Chuyên đề Lý thuyết tiến hoá đối với sinh học

Mục lục
1 Chương1: Lý thuyết tiến hoá đối với sinh học 
1.1 Sự sống là gì? 
1.2 Sự trao đổi chất bao gồm sự biến đổi vật chất và năng lượng 
1.3 Tiến hóa sinh học 
1.4 Thuyết tiến hóa của Darwin 
1.5 Những sự kiện trọng đại trong lịch sử sự sống trên trái đất 
1.5.1 Sự sống nảy sinh thông qua con đường tiến hóa hóa học 
1.5.2 Tiến hóa sinh học bắt đầu khi tế bào hình thành 
1.5.3 Quang hợp đã làm thay đổi tiến trình tiến hóa 
1.5.4 Tế bào với những khoang phức tạp bên trong 
1.5.5 Đa bào nảy sinh và tế bào trở nên chuyên hóa 
1.5.6 Giới tính làm tăng tốc độ tiến hóa 
1.6 Cây tiến hóa của sự sống 
1.7 Sinh học là một môn khoa học 
1.7.1 Phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học 
1.7.2 Không phải tất cả mọi điều tra đều là khoa học 
1.7.3 Sự liên hệ giữa sinh học và xã hội 
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
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. 
Từ những quan sát này Darwin đã rút ra kết luận: “Sự khác biệt giữa những cá thể ảnh hưởng lớn đến sự tồn tại và sinh sản của chúng. Một vài điểm đặc trưng làm gia tăng sự thích nghi của chúng sẽ được truyền lại cho các thế hệ tiếp theo” Darwin gọi sự thành công trong phương thức tồn tại và phát triển khác nhau của những cá thể là Chọn lọc tự nhiên. Ông gọi đó là ”sự truyền lại và thay đổi”. 
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 h