NHỮNG CƠ THỂ SỐNG CHƯA CÓ CẤU TẠO TẾ BÀO Thuộc nhóm này, có virut và thể ăn khuẩn, là các cơ thể sống chưa có cấu tạo tế bào (còn gọi là cơ thể trước tế bào). Tuy nhiên chúng vẫn có những ñặc trưng cơ bản của cơ thể sống. 1. Virut. Virut ñược D.I Ivanôpski phát hiện lần ñầu tiên vào năm 1892, khi nghiên cứu nguyên nhân gây bệnh khảm thuốc lá.Virut chỉ có thể sống và sinh sản ñược trong tế bào của các sinh vật (kể cả con người). Chúng gây ra nhiều bệnh hiểm nghèo, tác hại lớn ñến sức khoẻ của con người. Như các bệnh cúm, sởi, ñậu mùa, bại liệt ở trẻ em, bệnh dại, bệnh AIDS Virut cũng gây thiệt hại lớn trong nông nghiệp như gây bệnh tả ở lợn; bệnh lở mồm, long móng ở trâu, bò; bệnh xoăn lá ở cà chua; bệnh vàng lụi ở lúa Virut có kích thước rất nhỏ, từ vài chục ñến vài trăm nanômet (nm) (1nm=10 -6 mm). Ví dụ, virut khảm thuốc lá dài 30nm, virut bệnh ñậu mùa là 125 – 200 nm, do ñó phải dùng kính hiển vi ñiện tử với ñộ phóng ñại từ 10 vạn ñến 1 triệu lần mới thấy ñược. Virut có dạng hình que (ña số cácvirut gây bệnh cho cây), hình cầu (virut gây bệnh ñậu mùa) Cấu tạo cơ thể virut rất ñơn giản, thường chỉ gồm một phân tử axit nuclêic (là axit ñeôxiribônuclêic (ADN) hoặc axit ribônuclêic (ARN)) và một vỏ bọc prôtêin. Mỗi loại virut chỉ mang một trong hai loại axit nuclêic trên. Ví dụ, ở virut ñậu mùa là ADN, còn ở virut gây bệnh cúm là ARN. Virut gây bệnh ở người va` ñộng vật thì có cả loại mang ADN và cả loại mang ARN. Mỗi loại virut chỉ kí sinh trong một cơ thể nhất ñịnh. Chúng sống trong tế bào vật chủ, sinh sản và phát triển, cuối cùng phá huỷ tế bào ñó. 2. Thể ăn khuẩn. Ngoài các virut kí sinh trên ñộng vật và thực vật, người ta còn phát hiện ra các virut kí sinh trong tế bào vi khuẩn. Chúng có tên chung là thể ăn khuẩn. Thể ăn khuẩn cũng như mọi virut khác thường bắt ñầu xâm nhập cơ thể vật chủ bằng cách bám trên màng tế bào vật chủ, tiết enzim ñể hoà tan màng rồi tiêm nhân (phân tử ADN) vào trong tế bào, ñể vỏ lại bên ngoài. Vào tế bào vi khuẩn, axit nuclêic của thể ăn khuẩn sinh sản rất nhanh, còn chính vi khuẩn thì sinh tổng hợp ra vỏ prôtêin bao ngoài axit nuclêic từ nguyên liệu của tế bào vật chủ, cho ñến lúc nó bị phá huỷ hoàn toàn. Khi ñó các thể ăn khuẩn thoát ra ngoài và lại tiếp tục xâm nhập vào các vi khuẩn khác. Mỗi loại thể ăn khuẩn thường chỉ kí sinh trong một loại vi khuẩn nhất ñịnh. Do cấu tạo cơ thể rất ñơn giản và sinh sản rất nhanh nên virut và thể ăn khuẩn ñược dùng làm một ñối tượng ñể nghiên cứu sự sống (di truyền, sinh tổng hợp prôtêin, lai ghép gen ). CÁC CƠ THỂ ðƠN BÀO ðây là những cơ thể chỉ cấu tạo bằng một tế bào như vi khuẩn, tảo ñơn bào và nguyên sinh vật. Vì kích thước cơ thể rất nhỏ nên chúng ñược gọi chung là vi sinh vật. 1. Vi khuẩn Vi khuẩn là những cơ thể ñơn bào nhỏ nhất, trung bình từ 1 ñến 5 micrômet (µm) (1µm=10 -3 mm). Vi khuẩn rất ña dạng: hình que (trực khuẩn), hình cầu (cầu khuẩn), hình xoắn (xoắn khuẩn). Cấu tạo cơ thể của chúng rất ñơn giản, chỉ gồm chất nguyên sinh và màng, chưa có nhân rõ rệt. ADN tập trung ở phần giữa tế bào và chưa có màng ngăn cách với phần tế bào chất ở xung quanh. ða số vi khuẩn kí sinh gây bệnh cho thực vật, ñộng vật và người. Ví dụ, trực khuẩn gây bệnh bạch hầu, bệnh thương hàn, bệnh lao; cầu khuẩn gây bệnh lậu; xoắn khuẩn gây bệnh giang mai, bệnh tả Một số hoại sinh, một số có khả năng tự tổng hợp lấy các chất hữu cơ ñể sống nhờ năng lượng của quá trình phân giải các chất ở môi trường xung quanh, hoặc sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời do chúng có một chất tượng tự diệp lục ở cây xanh. Vi khuẩn sinh sản rất nhanh, khoảng 20 phút lại phân chia một lần theo kiểu trực phân. Với tốc ñộ ñó, sau 6 giờ, từ 1 vi khuẩn sẽ cho 250000 vi khuẩn mới trong những ñiều kiện thuận lợi về nhiệt ñộ va` ñộ ẩm. 2. Vi khuẩn lam. Vi khuẩn lam, cũng như vi khuẩn là loại chưa có nhân rõ rệt nên ñược xếp cùng với vi khuẩn vào nhóm có nhân nguyên thuỷ. Vi khuẩn lam là nhóm sinh vật nguyên thuỷ nhất có chứa diệp lục. Ở chúng, chất diệp lục không tập trung trong lục lạp mà tồn tại dưới dạng những hạt nhỏ nằm rải rác trong tế bào chất. 3. Tảo ñơn bào. Một số tảo ñơn bào như tảo lục, tảo vỏ ñã có nhân rõ ràng. Nhờ có diệp lục mà tảo có khả năng tự tổng hợp các chất hữu cơ ñể sống do sử dụng ñược năng lượng của ánh sáng mặt trời. 4. ðộng vật nguyên sinh. Các ñộng vật nguyên sinh có hình dạng và kích thước rất khác nhau; tuy cơ thể cũng chỉ cấu tạo bằng một tế bào nhưng chúng có tổ chức cơ thể phức tạp hơn. Trong tế bào, ngoài nhân còn có nhiều bào quan nằm trong tế bào chất, giữ những nhiệm vụ khác nhau, bảo ñảm sự tiêu hoá, bài tiết và vận ñộng. ða số các ñộng vật nguyên sinh sống tự do, chỉ có một số ít kí sinh và gây bệnh. Gặp ñiều kiện thuận lợi, các ñộng vật nguyên sinh sinh sản và phát triển rất nhanh. Chúng sinh sản chủ yếu bằng cách phân ñôi (trực phân). Khi gặp những ñiều kiện không thuận lợi về ánh sáng, nhiệt ñộ, ñộ ẩm , chúng kết thành bào xác, tạm thời ngừng hoạt ñộng. Khi gặp ñiều kiện thuận lợi, bào xác CẤU TẠO CHUNG CỦA TẾ BÀO NHÂN THỰC Cơ thể ñộng vật, thực vật và người ñều ñược tạo nên từ những ñơn vị cơ sở là tế bào. Tế bào cũng ñồng thời la` ñơn vị chức năng của cơ thể, vì ở mức ñộ tế bào cũng ñã có những hoạt ñộng sinh lý quan trọng như trao ñổi chất, cảm ứng nên có thể xem hoạt ñộng sống của cơ thể ña bào cũng là kết quả tổng hợp của các hoạt ñộng của từng tế bào riêng biệt. Nhờ kính hiển vi ñiện tử với ñộ phóng ñại từ hàng chục vạn ñến hàng triệu lần, cùng với máy li tâm siêu tốc có vận tốc vòng quay tới 5 – 9 vạn vòng/phút, người ta ñã phát hiện ra những cấu trúc mới của tế bào ở mức ñộ siêu hiển vi. Những kết quả nghiên cứu cho thấy các tế bào thực vật, hay vi sinh vật không chỉ giống nhau về cấu tạo ñại thể mà còn về cấu tạo siêu hiển vi của các bào quan, ñiều ñó càng khẳng ñịnh về nguồn gốc chung của sinh giới. ðiểm khác nhau cơ bản giữa tế bào ñộng vật và thực vật là tế bào thực vật có màng xenlulô và các lạp thể, còn ở tế bào ñộng vật không có. CÁC THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA TẾ BÀO 1. Màng sinh chất Màng sinh chất ñược cấu tạo bởi những phân tử prôtêin nằm giữa những phân tử lipit, dài khoảng 70 – 120Å (1Å=10 -7 mm). Màng không chỉ có nhiệm vụ bảo vệ khối sinh chất bên trong mà qua ñó còn thực hiện sự trao ñổi chất giữa tế bào với môi trường trong (quanh tế bào). Chất nguyên sinh nằm trong màng ñược phân hoá thành chất nhân nằm trong nhân và tế bào chất nằm ngoài nhân. 2. Tế bào chất ðây là nơi diễn ra mọi hoạt ñộng sống của tế bào. Ở tế bào của ñộng vật và thực vật còn non, tế bào chất chiếm ñầy khoang tế bào. Ở tế bào thực vật trưởng thành, trong tế bào chất có những không bào. Không bào là những khoang lớn chứa dịch bào, trong ñó có những chất hữu cơ và vô cơ hoà tan. Tế bào chất chia thành 2 lớp: lớp nội chất ở gần nhân và lớp ngoại chất nằm gần màng. Trong tế bào chất có nhiều bào quan thực hiện những chức năng khác nhau. a) Ti thể Ti thể là những thể hình sợi, hình que hay hình hạt. Các tế bào có cường ñộ trao ñổi chất cao, hoạt ñộng sinh lí phức tạp thì có nhiều ti thể (mỗi tế bào có tới 2000 ti thể). Trong ti thể có hệ enzim bảo ñảm cho quá trình hô hấp của tế bào, tạo năng lượng cho mọi hoạt ñộng sống của chúng. b) Lạp thể Lạp thể chỉ có ở tế bào thực vật, gồm có lục lạp, sắc lạp và bột lạp. Trong ñó lục lạp có cấu trúc khá phức tạp và giữ vai trò quan trọng trong quang hợp. c) Trung thể Trung thể nằm gần nhân và có vai trò quan trọng trong sự phân chia tế bào. d) Bộ máy Gôngi Bộ máy Gôngi gồm nhiều tấm màng xếp song song hình cung và những túi có khả năng tập trung các chất tiết, chất cặn bã trong hoạt ñộng sống của tế bào cũng như các chất ñộc từ ngoài ñột nhập vào cơ thể ñể loại ra khỏi tế bào. e) Lưới nội chất (màng nội nguyên sinh) ðây là một hệ thống ống và xoang phân nhánh, nối màng với nhân và các bào quan với nhau. Vách của các xoang và ống có cấu tạo như màng sinh chất. Trên bề mặt lưới nội chất (về phía tế bào chất) có các ribôxôm (vi thể), là bào quan nhỏ nhất, ñường kính chỉ khoảng 100 – 150Å , là nơi tổng hợp nên các phân tử prôtêin. Ngoài các bào quan trên, trong tế bào chất còn có thể vùi là các hạt chất dự trữ và ở tế bào ñộng vật còn có thể lizôxôm (thể hoà tan), có chức năng hoà tan (tiêu hoá) các chất do tế bào hút từ ngoài vào hoặc ở các bào quan trong tế bào và tiết men ra bề mặt tế bào ñể tiêu hoá các chất ở xung quanh hoặc tiêu hoá các tế bào già. Các chức năng trên liên quan ñến hệ men thuỷ phân có trong lizôxôm. 3. Nhân Nhân là trung tâm ñiều khiển mọi hoạt ñộng sống của tế bào, giữ vai trò quan trọng trong sự di truyền. Nhân ñược phân tách với tế bào chất bằng màng nhân, là một màng kép, có cấu tạo giống màng sinh chất. Trên màng nhân có nhiều lỗ nhỏ, ñường kính 300 – 400 Å , qua ñó thực hiện sự trao ñổi chất giữa nhân với tế bào chất. Trong nhân có các nhân con và chất nhiễm sắc. Nhân con là nơi tổng hợp nên ribôxôm cho tế bào chất. NST là vật chất di truyền tồn tại dưới dạng các sợi mảnh (sợi nhiễm sắc). Ở những chỗ sợi bị xoắn kết lại thì có dạng hạt (hạt nhiễm sắc), có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Lúc sắp phân chia tế bào, những sợi này sẽ co ngắn lại và dày lên thành các NST với số lượng và hình thái nhất ñịnh, ñặc trưng cho từng loài. Thành phần của NST là một sự kết hợp phức tạp giữa prôtêin và axit nuclêic (ADN). PHÂN BÀO Tế bào trong cơ thể lớn dần ñến một mức ñộ nhất ñịnh thì bắt ñầu phân chia. Có hai hình thức phân chia tế bào (gọi tắt là phân bào) là trực phân và gián phân. Trực phân là hình thức phân bào rất ñơn giản, trong ñó không có sự hình thành tơ vô sắc nên còn gọi là phân bào không tơ. Ở các cơ thể ña bào, hình thức trực phân chỉ xuất hiện ở trạng thái bệnh lí như ở các tế bào ung thư hoặc trong những ñiều kiện bất lợi, làm cản trở sự hình thành tơ vô sắc.Gián phân là hình thức phân bào phức tạp hơn, thường gặp ở tế bào của cơ thể ña bào. Trong quá trình gián phân có sự hình thành tơ vô sắc trong nhân nên còn gọi là phân bào có tơ. Căn cứ vào số lượng NST ở các tế bào con bằng hay ít hơn so với tế bào mẹ, người ta chia gián phân thành hai kiểu là nguyên phân hay gián phân nguyên nhiễm và giảm phân hay gián phân giảm nhiễm. NGUYÊN PHÂN Ở TẾ BÀO ðỘNG VẬT (Kể cả người) Trải qua một giai ñoạn chuẩn bị (còn gọi là kì trung gian) và 4 kì liên tiếp là kì ñầu, kì giữa, kì sau và kì cuối. 1.Giai ñoạn chuẩn bị. Giai ñoạn này diễn ra trong một thời gian dài khoảng 6 – 10 giờ. ðiều ñáng lưu ý trong giai ñoạn này là sự tự nhân ñôi của NST và trung thể. Mỗi NST lúc này vẫn còn là các sợi mảnh nhưng là một NST kép dính với nhau ở tâm ñộng. Ngoài ra, trong giai ñoạn này tế bào còn tích thêm prôtêin, tăng thêm số lượng các bào quan ñồng thời tích luỹ năng lượng chuẩn bị bước vào phân chia. 2.Kì ñầu Hai trung thể tách nhau, tiến về hai cực của tế bào, xuất hiện thoi vô sắc làm bằng các sợi tế bào chất ñặc (tơ vô sắc), nối giữa hai cực; ñồng thời nhân phồng lên, các NST xoắn lại, co ngắn và hiện rõ. Sau ñó màng nhân và nhân con biến mất. 3. Kì giữa Các NST kép lúc ñầu nằm lộn xộn, dần dần tập trung về mặt phẳng xích ñạo của thoi vô sắc. Lúc này, NST xoắn chặt và co lại ñến mức ngắn nhất và có hình ñặc trưng, ña số có dạng hình chữ V. NST dính với các sợi của thoi vô sắc tại chỗ gấp khúc (tâm ñộng) và quay các ñầu tự do ra ngoài. 4. Kì sau Các NST con trong từng NST kép tách nhau ra ở tâm ñộng, dàn thành hai nhóm tương ñương; sau ñó mỗi nhóm NST con này trượt về một cực theo các sợi của thoi vô sắc. 5. Kì cuối Tại mỗi cực, các NST tiến lại gần nhau, tháo xoắn và duỗi ra trở thành dạng sợi mảnh, khó phân biệt ñược từng NST riêng rẽ như ở kì giữa.Thoi vô sắc biến ñi, màng nhân và nhân con lại xuất hiện tạo thành hai nhân mới, có số NST bằng nhau và bằng số NST của tế bào mẹ. Ở cuối kì sau hoặc ñầu kì cuối, cùng với sự hình thành các nhân mới, tế bào chất cũng bắt ñầu phân chia bằng cách thắt dần ở phân giữa của tế bào mẹ cho ñến lúc thành 2 tế bào con mới hoàn toàn tách biệt nhau. Ý nghĩa sinh học của nguyên phân, giảm phân và thụ tinh - Qua nguyên phân, các tế bào sinh dưỡng của cơ thể duy trì ñược số NST trong tế bào con không ñổi so với tế bào mẹ va` ñó là số NST ñặc trưng cho mỗi loài, ñồng thời duy trì ñược những ñặc tình di truyền của từng loài. Nhờ có sự phân chia liên tục của các tế bào mà cơ thể lớn lên. Tốc ñộ phân chia rất nhanh ở các cơ thể con non. Ở mô phân sinh của thực vật thì sự phân chia ñã làm cho cây mọc dài. - Sự phân bào của các tế bào sinh sản ñều là giảm phân. Tế bào mẹ lưỡng bội trong cơ quan sinh sản sẽ giảm phân ñể cho giao tử ñơn bội. Khi diễn ra quá trình thụ tinh sẽ có sự hoà hợp làm một nửa của 2 giao tử ñơn bội. - Thụ tinh phục hồi lại bộ NST lưỡng bội do sự kết hợp giữa giao tử ñực (n) với giao tử cái (n). Mặt khác trong thụ tinh do sự phối hợp ngẫu nhiên của các loại giao tử khác giới tính mà cũng tạo nên nhiều hợp tử khác nhau về nguồn gốc và chất lượng bộ NST làm tăng tần số các loại biến dị tổ hợp. Mối liên quan giữa nguyên phân, giảm phân và thụ tinh trong quá trình truyền ñạt thông tin di truyền - Nhờ nguyên phân mà các thế hệ tế bào khác nhau vẫn chứa ñựng các thông tin di truyền giống nhau, ñặc trưng cho loài. - Nhờ giảm phân mà tạo nên các giao tử ñơn bội ñể khi thụ tinh sẽ khôi phục lại trạng thái lưỡng bội. - Nhờ thụ tinh ñã kết hợp bộ NST ñơn bội trong tinh trùng với bộ NST ñơn bội trong trứng ñể hình thành bộ NST 2n, ñảm bảo việc truyền thông tin di truyền từ bố mẹ cho con cái ổn ñịnh tương ñối. - Nhờ sự kết hợp của 3 quá trình trên mà tạo ñiều kiện cho các ñột biến có thể lan rộng chậm chạp trong loài ñể có dịp biểu hiện thành kiểu hình ñột biến. CÁC ðẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA NST MÀ CÓ THỂ ðƯỢC COI LÀ CƠ SỞ VẬT CHẤT CỦA DI TRUYỀN Ở CẤP ðỘ TẾ BÀO - NST là cấu trúc mang gen: + NST chứa ADN, ADN mang thông tin di truyền, gen phân bố trên NST, mỗi gen chiếm một vị trí nhất ñịnh gọi là locut. Người ta ñã xây dựng ñược bản ñồ di truyền của các gen trên từng NST của nhiều loài. + Những biến ñổi về số lượng và cấu trúc NST sẽ gây ra những biến ñổi về các tính trạng. ðại bộ phận các tính trạng ñược di truyền bởi các gen trên NST. - NST có khả năng tự nhân ñôi: Thực chất của sự nhân ñôi NST là nhân ñôi ADN vào kì trung gian giữa 2 lần phân bào ñảm bảo ổn ñịnh vật chất di truyền qua các thế hệ. - Sự tự nhân ñôi của NST, kết hợp với sự phân li tổ hợp của NST trong giảm phân và thụ tinh là cơ chế di truyền ở cấp ñộ tế bào, ñối với các loài giao phối. Ở các loài sinh sản sinh dưỡng nhờ cơ chế nhân ñôi, phân chia ñồng ñều các NST về 2 cực tế bào là cơ chế ổn ñịnh vật chất di truyền trong một ñời cá thể ở cấp ñộ tế bào. Với những ñặc tính cơ bản trên của NST, người ta ñã xem chúng là cơ sở vật chất của di truyền ở cấp ñộ tế bào. CÁC CÔNG THỨC TỔNG QUÁT SỬ DỤNG ðỂ GIẢI BÀI TẬP 1. Số lượng NST ñơn mới cung cấp cho nguyên phân. - Nguyên liệu cung cấp tương ñương:(2 k – 1)2n (1) - Nguyên liệu cung cấp tạo nên các NST ñơn có nguyên liệu mới hoàn toàn:(2 k – 2)2n (2) 2. Số lượng thoi tơ vô sắc ñược hình thành (hoặc bị phá huỷ) ñể tạo ra các tế bào con sau k ñợt nguyên phân: (2 k – 1) (3) 3. Số lượng NST ñơn môi trường cung cấp cho 2 k tế bào sinh tinh hoặc sinh trứng qua giảm phân ñể tạo ra tinh trùng hoặc trứng: 2 k .2n (4) 4. Số lượng thoi tơ vô sắc hình thành (hoặc phá huỷ) ñể cho 2 k tế bào sinh dục thực hiện giảm phân: 2 k .3 (5) 5. Số tinh trùng hình thành khi kết thúc giảm phân của 2 k tế bào sinh tinh trùng: 2 k .4 (6) 6. Số lượng trứng hình thành khi kết thúc giảm phân của 2 k tế bào sinh trứng là: 2 k (7) 7. Số loại trứng (hoặc số loại tinh trùng) tạo ra khác nhau về nguồn gốc NST: 2 n (n là số cặp NST) (8) 8. Số cách sắp xếp NST ở kỳ giữa I của giảm phân: Có 1 cặp NST → có 1 cách sắp xếp Có 2 cặp NST → có 2 cách sắp xếp Có 3 cặp NST → có 4 cách sắp xếp (9) Vậy nếu có n cặp NST sẽ có 2 n /2 cách sắp xếp NST ở kì giữa I. 9. Số loại giao tử tạo ra khi có trao ñổi ñoạn. - Trường hợp 1: loài có n cặp NST mà mỗi cặp NST có cấu trúc khác nhau trong ñó có k cặp NST mà mỗi cặp có trao ñổi ñoạn tại một ñiểm với ñiều kiện n>k: Số loại giao tử = 2 n + k (10) - Trường hợp 2: Loài có n cặp NST, có Q cặp NST mà mỗi cặp có 2 trao ñổi ñoạn không xảy ra cùng lúc với n > Q: Số loại giao tử = 2 n .3 Q (11) - Trường hợp 3: loài có n cặp NST, có m cặp NST mà mỗi cặp có 2 trao ñổi ñoạn không cùng lúc và 2 trao ñổi ñoạn cùng lúc: Số loại giao tử: 2 n + 2m (12) 10. Số loại giao tử thực tế ñược tạo ra từ một tế bào sinh tinh hoặc một tế bào sinh trứng: - Từ một tế bào sinh tinh trùng: + Không có trao ñổi ñoạn: 2 loại tinh trùng trong tổng số 2 n loại (13) + Có trao ñổi ñoạn 1 chỗ trên k cặp NST của loài: có 4 loại tinh trùng trong tổng số 2 n + k loại (14) +Có trao ñổi ñoạn 2 chỗ không cùng lúc trên Q cặp NST của loài: có 4 loại tinh trùng trong tổng số n n .3 Q (15) + Có trao ñổi ñoạn 2 chỗ cùng lúc và 2 chỗ không cùng lúc: có 4 loại tinh trùng trong tổng số 2 n + 2m (16) - Từ một tế bào sinh trứng: Thực tế chỉ tạo ra một loại trứng trong tổng số loại trứng ñược hình thành trong mỗi trường hợp:1/2 n , 1/2 n+k , 1/2 3 .3 Q , ½ n+2m , 16. Số lượng tế bào con ñơn bội ñược tạo ra sau giảm phân. - Ở tế bào sinh tinh và sinh trứng, mỗi tế bào sau khi kết thúc giảm phân tạo ñược 4 tế bào ñơn bội. Vậy nếu có 2 k tế bào bước vào giảm phân thì ở ñộng vật sẽ tạo ra: 2 k x 4 tế bào ñơn bội (22) - Ở thực vật mỗi tế bào sinh hạt phấn, khi kết thúc giảm phân tạo ra ñược 4 tế bào ñơn bội, mỗi tế bào này tiếp tục nguyên phân 2 lần chỉ tạo nên 3 tế bào ñơn bội, hình thành nên hạt phấn chín. Vậy số lượng tế bào ñơn bội tạo ra từ 2 k tế bào thành hạt phấn bằng: 2 k x 4 x 3 = 2 k x 12 (23) ðối với tế bào sinh noãn cầu, mỗi tế bào sau khi kết thúc giảm phân tạo ra 4 tế bào ñơn bội trong ñó có một tế bào kích thước lớn lại tiếp tục nguyên phân liên tiếp 3 ñợt vừa ñể tạo ra 8 tế bào con ñơn bội, trong ñó có 1 tế bào trứng chín. Vậy nếu có 2 k tế bào sinh noãn khi kết thúc quá trình tạo giao tử sẽ tạo ñược một số lượng tế bào ñơn bội bằng: 2 k x 3 + 2 k x 8 = 2 k x 11 (24) TRAO ðỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG VAI TRÒ CỦA TRAO ðỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Sự tồn tại và phát triển của các cơ thể, từ lúc sinh ra ñến lúc bị huỷ diệt, có 4 ñặc trưng cơ bản là trao ñổi chất và năng lượng với môi trường, sinh trưởng và phát triển, sinh sản, cảm ứng và vận ñộng. Các ñặc trưng ñó liên quan mật thiết với nhau 1. Sự lệ thuộc của sinh trưởng và phát triển vào trao ñổi chất và năng lượng. Khởi ñiểm của một ñộng vật hoặc thực vật ña bào sinh sản theo kiểu hữu tính chỉ là một hợp tử nhỏ bé. Ví dụ, ở người, hợp tử là một khối hình cầu có ñường kính khoảng 0,13 mm , nhưng khi ñứa bé sinh ra ñã nặng 3kg va` ñến lúc trưởng thành nặng tới 45 – 55 kg; cây mít lúc mới mọc chỉ cao vài centimet, sau 5 – 7 năm ñã cao 7 – 8 m. Như vậy, mọi sinh vật, khi mới sinh ñều có kích thước và khối lượng bé, nhưng ñến lúc trưởng thành thì to, nặng hơn nhiều lần. Chính nhờ có quá trình trao ñổi chất và năng lượng với môi trường mà cơ thể sinh vật lớn lên. Trong cơ thể người, mỗi giây ñồng có khoảng 10 triệu hồng cầu già bị huỷ ở gan va` ñược thay thế bằng 10 triệu hồng cầu trẻ sinh ra từ tuỷ xương. Mỗi người có thể ñổi mới một nửa số hồng cầu của mình sau khoảng 27 ngày. Hàng năm những cây như cây phượng, cây bàng ñều rụng trụi lá về mùa ñông, sang mùa xuân, lá non lại mọc. Vậy ngay ñối với những cơ thể ñã ngừng tăng trưởng vẫn có sự phân huỷ và tổng hợp liên tục chất sống, ñòi hỏi cơ thể phải trao ñổi chất và năng lượng với môi trường. Rõ ràng là nhờ quá trình trao ñổi chất và năng lượng với môi trường, sinh vật mới sinh trưởng và phát triển ñược. 2. Sự lệ thuộc của sinh sản vào trao ñổi chất và năng lượng Gà Lơgo ñẻ 260 – 280 trứng trong một năm, mỗi trứng nặng khoảng 40g. Tổng cộng mỗi năm, gà Lơgo ñẻ gần 11 kg trứng, trong khi bản thân nó chỉ nặng khoảng 3 kg. Nhưng nếu ta ngừng cung cấp thức ăn thì sự ñẻ trứng của gà sẽ bị rối loạn, gà ngừng ñể. Ở chuột cũng vậy, nếu khi mang thai mà thiếu vitamin E, thai sẽ thoái hoá. Vậy hoạt ñộng sinh sản của sinh vật cũng lệ thuộc vào quá trình trao ñổi chất và năng lượng. 3. Sự lệ thuộc của khả năng cảm ứng - vận ñộng vào trao ñổi chất và năng lượng ðộng vật có xương sống ăn thiếu vitamin A, sẽ mắc chứng “quáng gà” vì thiếu nguyên liệu tổng hợp sắc tố rêtinen trong các tế bào cảm quang của mắt. Người không ăn ñủ chất ñường, bột ñể bảo ñảm mức 1,2g glucô trong một lít máu thì sẽ mất khả năng vận ñộng cơ thể thực hiện các phản xạ trả lời kích thích của môi trường. Tóm lại, trao ñổi chất và năng lượng la` ñiều kiện tồn tại và phát triển bình thường của cơ thể sống. ðẶC ðIỂM TRAO ðỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở SINH VẬT 1. Tính tất yếu của trao ñổi chất và năng lượng ở sinh vật Trong giới vô sinh cũng có hiện tượng trao ñổi chất và năng lượng. Một cục sắt không phủ sơn chống gỉ hoặc không mạ kền, sẽ thu nhận ôxi của không khí và hơi nước biến dần thành gỉ sắt. Vôi sống ñặt ở nơi ẩm ướt, sẽ hút hơi nước của môi trường và trở thành vôi tôi. Năm 1780, nhà hoá học Pháp Lavoazie ñặt trong 2 chuông thuỷ tinh úp kín một cây nến ñang cháy và một con chuột. Nến cháy và chuột thở. Cả hai ñều lấy ôxi từ không khí và thải khí cacbonic vào không khí. Khi ôxi ở trong 2 chuông hết thì nến tắt và chuột cũng chết. Như vậy, cả vật vô sinh (cây nến) và sinh vật (con chuột) ñều có sự trao ñổi chất và năng lượng. Tuy nhiên, sự trao ñổi chất và năng lượng ấy có một ñiểm khác nhau căn bản: Sự trao ñổi chất ñã làm cho vật vô sinh (sắt, vôi, nến ) bị biến chất, cuối cùng bị huỷ hoại. Trái lại, chính nhờ trao ñổi chất với môi trường mà sinh vật mới tồn tại và phát triển, nếu trao ñổi chất ngừng thì sinh vật sẽ không tồn tại nữa. 2. Tính chọn lọc của trao ñổi chất và năng lượng ở sinh vật Qua quá trình tiến hoá, trong một môi trường xác ñịnh, mỗi sinh vật ñều thích nghi với một kiểu trao ñổi chất và năng lượng xác ñịnh (với một số chất và dạng xác ñịnh). Ví dụ, bo chỉ ăn cỏ; hổ, báo chỉ ăn thịt; mọt chỉ ăn gỗ. Ngay ñối với các chất ñã ñược sinh vật lấy vào ống tiêu hoá, vẫn có sự chọn lọc cuối cùng qua màng tế bào ruột. Ví dụ, khi màng nhày ống tiêu hoá không bị xây xát hoặc huỷ hoại, nếu ta uống phải nọc rắn ñộc vẫn không chết, vì màng ruột không hấp thụ nọc rắn vào máu. Vậy trao ñổi chất và năng lượng mang tính chất chọn lọc ñối với từng loại thức ăn và tuỳ từng loại sinh vật. SỰ TRAO ðÔI CHẤT Ở MÀNG TẾ BÀO SỰ TRAO ðỔI NƯỚC VÀ CÁC CHẤT HOÀ TAN TRONG NƯỚC Những chất trao ñổi giữa tế bào và môi trường thường hoà tan trong dung môi (nước). Dung môi và các chất tan ñược thấm qua màng tế bào nhờ hiện tượng thẩm thấu (ñối với dung môi) và thẩm tách (ñối với chất tan). Ta lấy một phễu thuỷ tinh có cuống dài, bịt kín miệng phễu bằng một tờ giấy keo, ñổ vào trong phễu dung dịch CuSO4 20%, úp ngược phễu trong một chậu nước cất. Quan sát ta sẽ thấy: Thời gian thí nghiệm Mức nước dâng lên trong ống (cm) Màu nước trong chậu 3h30' 3 Xanh nhạt 4 ngày 20,5 Xanh như trong phễu 10 ngày 10 Xanh như trong phễu 12 ngày 0 Xanh như trong phễu Vậy nước cất trong chậu ñã thấm qua màng keo ñể vào phễu, do bị chất CuSO 4 thu hút. Sau ñó, ñến CuSO 4 cũng thấm qua màng keo ñể ra ngoài, cuối cùng phân phối ñều trong cả khối nước trong phễu và ngoài chậu. Thí nghiệm này có thể lặp lại với nhiều dung dịch khác, như muối hoặc ñường. Ta cũng sẽ thấy, thoạt ñầu muối hoặc ñường sẽ thu nước qua màng vào phễu. Về sau muối hoặc ñường (chất hoà tan) sẽ lọt dần qua màng ñể ra ngoài. Sự thẩm thấu xảy ra khi có sự chênh lệch về nồng ñộ giữa dung dịch trong và ngoài màng. Nước bao giờ cũng thấm từ nơi loãng (nhược trương) sang nơi ñậm (ưu trương). SỰ TRAO ðỔI KHÔNG KHÍ Các chất khí ñược trao ñổi qua màng tế bào dưới dạng hoà tan trong nước.Ví dụ, tế bào da ướt của giun ñất và ếch ñều hấp thu ñược O 2 và thải CO 2 ; gặp tiết trời nóng và hanh, da khô lại, hô hấp sẽ ngừng. Sự trao ñổi khí qua màng tế bào của phế bào và tế bào thành mạch máu cũng thực hiện nhờ sự chênh lệch nồng ñộ, tức tỉ lệ hoà tan. Ví dụ, tỉ lệ hoà tan của O 2 trong nước phế bào là 14 – 15%, trong máu ñến phổi là 10 – 12% nên O 2 thẩm tách từ phế bào vào máu; tỉ lệ hoà tan của CO 2 trong nước phế bào là 5 – 6%, trong máu ñến phổi là 55 – 57%, nên CO 2 thẩm tách từ máu ra phế bào. ðẶC TÍNH CỦA MÀNG TẾ BÀO 1. Tính chọn lọc của màng Màng của mỗi loại tế bào chỉ cho lọt qua một số chất xác ñịnh. ðó là tính chọn lọc của màng tế bào. Nguyên nhân chủ yếu của tính chọn lọc là do tương quan giữa ñường kính các lỗ màng của mỗi loại tế bào so với ñường kính của các phân tử chất hoà tan. Ví dụ, ñường kính các lỗ màng của tế bào quản cầu thận các loài thú là 18 - 50Å, nên không ñể lọt từ máu vào nước tiểu các phân tử prôtêin có khối lượng phân tử quá 40000. Nhưng lỗ màng tế bào quản cầu các loài chuột ñồng lớn tới 60 - 70Å, nên ñã ñể lọt vào nước tiểu các phân tử prôtêin có khối lượng phân tử 60000. Ngoài ra màng còn là chất sống nên có thể có khả năng “lựa chọn” giữa những chất, cho hoặc không cho chúng lọt qua. 2. Khả năng hoạt tải của màng tế bào Trong sự khuếch tán lí học, chiều ñi của các chất hoà tan là từ nơi nồng ñộ cao ñến nơi nồng ñộ thấp. ðối với các tế bào sống, sự hấp thụ và thải một số chất có thể ngược dốc nồng ñộ. Ví dụ, tại quản cầu thận, urê trong nước tiểu ñậm ñặc gấp 65 lần trong máu; các phôtphat gấp 16 lần và các sunphat gấp 90 lần nhưng các chất ấy vẫn thấm qua màng từ máu vào nước tiểu; tại ống thận, tuy nồng ñộ glucô trong nước tiểu thấp hơn trong máu (1,2g/l) nhưng glucô trong nước tiểu vẫn ñược thu hồi trở về máu. Như vậy là màng tế bào sống có thể chủ ñộng vận chuyển một số chất ngược với sự khuếch tán lí học. ðó là khả năng hoạt tải của màng tế bào. 3. Khả năng biến dạng của màng tế bào ðối với một số chất có kích thước lớn, không lọt qua lỗ màng ñược, sự trao ñổi chất có thể thực hiện ñược nhờ sự biến dạng tích cực của màng. Thoạt ñầu, màng lõm xuống ở chỗ tiếp xúc với thức ăn. Chỗ lõm sâu dần thành túi và tách thành không bào chứa chất lấy vào. Nếu chất lấy vào không bào chỉ là dịch của môi trường sống, thì ñó là sự ẩm bào (uống). SỰ CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG SỰ CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG TRONG TẾ BÀO 1. Khái niệm cơ bản về sự chuyển hoá năng lượng Năng lượng tồn tại dưới 2 trạng thái: trạng thái ẩn dấu, gọi là thế năng và trạng thái bộc lộ tác dụng gọi là hoạt năng. Ví dụ, năng lượng vốn có trong củi là thế năng; khi củi cháy làm cho nước nóng lên, thế năng biến thành hoạt năng. 2. Quá trình chuyển hoá năng lượng trong tế bào a. Sự ñồng hoá Muốn tổng hợp một chất hữu cơ phức tạp từ những phân tử ñơn giản, tế bào cần có năng lượng ñể liên kết các phần tử ñơn giản ñó lại với nhau. Chừng nào chất hữu cơ ấy còn tồn tại thì năng lượng ñã lấy vào cũng còn tồn tại ngay trong lòng chất hữu cơ ñã ñược tổng hợp. Do ñó, mọi liên kết hoá học dều chứa thế năng. Như vậy, ñồng hoá là quá trình tổng hợp từ các chất ñơn giản thành các chất hữu cơ ñặc trưng cho từng loại tế bào của cơ thể, thực hiện ñồng thời với quá trình tích luỹ thế năng b. Sự dị hoá Ngược lại, khi phân huỷ một chất hữu cơ phức tạp thành những phân tử ñơn giản, các liên kết hoá học nói trên sẽ bị phá vỡ. Lúc ñó, thế năng cần ñể bảo ñảm mối liên kết các phân tử hoá học; bây giờ các liên kết ấy bị phá vỡ nên thế năng ñược giải phóng thành hoạt năng. Do ñó, mọi quá trình phân giải chất hữu cơ trong tế bào ñều tạo hoạt năng. Như vậy, dị hoá là quá trình phân giải các chất hữu cơ ñặc trưng của cơ thể (thực hiện trong từng tế bào) thành các chất ñơn giản, thực hiện ñồng thời với quá trình chuyển hoá thế năng thành hoạt năng. SỰ CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG TRONG SINH GIỚI Sự chuyển hoá năng lượng trong sinh giới có thể chia làm 3 giai ñoạn: 1. Quang hợp Nguồn năng lượng khởi ñầu của sinh giới là năng lượng mặt trời (quang năng). Cây xanh nhờ có chất diệp lục trong lá thu nhận quang năng trong quá trình quang hợp ñã tổng hợp nên chất sống (chủ yếu là gluxit) từ các phân tử CO 2 và H 2 O.Như vậy, cây xanh ñã chuyển hoá hoạt năng của mặt trời thành thế năng của các liên kết hoá học trong phân tử gluxit. ðộng vật không có khả năng nhận năng lượng trực tiếp của mặt trời. Chúng lấy năng lượng (hoá năng) sẵn có trong thức ăn. 2. Hô hấp Mọi liên kết trong sinh chất ñều chứa thế năng, nhưng nhờ quá trình hô hấp mà thế năng này biến thành năng lượng hoạt ñộng (hoạt năng), vì thế nên trong quá trình tiến hoá, cơ thể sinh vật ñã hoàn chỉnh dần chức năng hô hấp. Nhìn bề ngoài, hô hấp là sự lấy O 2 và thải CO 2 , nhưng về thực chất, ñó là một chuỗi dài các phản ứng nội bào ñể chuyển hoá các sinh chất thành một sản phẩm dễ phân huỷ và cho nhiều năng lượng, gọi là añenôzin triphôtphat (ATP). ATP ñược chế tạo trong ti thể của mọi tế bào. 3. Huy ñộng năng lượng Trong hoạt ñộng sống, cơ thể cần huy ñộng năng lượng liên tục ñể bảo ñảm các quá trình tổng hợp chất mới va` ñể sinh công. Trong ATP, có 3 phân tử P (photphat). ðể liên kết mỗi phân tử P, cơ thể ñã tiêu dùng 7 kcal. Do ñó khi chuyển hoá ATP thành añenôzinñiphotphat (ADP) chứa 2 phân tử P, cơ thể ñã phá vỡ một liên kết P, nên thu hồi ñược 7 kcal, ñể sinh ra công. Nhưng công ñó là: công hoá học khi tổng hợp chất sống, công cơ học trong co cơ, công hoạt tải các phân tử hoà tan qua màng tế bào khi ñi ngược chiều nồng ñộ. Cuối cùng hoá năng ñược biến thành nhiệt năng và toả vào môi trường. Sự chuyển hoá năng lượng trong sinh giới có thể tóm tắt theo sơ ñồ dưới ñây. Mặt trời ↓ Quang hợp Quang hợp ở cây xanh ↓ Hoá năng trong các liên kết hữu cơ Hô hấp nội bào ↓ Hoá năng trong các liên kết ATP Hoạt ñộng sống cần năng lượng ( T ổng hợp các chất v à sinh công) ↓ Nhi ệt n ăng Môi trường ENZIM TÁC DỤNG CỦA ENZIM TRONG SỰ CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT Enzim là những chất xúc tác sinh học có hiệu quả cao, tác ñộng trong những ñiều kiện phù hợp với sự sống. CƠ CHẾ HOẠT ðỘNG CỦA ENZIM Thoạt ñầu, enzim liên kết với cơ chất ñể tạo thành một hợp chất trung gian gọi là “enzim – cơ chất”. Cuối phản ứng, hợp chất ñó sẽ cho phân huỷ ñể cho sản phẩm của phản ứng và giải phóng enzim nguyên vẹn. Enzim ñược giải phóng lại có thể xúc tác phản ứng trên cơ chất mới. Ví dụ, Mikêlic tách từ củ cải ñen loại enzim peñôxiñaza màu nâu, ñem trộn với cơ chất là perôxi hiñrô (chất ñộc ñược tạo thành trong hoạt ñộng sống của tế bào), thì thu ñược một enzim-cơ chất màu lục, về sau chuyển sang màu ñỏ nhạt. Cuối phản ứng, enzim-cơ chất lại phân giải thành enzim perôxiñaza màu nâu như cũ và sản phẩm của phản ứng. ðẶC TÍNH CỦA ENZIM 1. Hoạt tính mạnh Chất ñộc perôxi hiñrô trong tế bào ñều bị phân huỷ khi dùng sắt hoặc enzim catalaza làm chất xúc tác. Tuy nhiên, nếu dùng sắt thì phải mất 300 năm 1 phân tử sắt mới phân huỷ ñược một lượng perôxi hiñrô bằng 1 phân tử enzim catalaza (chiết từ gan bò) phân huỷ trong 1 giây ñồng hồ.Bình thường, ở 0 o C, trong một phút 1 phân tử enzim catalaza có thể phân huỷ ñược 5 triệu phân tử cơ chất perôxi hiñrô. 2. Tính chuyên hoá cao Các enzim khác nhau về tính chuyên hoá, tức là về cơ chất chịu tác dụng của enzim. ða số enzim chuyên hoá tuyệt ñối. Ví dụ, enzim urêaza chỉ phân huỷ urê trong nước tiểu, mà không tác dụng lên bất cứ chất nào khác.Một số enzim khác chuyên hoá tương ñối, nghĩa là có thể tác dụng lên nhiều chất có cấu trúc hoá học gần giống nhau. Ví dụ, trong quá trình sống, nhiều tế bào trong cơ thể ñộng vật và thực vật ñều sản xuất chất ñộc perôxi hiñrô, với những dạng khác nhau, tuỳ loài. Tuy nhiên, ta có thể nghiền một ít khoai tây, củ cải hoặc củ cải ñường rồi thêm vào mỗi thứ một ít enzim perôxiñaza. Trong cả 3 trường hợp, perôxi hiñrô ñều ñược enzim biến ñổi thành H 2 O và CO 2 . 3. Sự phối hợp hoạt ñộng giữa các enzim Các enzim thường tác dụng phối hợp: sản phẩm của phản ứng enzim trước sẽ là cơ chất cho phản ứng enzim sau. Có thể hình dung tế bào như một nhà máy có nhiều dây truyền lắp ráp và tháo dỡ, hoạt ñộng ñồng thời. Ví dụ, ta có thể chiết từ hạt lúa mạch ñang nảy mầm hai loại enzim là amilaza, chuyển hoá tinh bột mantô (mạch nha), và mantaza, chuyển hoá mantô vừa tạo ra thành glucô.Trong quá trình biến ñổi glucô thành axit lactic cần tới 11 loại enzim tác dụng lần lượt theo một trình tự xác ñịnh. Trong tế bào của cơ thể ñộng vật và thực vật có ñủ 11 loại enzim ñó. 4. Các dạng tồn tại của enzim trong tế bào. a. Dạng hoà tan Nhiều enzim chỉ ñơn giản hoà tan trong tế bào chất. Ví dụ, từ các tế bào gan nghiền nát, có thể chiết ñược một chất dịch hoà tan ñủ cả 11 enzim xúc tác cho sự chuyển hoá glucô thành axit lactic. b. Dạng liên kết Một số enzim liên kết chặt chẽ với những bào quan xác ñịnh của các tế bào.Ví dụ,các enzim hô hấp xúc tác cho sự phân giải axit lactic thành CO 2 ñều liên kết với các ti thể; các enzim xúc tác cho sự tổng hợp prôtêin liên kết với các ribôxôm. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ðẾN HOẠT ðỘNG CỦA ENZIM 1. Nhiệt ñộ Ở giới hạn nhiệt ñộ của cơ thể sống, nói chung tác dụng của enzim tuân theo ñịnh luật Van Hôp, nghĩa là nếu nhiệt ñộ tăng 10 o C thì vận tốc phản ứng sẽ tăng gấp ñôi.ða số enzim của cơ thể ñộng vật ñẳng nhiệt hoạt ñộng tối ưu trong ñiều kiện nhiệt ñộ bình thường của cơ thể (khoảng 37 o C). Nếu bị ñun nóng tới 50 o C – 60 o C thì enzim mất hẳn hoạt tính và chết.Riêng enzim ở các loại vi khuẩn lam sống trong các suối nước nóng ở Mỹ, Ôxtrâylia, thì chịu ñược nhiệt ñộ tới 100 o C. Enzim bị làm lạnh thì không mất hẳn hoạt tính, mà chỉ giảm hoặc ngừng tác ñộng. Khi nhiệt ñộ ấm lên, enzim lại hoạt ñộng. 2. ðộ pH Mỗi enzim hoạt ñộng trong giới hạn pH xác ñịnh. Ví dụ, enzim pepxin tiêu hoá prôtêin trong dạ dày, chỉ hoạt ñộng trong môi trường chất chua (pH=2), trái lại, enzim tripxin do tuyến tụy tiết ra, cũng phân giải prôtêin nhưng trong môi trường kiềm (pH=8,5). 3. Nồng ñộ enzim và cơ chất Vận tốc phản ứng tỉ lệ thuận với nồng ñộ enzim trong ñiều kiện pH và nhiệt ñộ không ñổi và cơ chất dư thừa. Enzim càng ñậm ñặc, phản ứng càng tiến hành nhanh chóng. Nhưng trong ñiều kiện pH, nhiệt ñộ và nồng ñộ enzim không ñổi thì vận tốc ban ñầu của phản ứng tỉ lệ với nồng ñộ cơ chất ñến một giới hạn nhất ñịnh thì giảm dần. 4. Nhu cầu năng lượng Về lý thuyết, các phản ứng do enzim kiểm soát là thuận - nghịch (phân giải và tổng hợp). Bình thường enzim chỉ làm tăng vận tốc phản ứng nhưng không quyết ñịnh chiều phản ứng. Tuy nhiên, muốn phản ứng thực hiện theo chiều nghịch (tổng hợp), chỉ cần cung cấp năng lượng thích ñáng. Trong quá trình enzim chuyển hoá thức ăn trong ống tiêu hoá, không có sự cung cấp năng lượng nên mọi phản ứng do enzim ñiều khiển ñều thuận. Ví dụ, enzim lipaza chỉ phân huỷ chất béo trong thức ăn thành glixêrin và axit béo, chứ không tái tổng hợp ñược chất béo từ glixêrin và axit béo vừa mới hình thành, khi thức ăn ñã ñược tiêu hoá. CÁC PHƯƠNG THỨC TRAO ðỔI CHẤT SỰ TIẾN HÓA THÍCH NGHI CỦA CÁC PHƯƠNG THỨC TRAO ðỔI CHẤT 1. Sự thích nghi của cấu tạo cơ thể ðối với các cơ thể ñơn bào và các tế bào tự do của những cơ thể ña bào (như bạch cầu) thì sự trao ñổi chất giữa cơ thể và môi trường là trực tiếp, thực hiện qua màng nhờ hiện tượng thẩm thấu, thẩm tách và vận chuyển có tiêu dùng năng lượng. Một số cơ thể lấy thức ăn nhờ vận ñộng, qua hiện tượng ẩm bào hoặc thực bào. ðối với các sinh vật ña bào, do có những tế bào nằm sâu bên trong, mất liên lạc với môi trường nên sự trao ñổi chất trở thành gián tiếp. Ở những cơ thể này ñã hình thành một hệ thống cơ quan chuyên trách việc trao ñổi chất và năng lượng, như các cơ quan tiêu hoá, hô hấp, bài tiết, nội tiết Trong cơ thể thực vật, lá giữ việc thu nhận CO 2 và thải O 2 (quang hợp), hoặc ngược lại (hô hấp) ; hệ rễ hút nước và các chất hoà tan. Như vậy, các phương thức trao ñổi chất và năng lượng từ cơ thể ñơn bào ñến ña bào ñã trở nên hoàn chỉnh hơn nhờ sự chuyên hoá cao của các cơ quan dinh dưỡng. 2. Sự thích nghi với môi trường. Những sinh vật ñầu tiên phát sinh trong nước có hoà tan muối khoáng. Khi các cơ thể ña bào hình thành, sự trao ñổi chất và năng lượng vẫn thực hiện chủ yếu trong các tế bào. Môi trường sống của mọi tế bào vẫn là những dung dịch muối khoáng. Ở cơ thể ñộng vật, các dịch ñó là nước mô, bạch huyết, máu và ở thực vật là nhựa cây, các quá trình chuyển hoá nội bào ít thay ñổi.Hướng tiến hoá thích nghi môi trường thể hiện rõ nét nhất ở các phương thức trao ñổi chất với môi trường. Ví dụ, lá mọc trên cành cây theo lối xen kẽ, nhờ ñó bề mặt lá nhận ñược ánh sáng Mặt Trời ở mức tối ña. Lá cây ở những vùng khô cằn, thiếu nước như ở sa mạc, biến thành gai nên hạn chế diện tích bốc hơi nước vào không khí. Hệ tiêu hoá của mỗi loại ñộng vật cũng thích nghi dần với một loại thức ăn. Ví dụ, muỗi có vòi châm dài và nhọn nên hút ñược máu; bò có dạ dày 4 túi nhờ ñó mà chứa và tiêu hoá cỏ tốt; thỏ có manh tràng phát triển nên tận dụng ñược thức ăn thực vật. Phương thức trao ñổi khí của thực vật cũng biến ñổi theo hướng thích nghi với môi trường. Ví dụ, ñộng vật ở nước thở bằng mang ; các loài ếch, nhái lúc nhỏ ở nước thở bằng mang, sau lên ở trên cạn thì thở bằng da và phổi; chim và thú thở bằng phổi. SỰ PHÂN HOÁ CỦA CÁC PHƯƠNG THỨC TRAO ðỔI CÁC PHƯƠNG THỨC TRAO ðỔI CHẤT Như ta ñã biết, nguồn năng lượng khởi ñầu duy nhất của toàn bộ sinh giới là năng lượng Mặt Trời. Mỗi năm, Mặt Trời toả xuống Trái ðất chừng1024Kcal năng lượng, dưới dạng ánh sáng (quang năng). Quang hợp là phương thức tiếp nhận quang năng ñể chuyển hoá thành hoá năng, dự trữ trong các liên kết hoá học của chất sống. Cụ thể là khả năng tổng hợp từ các phân tử ñơn giản như CO 2 , H 2 O và một số chất vô cơ hoà tan trong nước thành những chất phức tạp hơn, ñặc trưng cho từng loài sinh vật. 1. Sinh vật tự dưỡng a. Cây xanh Tất cả các cây xanh, nhờ có một sắc tố ñặc biệt trong lá là diệp lục nên ñã sử dụng ñược quang năng ñể phân huỷ CO 2 và H 2 O, rồi giữ lại C, O và H ñể từ ñó tổng hợp những chất hữu cơ phức tạp, chủ yếu là gluxit. Theo tính toán hiện nay, mỗi năm toàn bộ cây xanh trên trái ñất (kể cả trên cạn và dưới nước) có thể tổng hợp ñược gần 200 tỷ tấn gluxit (trên cạn: 20 tỷ tấn; dưới nước, chủ yếu là tảo biển: 180 tỷ tấn). Dạng gluxit phổ biến nhất trong cây xanh là glucô. ðể tạo thành 180g glucô, cây cần khoảng 674Kcal quang năng. Như vậy mỗi năm cây xanh ñã tiêu thụ tới 1019 kcal năng lượng mặt trời ñể tạo ra toàn bộ sinh khối có nguồn gốc thực vật. Thực ra, số năng lượng ñó mới chỉ chiếm 10-5 tổng số năng lượng mặt trời toả xuống trái ñất hàng năm. b. Vi khuẩn Ngay từ năm 1883, Engenman ñã phát hiện ra vi khuẩn tía cũng có khả năng quang hợp ñể tạo ra chất hữu cơ bằng một phương thức ñặc biệt. Năm 1887, Vinôgratxki phát hiện ra vi khuẩn hoá hợp cũng tạo ra ñược chất hữu cơ từ CO 2 mà không cần năng lượng ánh sáng mặt trời. 2. Sinh vật dị dưỡng Ngoài sinh vật tự dưỡng, các sinh vật còn lại, chủ yếu là các ñộng vật, ñều không có khả năng sử dụng quang năng ñể chế tạo chất hữu cơ từ các hợp chất ñơn giản như CO 2 và H 2 O. Toàn bộ chất sống của chúng ñều lấy từ cây xanh. Do ñó, cây xanh ñược gọi là “sinh vật chế tạo” hay “sinh vật sản xuất”, còn ñộng vật thì gọi là “sinh vật tiêu thụ”. Sinh vật tiêu thụ gồm 2 nhóm: - Nhóm ăn trực tiếp cây xanh như bò ăn cỏ, tằm ăn dâu, cá trắm cỏ ăn rong, bèo - Nhóm ăn gián tiếp cây xanh bằng cách ăn những ñộng vật vốn ñã từng ăn cây xanh. Nhóm này bao gồm tất cả những loài ăn thịt như hổ, báo ăn hươu, nai; cá quả ăn cá mè con. Giữa 2 nhóm ñó, còn có nhóm ăn tạp, nghĩa là ăn cả thức ăn ñộng vật lẫn thức ăn thực vật. Ví dụ, người ăn cơm, bánh mỳ (thực vật); tôm, cá, thịt bò (ñộng vật). SỰ TRAO ðỔI CHẤT Ở SINH VẬT TỰ DƯỠNG SỰ TRAO ðỔI NƯỚC, MUỐI KHOÁNG VÀ NITƠ A. Sự hút nước và thoát nước 1. Vai trò của nước ñối với cây Cây thiếu nước sẽ héo rồi chết. Nước trong cây có 3 chức năng chính: - Nước là thành phần cơ bản của chất sống chiếm khoảng ¾ khối lượng cơ thể (ở cây thuỷ sinh tới 90%) - Nước là dung môi của các muối khoáng và một số lớn chất hữu cơ trong cây. Nhờ hoà tan trong nước, nên cây mới hấp thụ ñược các muối khoáng và vận chuyển các chất hữu cơ ñi khắp cơ thể. - Sở dĩ cây tự dưỡng ñược là nhờ ñã dùng quang năng ñể tổng hợp chất hữu cơ từ những nguyên liệu khởi ñầu là CO 2 và H 2 O. 2.Sự hút nước a. Cơ quan hút nước Cây xanh trên cạn hút ñược nước từ ñất, qua bề mặt các tế bào biểu bì của rễ, ñặc biệt là các tế bào ñã phát triển thành lông hút. Ví dụ, lúa là cây ưa nước, sau khi cấy 4 tuần lễ ñã ñạt chiều cao 50cm, có một hệ rễ với tổng chiều dài gần 625km và tổng diện tích khoảng 285m 2 . Riêng hệ lông hút (khoảng 14 tỉ) ñạt chiều dài khoảng 10500km, với tổng diện tích là 480m 2 . Cây thuỷ sinh nhận trực tiếp nước qua khắp bề mặt biểu bì của cả rễ, thân và lá. b. Cơ chế hút nước vào rễ Ta ñã biết, nước thấm qua màng tế bào chủ yếu nhờ cơ chế thẩm thấu. Sự hút nước từ ñất vào các tế bào biểu bì và các tế bào lông hút của rễ, cũng như từ các tế bào ở ngoài vào tế bào ở trong, nói chung vẫn thực hiện theo cơ chế ñó. c. Áp suất rễ Dòng nước liên tục dồn từ ñất vào tế bào biểu bì của rễ, rồi vào các tế bào ở trong (nằm sâu hơn), cuối cùng tạo nên một lực dồn nén gọi là áp suất rễ, ñẩy cột nước trong mạch gỗ lên cao.Nếu cắt thân cây cà chua, sẽ thấy nước trào ra và nếu ta nối thân ñã cắt với một áp kế sẽ biết ñược áp suất rễ, có khi ñạt tới 3 – 10 atm. 3. Sự thoát nước Cây có 2 cơ chế thoát nước: a. Sự bốc hơi nước Cây thoát nước chủ yếu dưới dạng bốc hơi qua các lỗ khí. Lỗ khí là khe hở hình thoi, do 2 tế bào hình hạt ñậu có mặt lõm ñối diện nhau làm thành. Khi cây nhận ñủ nước, 2 tế bào này trương lên làm 2 mặt lõm ñó cong lại, lỗ khí mở rộng ñể hơi nước thoát ra nhiều hơn. Ngược lại, khi cây thiếu nước, 2 tế bào bớt trương, lỗ khí khép lại, làm nước bốc hơi chậm. Trên 1mm 2 mặt lá, có khoảng 100 – 300 lỗ khí, tập trung chủ yếu ở mặt dưới lá. Lỗ khí tuy bé nhưng vì có nhiều nên vẫn ñể thoát một lượng nước lớn. Ngoài nắng, 1m 2 diện tích lá trong 1 giờ bốc hơi khoảng 50cm 3 nước. Lượng nước bốc hơi qua lá còn thay ñổi tuỳ loài và tuỳ môi trường sống. Ví dụ, 1ha ngô ñể thoát khoảng 3500000 lít nước trong suốt thời kỳ sinh trưởng; còn 1ha xương rồng ở vùng Arizôna (Mĩ) khô cằn, mỗi năm chỉ ñể thoát khoảng 2750 lít nước. Nước bốc hơi qua lá sẽ tạo một sức hút khá mạnh. Như vậy, sức hút nước của tán lá là nhờ sự bốc hơi nước ở lá tạo nên. b. Sự thoát nước thành giọt Khi ñất và không khí ñều ẩm làm ngăn cản sự bốc hơi của nước, thì nước trong cây sẽ thoát ra ngoài dưới dạng giọt nước tụ lại trên mép lá. c. Lợi ích của sự thoát nước qua lá - Nhờ sự phối hợp giữa áp suất rễ và sức hút nước của tán lá, và sức kết dính giữa các phân tử nước, nước lấy từ ñất mới có thể theo thân lên lá, là nơi nước cần cho sự quang hợp. - Lá hấp thụ gần 75% ánh sáng mặt trời chiếu lên lá, nhưng chỉ có 3% là thực sự ñược dùng cho quang hợp. Phần còn lại biến thành nhiệt năng, làm lá nóng lên rất nhanh. Mỗi lít nước bốc hơi trên mặt lá sẽ lấy ñi 540kcal, nhờ ñó mà lá không bị ñốt nóng ngoài nắng và khỏi bị khô héo. - Khi nước bốc hơi qua lá làm cho các dung dịch loãng từ rễ lên trở thành ñậm ñặc hơn và chất hữu cơ dễ ñược tổng hợp hơn, cũng như làm cho các dung dịch chất hữu cơ do lá quang hợp cô ñặc hơn. B. Sự dinh dưỡng khoáng Khi quang hợp, với các nguyên liệu là H 2 O và CO 2 , cây chỉ tổng hợp ñược các gluxit là chủ yếu. Muốn tổng hợp ñược prôtêin và axit nuclêic, cây cần lấy thêm các nguyên tố: nitơ (dưới dạng nitrat và amôn), phôtpho (dưới dạng các phôtphat), kali, sắt, lưu huỳnh, magiê Ngoài ra, cây còn cần một lượng rất ít các nguyên tố bo, mangan, ñồng, kẽm, môlipñen, côban, natri và clo (dưới dạng clorit) ðó là các nguyên tố vi lượng.Thiếu các chất kể trên, cây sẽ không phát triển bình thường. Ví dụ, thiếu canxi, cây vẫn xanh, nhưng lá biến dạng; thiếu magiê lá úa vàng; thiếu phôtpho lá chóng già và dễ úa vàng; thiếu lưu huỳnh, lá non cũng úa vàng, nếu thiếu 3 chất quan trọng nhất là nitơ (ñạm), phôtpho (lân) và kali, cây có thể chết. Tất cả các chất cây cần, ñều do rễ lấy từ ñất, dưới dạng hoà tan trong nước. C. Sự dinh dưỡng nitơ Trong chất sống của cây, thành phần quan trọng nhất là các prôtêin. Trong ñất, các hợp chất chứa nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng “mùn”, gồm lá rụng, xác thực vật, ñộng vật và các chất thải của sinh vật. Phần chứa nitơ của mùn, nhờ vi sinh vật trong ñất, thường phải qua 3 biến ñổi trước khi cây hấp thụ. Ví dụ, urê ñược biến ñổi thành amôniac: CO(NH 2 ) 2 + 2H 2 O → (NH 4 ) 2 CO 3 → CO 2 + H 2 O + 2NH 3 Amôniac ñược ôxi hoá thành axit nitrơ Axit nitrơ gặp các bazơ trong ñất, sẽ thành các nitrit. Cuối cùng, nitrit thành nitrat, là dạng mà cây hấp thụ ñược [...]... toàn sinh gi i, là ATP S LÊN MEN VI SINH V T Y M KHÍ Trong quá trình hô h p c a cây xanh, nguyên li u là glucô và c n có O2 m i chuy n hoá ñư c ñ sinh năng lư ng c n cho s s ng (hi u khí) Trong quá trình lên men c a m t s vi sinh v t, nguyên li u cũng là glucô, nhưng không c n O2 v n chuy n hoá ñư c ñ sinh năng lư ng (y m khí hay k khí) Ta thư ng chia chúng làm 3 nhóm: vi sinh v t lên men th i, vi sinh. .. men rư u và vi sinh v t lên men lactic (hay lên men chua) Dư i ñây, ta ch xét quá trình lên men rư u và lên men lactic 1 Quá trình lên men rư u Có m t nhóm vi sinh v t gây s lên men rư u t ñư ng Khi có ñ ôxi, vi sinh v t ôxi hoá glucô thành CO2 và H2O như trong hô h p, nh ñó, thu ñư c nhi u năng lư ng ñ ñ y m nh s t ng h p ch t s ng Trái l i, khi thi u ôxi (trong môi trư ng y m khí) vi sinh v t ch chuy... (v sau b th i ra kh i cơ th ) và nhi u nguyên t hiñrô Th c ch t c a các ph n ng hô h plà vi c chuy n các nguyên t hiñrô y t nh ng phân t g i là ch t cho hiñrô sang nh ng phân t g i là ch t nh n hiñrô Sau m t chu i dài ph n ng cho và nh n hiñrô, nguyên t H s ñư c chuy n dư i d ng ion ñ n ch t nh n H cu i cùng là O2 trong ph n ng sinh ra nư c 2 Tương quan gi a hô h p và quang h p - Chu i ph n ng ph c... n t c trung bình 100 cm/h ð n r , glucô l i ñư c chuy n thành tinh b t ñ d tr Quang h p không ch l i cho cây mà còn nh quang h p, lư ng O2 và CO2 c a trái ñ t cũng ñư c n ñ nh HOÁ T NG H P 1 Vi khu n chuy n hoá các h p ch t nitơ ðây là nhóm ñông nh t, g m 3 lo i ch y u: - Các vi khu n phân gi i ch t mùn trong ñ t (xác th c v t, ñ ng v t và s n ph m th i lo i c a chúng) thành amôniac - Các vi khu n nitrit... CÂY XANH VÀ S LÊN MEN VI SINH V T Y M KHÍ HÔ H P CÂY XANH S trao ñ i khí cây xanh (cũng như ñ ng v t) là k t qu c a các quá trình chuy n hoá, thu O2 và th i CO2, x y ra trong các t bào, g i chung là hô h p trong hay hô h p n i bào 1 Cơ ch hô h p Hô h p n i bào là m t chu i ph n ng ph c t p th c hi n ñư c nh vai trò xúc tác c a m t lo i enzim g i là enzim hô h p Các ch t h u cơ tham gia các ph n ng hô... ng 1/20 so v i ôxi hoá ñư ng T lâu loài ngư i ñã bi t l i d ng kh năng này c a vi sinh v t ñ lên men rư u ñ rư u t nhi u d ch ng t c a trái cây 2 Quá trình lên men lactic M t nhóm vi sinh v t khác có th chuy n hoá glucô thành 2 phân t axit lactic trong ñi u ki n y m khí và gi i phóng 38kcal Loài ngư i ñã s d ng nhóm vi sinh v t này ñ làm dưa chua ... p tăng khi hàm lư ng CO2 trong không khí tăng 3 Nhi t ñ Nhi t ñ không khí tăng 10oC, ph n ng quang h p (tính b ng mm3 CO2 h p th ) s tăng g p ñôi Nhi t ñ thích h p cho quang h p là 25 – 30oC N u nhi t ñ lên quá 46 – 50oC, quang h p s gi m r i ng ng h n D K t qu c a s quang h p Ngoài sáng, nh quang h p mà lư ng ch t h u cơ ñư c ch t o trong lá cây xanh nhi u g p 20 l n nhu c u c a cây trong th i gian... còn hoà tan di p l c và làm lá m t màu R a s ch lá r i ngâm trong nư c iôt; iôt s nhu m xanh tinh b t Lá xanh ñ lâu trong t i s m t màu d n, do di p l c b phân hu nên cũng m t luôn kh năng quang h p B Cơ ch quang h p Quang h p là m t chu i dài ph n ng ph c t p, có th tóm t t m t cách t ng quát như sau: 6CO2 + 6H2O + năng lư ng ánh sáng → C6H12O6 + 6O2 Như v y là nh l y NLAS (kho ng 674kcal), cây ñã... amôniac - Các vi khu n nitrit hoá, như vi khu n Nitrôzômônat, ôxi hoá amôniac thành axit nitrơ ñ l y năng lư ng: 2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 158kcal Axit nitrơ g p các bazơ trong ñ t s cho các mu i nitrit - Các vi khu n nitrat hoá, như Nitrôbacte, ôxi hoá nitrit thành các mu i nitrat hoà tan, là d ng th c v t có th h p th ñư c NaNO2 + ½O2 → NaNO3 + 38 kcal Nh ho t ñ ng n i ti p c a 3 lo i vi khu n này,các... n H cu i cùng là O2 trong ph n ng sinh ra nư c 2 Tương quan gi a hô h p và quang h p - Chu i ph n ng ph c t p c a quang h p có th tóm t t trong ph n ng t ng quát: 6CO2 + 6H2O + 674kcal → C6H12O6 + 6O2 - Chu i ph n ng ph c t p c a hô h p có th tóm t t trong ph n ng: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 674kcal Như v y, quá trình hô h p và quá trình quang h p là 2 quá trình ngư c chi u nhau ði m khác nhau n . 1. Màng sinh chất Màng sinh chất ñược cấu tạo bởi những phân tử prôtêin nằm giữa những phân tử lipit, dài khoảng 70 – 120Å (1Å =10 -7 mm). Màng không chỉ có nhiệm vụ bảo vệ khối sinh chất. năng chính: - Nước là thành phần cơ bản của chất sống chiếm khoảng ¾ khối lượng cơ thể (ở cây thuỷ sinh tới 90%) - Nước là dung môi của các muối khoáng và một số lớn chất hữu cơ trong cây gen ). CÁC CƠ THỂ ðƠN BÀO ðây là những cơ thể chỉ cấu tạo bằng một tế bào như vi khuẩn, tảo ñơn bào và nguyên sinh vật. Vì kích thước cơ thể rất nhỏ nên chúng ñược gọi chung là vi sinh vật.