Tế bào là gì?
Tế bào được coi là đơn vị cơ bản của sự sống một phần vì chúng có các gói riêng biệt và dễ nhận biết. Đó là bởi vì tất cả các tế bào được bao quanh bởi một cấu trúc gọi là màng tế bào – giống như các bức tường của một ngôi nhà, đóng vai trò là ranh giới rõ ràng giữa môi trường bên trong và bên ngoài tế bào.
Màng tế bào đôi khi còn được gọi là màng sinh chất.
Màng tế bào có thành phần chính là các phân tử chất béo được gọi là phospholipid, có tác dụng ngăn chặn các chất ưa nước hoặc ưa nước xâm nhập hoặc thoát ra khỏi tế bào. Những màng này cũng được đính nhiều protein phục vụ nhiều chức năng khác nhau. Một số protein này đóng vai trò là người gác cổng, xác định những chất nào có thể và không thể đi qua màng. Những tế bào khác có chức năng đánh dấu, xác định tế bào là một phần của cùng một sinh vật hoặc là tế bào lạ. Một số khác nữa hoạt động giống như những chiếc dây buộc, liên kết các tế bào lại với nhau để chúng có thể hoạt động như một đơn vị. Tuy nhiên, các protein màng khác đóng vai trò là chất truyền tin, gửi và nhận tín hiệu từ các tế bào lân cận và môi trường – dù là thân thiện hay đáng báo động (Hình 1).
Hình 1: Protein vận chuyển trong màng tế bào (Nguồn: Nature)
Màng sinh chất có khả năng thẩm thấu các phân tử cụ thể mà tế bào cần. Các protein vận chuyển trong màng tế bào cho phép các phân tử cụ thể đi qua có chọn lọc từ môi trường bên ngoài. Mỗi protein vận chuyển đặc trưng cho một phân tử nhất định (được biểu thị bằng màu sắc phù hợp).
Trong màng này, môi trường bên trong tế bào là nước. Được gọi là tế bào chất, môi trường chất lỏng này chứa đầy các bộ máy tế bào và các yếu tố cấu trúc. Trên thực tế, nồng độ protein bên trong tế bào cao hơn nhiều so với bên ngoài – cho dù bên ngoài là nước biển (như trong trường hợp tảo đơn bào) hay huyết thanh (như trong trường hợp hồng cầu). Mặc dù màng tế bào hình thành các rào cản tự nhiên trong môi trường nước, tuy nhiên tế bào vẫn phải tiêu tốn khá nhiều năng lượng để duy trì nồng độ cao các thành phần nội bào cần thiết cho sự sống sót của nó. Thật vậy, tế bào có thể sử dụng tới 30% năng lượng chỉ để duy trì thành phần tế bào chất của chúng.
Các thành phần khác của tế bào?
Như đã đề cập trước đó, tế bào chất của tế bào là nơi chứa nhiều yếu tố cấu trúc và chức năng. Những yếu tố này tồn tại ở dạng phân tử và bào quan – hãy hình dung chúng như những công cụ, thiết bị và phòng bên trong tế bào. Các loại phân tử hữu cơ nội bào chính bao gồm axit nucleic, protein, carbohydrate và lipid, tất cả đều cần thiết cho chức năng của tế bào.
Axit nucleic là các phân tử chứa và giúp thể hiện mã di truyền của tế bào. Có hai loại axit nucleic chính: axit deoxyribonucleic (ADN) và axit ribonucleic (ARN). ADN là phân tử chứa tất cả thông tin cần thiết để xây dựng và duy trì tế bào; ARN có một số vai trò liên quan đến việc biểu hiện thông tin được lưu trữ trong ADN. Tất nhiên, chỉ riêng axit nucleic không chịu trách nhiệm bảo tồn và biểu hiện vật liệu di truyền: Tế bào cũng sử dụng protein để giúp tái tạo bộ gen và thực hiện những thay đổi sâu sắc về cấu trúc làm nền tảng cho sự phân chia tế bào.
Protein là loại phân tử hữu cơ nội bào thứ hai. Những chất này được tạo thành từ các chuỗi phân tử nhỏ hơn gọi là axit amin và chúng phục vụ nhiều chức năng khác nhau trong tế bào, cả về xúc tác và cấu trúc. Ví dụ, các protein được gọi là enzyme chuyển đổi các phân tử tế bào (dù là protein, carbohydrate, lipid hay axit nucleic) thành các dạng khác có thể giúp tế bào đáp ứng nhu cầu năng lượng, xây dựng các cấu trúc hỗ trợ hoặc bơm chất thải.
Carbohydrate, tinh bột và đường trong tế bào, là một loại phân tử hữu cơ quan trọng khác. Carbohydrate đơn giản được sử dụng cho nhu cầu năng lượng tức thời của tế bào, trong khi carbohydrate phức tạp đóng vai trò dự trữ năng lượng nội bào. Carbohydrate phức hợp cũng được tìm thấy trên bề mặt tế bào, nơi chúng đóng vai trò quan trọng trong việc nhận dạng tế bào.
Cuối cùng, lipid hoặc phân tử chất béo là thành phần của màng tế bào – cả màng sinh chất và các màng nội bào khác nhau. Chúng cũng tham gia vào việc lưu trữ năng lượng cũng như chuyển tiếp các tín hiệu trong tế bào và từ dòng máu đến bên trong tế bào (Hình 2).
Hình 2: Thành phần của tế bào vi khuẩn (Nguồn: Nature)
Phần lớn tế bào là nước (70%), 30% còn lại chứa các tỷ lệ khác nhau của các phân tử cấu trúc và chức năng.
Một số tế bào cũng có sự sắp xếp có trật tự của các phân tử được gọi là bào quan. Tương tự như các phòng trong một ngôi nhà, các cấu trúc này được phân chia khỏi phần còn lại của nội thất tế bào bằng màng nội bào của chính chúng. Các bào quan chứa thiết bị kỹ thuật cao cần thiết cho các công việc cụ thể bên trong tế bào. Một ví dụ là ty thể — thường được gọi là “nhà máy điện” của tế bào — là bào quan chứa và duy trì bộ máy liên quan đến các phản ứng hóa học tạo ra năng lượng (Hình 3).
Hình 3: Tỷ lệ tương đối của các phân tử và cấu trúc sinh học (Nguồn: Nature)
Đường kính của tế bào có thể thay đổi từ 1 micromet (μm) đến hàng trăm micromet. Trong một tế bào, một chuỗi xoắn kép ADN rộng khoảng 10 nanomet (nm), trong khi bào quan tế bào được gọi là nhân bao bọc ADN này có thể lớn hơn khoảng 1000 lần (khoảng 10 μm). Xem cách các tế bào so sánh theo trục tỷ lệ tương đối với các phân tử, mô và cấu trúc sinh học khác (mũi tên màu xanh ở dưới cùng). Lưu ý rằng micromet (μm) cũng được gọi là micron.
Có những loại tế bào nào?
Thay vì nhóm các tế bào theo kích thước hoặc hình dạng của chúng, các nhà khoa học thường phân loại chúng theo cách vật liệu di truyền của chúng được đóng gói. Nếu ADN trong một tế bào không tách khỏi tế bào chất, thì tế bào đó là một sinh vật nhân sơ.
Tất cả các sinh vật nhân sơ đã biết, chẳng hạn như vi khuẩn và vi khuẩn cổ, đều là các tế bào đơn lẻ. Ngược lại, nếu ADN được phân chia trong không gian liên kết màng riêng của nó được gọi là nhân, thì tế bào đó là một sinh vật nhân chuẩn. Một số sinh vật nhân chuẩn, như amip, là các thực thể đơn bào sống tự do. Các tế bào nhân chuẩn khác là một phần của các sinh vật đa bào. Ví dụ, tất cả thực vật và động vật đều được tạo thành từ các tế bào nhân chuẩn — đôi khi thậm chí là hàng nghìn tỷ tế bào (Hình 4).
Hình 4: Sự khác biệt cơ bản giữa sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ (Nguồn: Nature)
Một tế bào nhân chuẩn (bên trái) có ADN bao bọc màng, tạo thành một cấu trúc gọi là nhân (nằm ở trung tâm của tế bào nhân chuẩn; lưu ý ADN màu tím được bao bọc trong nhân màu hồng). Một tế bào nhân chuẩn điển hình cũng có các bào quan gắn màng bổ sung có hình dạng và kích thước khác nhau. Ngược lại, một tế bào nhân sơ (bên phải) không có ADN gắn màng và cũng thiếu các bào quan gắn màng khác.
Tế bào có nguồn gốc như thế nào?
Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng tất cả các sinh vật trên Trái đất ngày nay đều bắt nguồn từ một tế bào duy nhất tồn tại cách đây khoảng 3,5 đến 3,8 tỷ năm.
Tế bào ban đầu này có thể chỉ là một túi chứa các phân tử hữu cơ nhỏ và vật liệu giống ARN có cả chức năng thông tin và xúc tác. Theo thời gian, phân tử ADN ổn định hơn đã tiến hóa để đảm nhiệm chức năng lưu trữ thông tin, trong khi protein, với nhiều cấu trúc đa dạng hơn axit nucleic, đảm nhiệm chức năng xúc tác.
Như đã mô tả ở phía trên, sự vắng mặt hoặc có mặt của nhân – và thực sự là của tất cả các bào quan có màng – đủ quan trọng để trở thành một đặc điểm xác định mà theo đó các tế bào được phân loại thành sinh vật nhân sơ hoặc sinh vật nhân chuẩn.
Các nhà khoa học tin rằng sự xuất hiện của các nhân độc lập và các bào quan khác đại diện cho một bước tiến lớn trong quá trình tiến hóa của tế bào. Nhưng những cấu trúc này đến từ đâu?
Hơn một tỷ năm trước, một số tế bào “ăn” bằng cách nuốt các vật thể trôi nổi trong môi trường lỏng mà chúng tồn tại. Sau đó, theo một số lý thuyết về quá trình tiến hóa của tế bào, một trong những tế bào nhân chuẩn ban đầu đã nuốt một sinh vật nhân sơ và cùng nhau hai tế bào hình thành mối quan hệ cộng sinh. Đặc biệt, tế bào bị nuốt bắt đầu hoạt động như một bào quan bên trong tế bào nhân chuẩn lớn hơn đã tiêu thụ nó.
Cả lục lạp và ty thể, tồn tại trong các tế bào nhân chuẩn hiện đại và vẫn giữ nguyên bộ gen của riêng chúng, được cho là đã phát sinh theo cách này (Hình 5).
Hình 5: Nguồn gốc của ty thể và lục lạp (Nguồn: Nature)
Ty thể và lục lạp có thể tiến hóa từ các sinh vật nhân sơ bị nuốt từng sống như những sinh vật độc lập. Vào một thời điểm nào đó, một tế bào nhân chuẩn nuốt một sinh vật nhân sơ hiếu khí, sau đó hình thành mối quan hệ cộng sinh với sinh vật nhân chuẩn chủ, dần dần phát triển thành một ty thể. Các tế bào nhân chuẩn chứa ty thể sau đó nuốt các sinh vật nhân sơ quang hợp, tiến hóa thành các bào quan lục lạp chuyên biệt.
Tất nhiên, các tế bào nhân sơ cũng tiếp tục tiến hóa. Các loài vi khuẩn và vi khuẩn cổ khác nhau đã thích nghi với các môi trường cụ thể, và các sinh vật nhân sơ này không chỉ sống sót mà còn phát triển mà không cần vật liệu di truyền của chúng trong ngăn riêng của chúng. Ví dụ, một số loài vi khuẩn sống trong các lỗ thông hơi nhiệt dọc theo đáy đại dương có thể chịu được nhiệt độ cao hơn bất kỳ sinh vật nào khác trên Trái đất.
Tổng kết lại:
Tế bào là mẫu số chung nhỏ nhất của sự sống. Một số tế bào là sinh vật riêng biệt; một số khác là một phần của sinh vật đa bào. Tất cả các tế bào đều được tạo thành từ cùng một nhóm phân tử hữu cơ chính: axit nucleic, protein, carbohydrate và lipid. Ngoài ra, tế bào có thể được xếp vào hai loại chính do các sự kiện tiến hóa cổ đại: sinh vật nhân sơ, với bộ gen tế bào chất của chúng, và sinh vật nhân chuẩn, với bộ gen được bao bọc trong nhân và các bào quan liên kết màng khác. Mặc dù nhỏ, nhưng tế bào đã tiến hóa thành nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Cùng nhau, chúng tạo thành các mô, bản thân chúng tạo thành các cơ quan và cuối cùng là toàn bộ sinh vật.
