Vi sinh vật và nguồn gốc sự sống trên trái đất

Trong khi đánh giá các đặc điểm của trái đất trước khi có sự sống và những điều kiện cần và đủ cho phép các vi sinh vật cổ có thể sống được, các nhà khoa học cho rằng: Sự sống trên trái đất bắt nguồn từ vi khuẩn cổ.

Các bằng chứng khoa học cho thấy sự sống đã bắt đầu trên  trái đất cách đây khoảng 3,5 tỷ năm. Kể từ đó, sự sống đã phát triển thành nhiều dạng khác nhau, mà các nhà sinh vật học đã phân loại thành một hệ thống phân loại theo thứ bậc. Một số tế bào lâu đời nhất trên trái đất là các sinh vật đơn bào được gọi là vi khuẩn cổ và vi khuẩn. Hồ sơ hóa thạch cho thấy có những huyền phù vi khuẩn đã từng bao phủ trái đất khi còn là một hành tinh non trẻ. Một số vi khuẩn bắt đầu hấp thụ dinh dưỡng bằng cách sử dụng carbon dioxide trong khí quyển và năng lượng mà chúng thu được từ mặt trời. Quá trình này (được gọi là quang hợp) tạo ra oxy đủ để thay đổi bầu khí quyển của trái đất.

Sau đó, các dạng sống thở bằng oxy mới xuất hiện. Với số lượng vi sinh vật ngày càng đa dạng, đây là giai đoạn này hình thành và xuất hiện nhiều hình thái sống hơn. Có bằng chứng thuyết phục cho rằng ti thể và lục lạp từng là nơi cư trú của tế bào vi khuẩn nguyên thủy. Bằng chứng này được mô tả trong lý thuyết nội cộng sinh. Hiện tượng cộng sinh xảy ra khi hai loài khác nhau có lợi khi sống và làm việc cùng nhau. Khi một sinh vật thực sự sống bên trong một sinh vật khác, nó được gọi là nội sinh. Lý thuyết nội cộng sinh mô tả cách một tế bào vật chủ lớn và vi khuẩn xâm nhập vào có thể dễ dàng phụ thuộc vào nhau  cùng tồn tại và dẫn đến một mối quan hệ lâu dài.

Trải qua hàng triệu năm tiến hóa, ti thể và lục lạp đã trở nên chuyên biệt hơn và ngày nay chúng không thể sống bên ngoài tế bào. Ti thể và lục lạp có những điểm tương đồng nổi bật với tế bào vi khuẩn. Chúng có DNA của riêng mình, tách biệt với DNA được tìm thấy trong nhân tế bào. Cả hai bào quan đều sử dụng DNA của chúng để tạo ra nhiều protein và enzym cần thiết cho chức năng của chúng. Một lớp màng kép bao quanh cả ti thể và lục lạp là bằng chứng nữa cho thấy mỗi loại đã được vật chủ nguyên thủy ăn vào. Hai bào quan cũng sinh sản giống như vi khuẩn, sao chép DNA của chính chúng và chỉ đạo sự phân chia của chúng.

DNA ty thể (mtDNA) có một kiểu di truyền độc đáo được truyền trực tiếp từ mẹ sang con và tích lũy những thay đổi chậm hơn nhiều so với các loại DNA khác. Vì những đặc điểm độc đáo của nó, mtDNA đã cung cấp những bằng chứng quan trọng về lịch sử tiến hóa. Ví dụ, sự khác biệt trong mtDNA được kiểm tra để ước tính mức độ liên quan chặt chẽ giữa loài này với loài khác.

Vi sinh vật Extremophiles: Vi khuẩn lam hóa thạch quang hợp trong đá một tỷ năm tuổi của Vườn quốc gia Glacier, Montana, Hoa Kỳ.

Điều kiện trên Trái đất 4 tỷ năm trước rất khác so với ngày nay. Bầu khí quyển thiếu ôxy, và một tầng ôzôn vẫn chưa bảo vệ trái đất khỏi bức xạ có hại. Mưa lớn, sét và hoạt động núi lửa là phổ biến. Tuy nhiên, các tế bào sớm nhất có nguồn gốc trong môi trường khắc nghiệt này. Các loài vi khuẩn cổ Extremophiles vẫn phát triển mạnh trong các môi trường sống khắc nghiệt. Các nhà thiên văn học hiện đang sử dụng vi khuẩn cổ để nghiên cứu nguồn gốc của sự sống trên trái đất và các hành tinh khác. Bởi vì vi khuẩn cổ sống ở những nơi trước đây được coi là không tương thích với sự sống, chúng có thể cung cấp manh mối giúp cải thiện khả năng phát hiện sự sống ngoài trái đất của chúng ta. Điều thú vị là các nghiên cứu hiện tại cho thấy vi khuẩn cổ có thể có khả năng du hành vũ trụ bằng thiên thạch. Theo thuyết Panspermia có thể một thiên thạch đã gieo mầm sự sống trên trái đất hoặc ở những nơi khác.

Sự hiện diện của vi khuẩn cổ và vi khuẩn đã thay đổi trái đất một cách cơ bản. Chúng đã giúp hình thành một bầu khí quyển ổn định và sản xuất oxy với số lượng lớn đến mức cuối cùng các dạng sống cần oxy có thể phát triển. Các điều kiện khí quyển mới đã làm dịu thời tiết để các hiện tượng cực đoan bớt khắc nghiệt hơn. Tất cả đã tạo điều kiện cho các dạng sống mới hình thành âm thầm và sôi sục ở khắp nơi. Quá trình này đối với con người mà nói chính là một kỳ tích tuyệt vời của Tự nhiên.

Môi trường đa dạng của vi khuẩn

Vi sinh vật có mặt khắp nơi trên Trái đất và sự đa dạng và phong phú của chúng được xác định bởi môi trường địa sinh học mà chúng chiếm giữ.

Thế giới vi sinh vật bao gồm hầu hết sự đa dạng phát sinh loài trên trái đất, vì tất cả vi khuẩn, tất cả Archaea và hầu hết các dòng của Eukarya đều là vi sinh vật. Vi sinh vật sống trong mọi loại môi trường sống (trên cạn, dưới nước, khí quyển hoặc vật chủ sống) và sự hiện diện của chúng luôn ảnh hưởng đến môi trường mà chúng phát triển. Sự đa dạng của chúng cho phép chúng phát triển mạnh trong môi trường cực lạnh hoặc cực nóng. Sự đa dạng của chúng cũng khiến chúng có thể chịu đựng được nhiều điều kiện khác, chẳng hạn như nguồn nước hạn chế, hàm lượng muối cao và lượng oxy thấp.

Vi sinh vật trong môi trường lạnh : Tảo băng ở Nam Cực.

Vi sinh vật trong môi trường nóng : Tảo phát triển trong hồ nước nóng ở New Zealand.

Tất nhiên, không phải mọi vi khuẩn đều có thể tồn tại trong tất cả các môi trường sống. Mỗi loại vi sinh vật đã phát triển để sống trong một phạm vi điều kiện hẹp. Mặc dù phần lớn sự đa dạng của vi sinh vật vẫn chưa được xác định, nhưng trên toàn cầu người ta đều hiểu rằng ảnh hưởng của vi sinh vật đối với môi trường là có lợi. Những tác động hữu ích của vi sinh vật bắt nguồn từ các hoạt động trao đổi chất của chúng trong môi trường, mối liên hệ của chúng với các sinh vật khác và từ việc ứng dụng lợi khuẩn trong y học, sản xuất thực phẩm và các quá trình công nghệ sinh học.

Đổi lại, môi trường và những  bất thường về nhiệt độ gần đây đóng một vai trò to lớn trong việc tạo ra những thay đổi quan trọng đối với các cộng đồng vi sinh vật. Ví dụ, sự tập hợp của các vi khuẩn tồn tại trên bề mặt nước biển được cho là đã trải qua những thay đổi to lớn về thành phần, sự phong phú, đa dạng và độc lực do tác động của hiện tượng mặt biển nóng lên.

Đối với các nhà vi sinh học, điều quan trọng là phải nghiên cứu sự thích nghi của vi sinh vật với các môi trường khác nhau và chức năng của chúng trong các môi trường đó để hiểu được sự đa dạng, sinh thái và tiến hóa của vi sinh vật toàn cầu. Họ dựa trên các yếu tố vật lý và hóa học cụ thể như đo nhiệt độ, độ pH và độ mặn trong một khu vực địa lý nhất định để xây dựng bảng so sánh giữa các cộng đồng vi sinh vật và môi trường mà các loài khác nhau có thể chịu đựng được. Các nhà nghiên cứu thu thập mẫu từ các khu vực địa lý có điều kiện môi trường khác nhau và giữa các mùa để xác định cách thức phân tán hình thành các cộng đồng vi sinh vật và hiểu tại sao các sinh vật sống ở nơi chúng sống. Do đó, các cộng đồng vi sinh vật từ các đại dương ven biển và mở, vùng cực, sông, hồ, đất, khí quyển và cơ thể con người có thể được quan sát và xét nghiệm. Việc phân lập từ các mẩu này tạo một điểm khởi đầu để nhận thức về sự phong phú của các cộng đồng vi sinh vật: chúng tương quan thế nào với sự biến đổi khí hậu, tương tác của chúng tác động như thế nào đến các quá trình của hệ sinh thái và hơn nữa ảnh hưởng của những hoạt động này đến sức khỏe con người. Trong thực tế, bằng những hoạt động sản xuất và phát triển con người đã can thiệp vào sinh khối vi sinh vật tự nhiên, phá vỡ sự cân bằng của tự nhiên và hệ sinh thái và dẫn đến mất đa dạng sinh học.

Thuật ngữ liên quan

• nội cộng sinh: Tình trạng sống bên trong cơ thể hoặc tế bào của một sinh vật khác.
• panspermia: Giả thuyết cho rằng vi sinh vật có thể truyền sự sống từ không gian bên ngoài sang các cơ thể sống