Tại sao nói: nếu không có thực vật thì không có sự sống trên trái đất

Chữ Hán: 植物; "thực" [植] ở đây nghĩa gốc Hán là "trồng trọt", không phải "thực" [食] trong "thực phẩm"; "vật" trong "sinh vật".

Hơn 500.000 loài thực vật, gồm thực vật có hạt, rêu, dương xỉ và cận dương xỉ [fern ally] được thống kê hiện đang tồn tại. Năm 2004, 287.655 loài được xác định, trong số đó 258.650 là loài có hoa, 16.000 loài rêu, 11.000 loài dương xỉ và 8.000 loài tảo xanh.

Thực vật có phôi

Quen thuộc nhất là các loài thực vật đa bào sống trên mặt đất, được gọi là thực vật có phôi [Embryophyta]. Chúng bao gồm các loài thực vật có mạch, là các loại thực vật với các hệ thống đầy đủ của lá, thân và rễ. Chúng cũng bao gồm cả một ít các loài có quan hệ họ hàng gần với thực vật có mạch, thường được gọi trong khoa học là Bryophyta, với các loài rêu là phổ biến nhất.

Tất cả các loại thực vật này đều có các tế bào nhân chuẩn với các màng tế bào được tạo thành từ xenluloza và phần lớn thực vật thu được nguồn năng lượng thông qua quang hợp, trong đó chúng sử dụng ánh sáng và dioxide cacbon để tổng hợp thức ăn. Khoảng 300 loài thực vật không quang hợp mà sống ký sinh trên các loài thực vật quang hợp khác. Thực vật là khác với tảo lục, mà chúng đã tiến hóa từ đó, ở điểm là chúng có các cơ quan sinh sản chuyên biệt được các mô không sinh sản bảo vệ.

Các loài rêu trong nhóm Bryophyta lần đầu tiên xuất hiện từ đầu đại Cổ Sinh. Chúng chỉ có thể sống sót trong các môi trường ẩm ướt, và giữ nguyên kích thước nhỏ trong suốt chu trình sống của chúng. Nó bao gồm sự luân phiên giữa hai thế hệ: giai đoạn đơn bội, được gọi là thể giao tử và giai đoạn lưỡng bội, được gọi là thể bào tử. Thể bào tử có thời gian sống ngắn và là phụ thuộc vào cha, mẹ của chúng.

Thực vật có mạch xuất hiện lần đầu tiên vào thời kỳ của kỷ Silur [409-439 Ma], và vào kỷ Devon [359-416 Ma] chúng đã đa dạng hóa và lan rộng trong nhiều môi trường đất khác nhau. Chúng có nhiều cơ chế thích nghi, cho phép chúng vượt qua các hạn chế của Bryophyta. Các cơ chế này bao gồm lớp biểu bì [chất cutin] chống bị khô và các mô có mạch để vận chuyển nước trong khắp cơ thể. Ở nhiều loài, thể bào tử đóng vai trò như một cá thể tách rời, trong khi thể giao tử vẫn là nhỏ.

Thực vật có hạt nguyên thủy đầu tiên, Pteridospermatophyta [dương xỉ có hạt] và nhóm Cordaitales, cả hai nhóm này hiện nay đã tuyệt chủng, đã xuất hiện vào cuối kỷ Devon và đa dạng hóa trong kỷ Than Đá [280-340 Ma], với sự tiến hóa kế tiếp diễn ra trong kỷ Permi [248-280 Ma] và kỷ Trias [200-251 Ma]. Ở chúng, giai đoạn thể giao tử bị suy giảm hoàn toàn, và thể bào tử bắt đầu cuộc sống bên trong lớp bao bọc, gọi là hạt, chúng phát triển khi đang ở trên thực vật cha mẹ và với sự thụ phấn bằng các hạt phấn. Trong khi các loài thực vật có mạch khác, chẳng hạn như dương xỉ, sinh sản nhờ các bào tử và cần có sự ẩm ướt để phát triển thì một số thực vật có hạt có thể sinh sống và sinh sản trong các điều kiện cực kỳ khô cằn.

Các loài thực vật có hạt đầu tiên được nói đến như là thực vật hạt trần [Gymnospermae], do phôi hạt không được bao bọc trong một cấu trúc bảo vệ khi thụ phấn, với các hạt phấn trực tiếp hạ xuống phôi. Bốn nhóm còn sống sót hiện vẫn phổ biến rộng khắp, cụ thể là thực vật quả nón, là nhóm cây thân gỗ thống trị trong một vài quần xã sinh vật. Thực vật hạt kín [Angiosperm], bao gồm thực vật có hoa, là nhóm thực vật chính cuối cùng đã xuất hiện, nảy ra từ thực vật hạt trần trong kỷ Jura [146-200 Ma] và đa dạng hóa nhanh chóng trong kỷ Phấn Trắng [65-146 Ma]. Chúng khác với thực vật hạt trần ở chỗ các phôi hạt được bao bọc, vì thế phấn hoa cần phải phát triển một ống để xâm nhập qua lớp vỏ bảo vệ hạt; chúng là nhóm thống trị trong giới thực vật ngày nay ở phần lớn các quần xã sinh vật.

Phát sinh loài

Phát sinh loài dưới đây của Plantae lấy theo Kenrick và Crane[10], với biến đổi đối với Pteridophyta lấy theo Smith và ctv.[11]. Prasinophyceae có thể là nhóm cơ sở cận ngành đối với toàn bộ thực vật xanh.

1. Có cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi: cơ thể sinh vật cũng được tạo nên từ các nguyên tố hóa học trong tự nhiên nhưng cấu trúc bên trong vô cùng phức tạp bao gồm vô số các hợp chất hóa học. Các chất phức tạp trong cơ thể sống hình thành nên các cấu trúc tinh vi thực hiện một số chức năng nhất định, ngay cả các đại phân tử cũng có những vai trò quan trọng nhất định.
2. Có sự chuyển hóa năng lượng phức tạp: thu nhận năng lượng từ môi trường ngoài và biến đổi nó để xây dựng và duy trì tổ chức phức tạp đặc trưng cho sự sống.
3. Thông tin của sự sống ổn định, chính xác và liên tục: liên quan đến các quá trình sống chủ yếu như sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản ứng thích nghi.

1. Trao đổi chất: toàn bộ các hoạt động hóa học của cơ thể sinh vật.
2. Sự nội cân bằng: xu hướng các sinh vật tự duy trì môi trường bên trong ổn định: các tế bào hoạt động ở mức cân bằng và ổn định ở một trạng thái nhất định.
3. Sự tăng trưởng: tăng khối lượng chất sống của mỗi cơ thể sinh vật.
4. Đơn vị tổ chức: cấu trúc được bao gồm một hoặc nhiều tế bào - đơn vị cơ bản của cuộc sống.
5. Sự đáp lại: đáp lai các kích thích khác nhau từ môi trường bên ngoài.
6. Sự sinh sản: gồm sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính
7. Sự thích nghi: khả năng cơ thể có thể sống bình thường trong một môi trường nhất định.

Các bằng chứng cho thấy rằng sự sống trên Trái Đất đã tồn tại cách đây khoảng 3,7 tỉ năm,[6] với những dấu vết về sự sống cổ nhất được tìm thấy trong các hóa thạch có tuổi 3,4 tỉ năm.[7] Tất cả các dạng sống đã được biết đến có chung các cơ chế phân tử cơ bản, phản ánh sự thành tạo từ cùng nguồn gốc của chúng; dựa trên các quan sát, giả thiết về nguồn gốc của sự sống để tìm ra một cơ chế nhằm giải thích cho sự thình thành của cùng một nguồn gốc trong vũ trụ, từ các phân tử hữu cơ đơn giản ở các dạng sống tiền tế bào đến các tế bào nguyên thủy và có quá trình trao đổi chất. Các mô hình đã được chia ra thành các nhóm "genes-first" và "metabolism-first", nhưng xu hướng hiện nay là sự xuất hiện của việc lồng ghép 2 nhóm trên.[8]

Hiện nay, không có kết luận khoa học về sự sống có nguồn gốc như thế nào. Tuy nhiên, các mô hình khoa học được chấp nhận nhiều nhất được xây dựng dựa trên các quan sát sau:

• Thí nghiệm Miller-Urey, và công trình của Sidney Fox, thể hiện các điều kiện của Trái Đất nguyên thủy bao gồm các phản ứng hóa học tổng hợp các amino acid và các hợp chất hữu cơ khác từ các tiền chất vô cơ.
• Phospholipid được hình thành liên tục từ các lớp lipid kép, một cấu trúc cơ bản của màng tế bào.

Các sinh vật sống tổng hợp protein, là các polymer của các axit amim sử dụng các thông tin được mã hóa bởi các DNA. Quá trình tổng hợp protein đòi hỏi các polymer RNA trung gian. Khả năng sự sống bắt đầu như thế nào là từ các gen có nguồn gốc đầu tiên, tiếp theo là bởi các protein;[9] một giả thiết khác là protein có trước và sau đó là gene.[10]

Tuy nhiên, do gen và protein đều là cơ sở để sản xuất qua lại, do đó vấn đề đặt ra là cái nào có trước và cái nào có sau giống như câu chuyện con gà và quả trứng. Hầu hết các nhà khoa học áp dụng giả thiết này vì không chắc rằng gene và protein phát sinh một cách độc lập.[11]

Mặc khác, một khả năng có thể khác đã được Francis Crick đề xuất đầu tiên,[12] rằng lúc đầu sự sống dựa trên RNA,[11] có các đặc điểm giống như DNA trong việc lưu trữ thông tin và các tính chất xúc tác của một số protein. Giải thích này được gọi là giả thiết trong thế giới RNA, và nó được chứng minh thông qua sự quan sát nhiều thành phần quan trọng nhất của các tế bào [các thành phần của tế bào tiến hóa chậm nhất] được cấu tạo chủ yếu hoặc toàn bộ là RNA. Cũng như những đồng yếu tố [cofactor] [ATP, Acetyl-CoA, NADH,...] là các nucleotid hoặc chất có quan hệ một cách rõ ràng với chúng. Các tính chất xúc tác của RNA vẫn chưa được minh họa khi giả thiết này được đề xuất lần đầu tiên,[13] nhưng chúng đã được Thomas Cech xác nhận năm 1986.[14]

Một vấn đề còn tồn tại của giả thiết thế giới RNA là nó xuất phát từ các tiền chất vô cơ đơn giản thì khó khăn hơn so với từ các phân tử hữu cơ khác. Một lý do để giải thích nó là các tiền thân RNA rất ổn định và phản ứng với nhau một cách rất chậm chạp trong các điều kiện môi trường xung quanh, và người ta cũng từ đề xuất rằng các sinh vật sống được cấu thành từ các phân tử khác trước khi có RNA.[15] Dù vậy, sự tổng hợp thành công các phân tử RNA nhất định trong các điều kiện môi trường đã từng tồn tại trước khi có sự sống trên Trái Đất đã đạt được bằng cách thêm vào các tiền chất có thể thay thế theo một thứ tự đặc biệt với các tiền chất-phosphat có mặt trong suốt quá trình phản ứng.[16] Nghiên cứu này làm cho giả thiết thế giới RNA trở nên hợp lý hơn.[17]

Năm 2009, người ta thực hiện các thí nghiệm minh họa tiến hóa Darwin của hệ hai hợp phần gồm các enzyme RNA [ribozymes] trong ống nghiệm.[18] Công trình được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Gerald Joyce, ông cho rằng "Đây là ví dụ đầu tiên, ngoài sinh học và ngoài thích nghi tiến hóa trong một hệ thống di truyền phân tử."[19]

Các phát hiện của NASA năm 2011 dựa trên những nghiên cứu về thiên thạch được phát hiện trên Trái Đất cho thấy rằng các thành phần của RNA và DNA [adenine, guanine và các phân tử hữu cơ liên quan] có thể được hình thành trong không gian bên ngoài Trái Đất.[20][21][22][23]