vú trên đất liền trở lại biển cả để sống tạo loài Basilosaurus, là tổ tiên của cá nượt (dolphins) và cá ong (whales) ngày nay.
Khoảng 6 triệu năm trước, một loài giả-nhơn (đười ươi, ape) nhỏ con sinh sống ở Phi châu. Nó là tổ tiên của loài người, chimpanzees và khỉ, vượn.
Khoảng triệu năm trước, một nhánh giã-nhơn phát triển có khả năng đi đứng thẳng người, với khối óc phát triễn lớn, tạo thành loài Homo (Người).
Khoảng 790.000 năm trước, loài Homo erectus tạo được lửa.
Chưa rõ là Homo erectus có khả năng nói được chưa, nhưng tới thời Homo sapiens xuất hiện ở Phi châu, cách nay khoảng 200.000 năm, thì biết nói. Khối óc gia tăng, thông minh, biết chế tạo dụng cụ. Người hóa-thạch cỗ nhất được tìm thấy có niên đại 160.000 năm.
Australopithecus africanus, người tiền sử
Con người là động vật sanh sau nhất và tiến bộ nhất. Nền văn minh do con người tạo ra cải thiện đời sống, nhưng đồng thời cũng tạo nền móng hủy diệt địa cầu: chiến tranh nguyên tử, ô nhiểm môi trường và làm kiệt quệ tài nguyên.
Reading, 6/2011
Trần Đăng Hồng, PhD.