Sinh hoc on sau dai hoc
Chia sẻ bởi Võ Anh Hoàng |
Ngày 09/05/2019 |
49
Chia sẻ tài liệu: sinh hoc on sau dai hoc thuộc Sinh học 11
Nội dung tài liệu:
CHÂN THÀNH CHÀO MỪNG
CÁC THÍ SINH SAU ĐẠI HỌC
NGÀNH SINH HỌC
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PGS. TS. PHẠM THÀNH HỔ
KHOA SINH HỌC
CHÚC CÁC BẠN THÀNH CÔNG
SINH HỌC CƠ SỞ
SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG
PHẦN A1
(15 Tiết ôn lý thuyết )
PGS. TS. PHẠMTHÀNH HỔ
BỘ MÔN VI SINH VẬT HỌC
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TPHCM
THẾ KỶ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Công nghệ sinh học có thẻ� hiểu đơn giản là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người.
Nhân loại đang sống ở thiên niên kỷ mới thứ ba, thế kỷ 21,��thế kỷ công nghệ sinh học��, cụm từ không còn chỉ về tương lai như cách nay vài thập niên mà khẳng định một hiện thực.
NĂM 2003
Kỹ niệm 50 năm ra chuỗi xoắn kép DNA Watson-Crick, phát minh lớn nhất thế kỷ 20.
Hòan tất chỉnh lý bộ gen người với chất lượng cao.
TÀ�I LIỆU THAM KHẢO
Phạm thành Hổ.
SINH HỌ�C ĐẠ�I CƯƠNG.
TẾ BÀO HỌC, DI TRUYỀN HỌC VÀ HỌC THUYẾT TIẾN HÓA
NXB ĐH QG TP HCM, 2002.
CÁC CHƯƠNG CẦN HỌC
Chương I : SINH HỌC- CÁC KHOA HỌC SỰ SỐNG
PHẦN I : TẾ BÀO HỌC
Chương II. Cơ sở hóa học của sự sống
Chương III. CẤ�U TRÚC TẾ BÀ�O.
Chương IV . NĂ�NG LƯỢNG HỌC TẾ BÀO
Chương V. HÔ HẤP TẾ BÀO.
Chương VI : SỰ QUANG HỢP.
CÁC CHƯƠNG CẦN HỌC
PHẦN II : CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC
Chương VII: Cơ sở phân tử của tính di truyền .
Chương VIII : SINH TỔNG HỢP PROTEIN
Chương IX.. DI TRUYỀN HỌC CỦA VIRUS VÀ VI KHUẨN
Chương X : ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN VÀ SỰ PHÁT TRIỂN .
CÁC CHƯƠNG CẦN HỌC
Chương XI. NHIỄM SẮC THỂ VÀ PHÂN BÀO
Chương XII : DI TRUYỀN HỌC MENDEL
Chương XIII : CƠ SỞ NST CỦA TÍNH DI TRUYỀN.
PHẦN III. HỌC THUYẾT TIẾN HÓA
Chương XIV: Học thuyết tiến hóa Darwin
Chương XV. QUẦN THỂ LÀ ĐƠN VỊ TIẾN HÓA
Chương XVII : Sự phát sinh và sự phát triển sự sống trên trái đất.
Chương XVIII. Sự đa dạng sinh học
Sinh học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu thế giới sinh vật, có vị trí và vai trò đặc biệt đối với con người. Thứ nhất, con người nghiên cứu chính bản thân mình và những thành tựu của nó phục vụ trực tiếp nhiều nhất cho con người. Gần đây, có nhiều phát minh rất "đáng sợ". Thứ hai, đây là ngành khoa học rất gần gũi nhưng đầy bí ẩn đối với con người vì thế giới sinh vật bao quanh tạo môi trường và phương tiện sống, có nhiều bạn và lắm kẻ thù. Thứ ba, phạm vi nghiên cứu rất rộng: từ nguồn gốc sự sống, sự chuyển tiếp vô sinh thành sinh vật, đến nguồn gốc loài người chuyển từ sinh vật sang đời sống xã hội. Thứ tư, đây là ngành khoa học có quá khứ lâu đời, nhưng luôn mới mẻ và triển vọng to lớn.
CHÖÔNG I
SINH HOÏC - CAÙC KHOA HOÏC VEÀ SÖÏ SOÁNG
I. THẾ NÀO LÀ SINH HỌC ?
II. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN.
III. CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN
IV. THẾ GIỚI SINH VẬT VỚI VĂN HÓA VIỆT NAM
I. THẾ NÀO LÀ SINH HỌC ?
1. Sự đa dạng và thống nhất của sự sống.
2. Các tính chất đặc trưng của sự sống.
3. Các biểu hiện của sự sống.
Sinh học : "Khoa học về sự sống".
Biology (tiếng Anh), Biologie (tiếng Pháp),
Biologia (tiếng Nga)
chữ Hy Lạp : Bios (sự sống) và Logos (môn học hay học thuyết).
SỰ SỐNG LÀ GÌ ?
Theo ngôn ngữ Việt nam chữ sống có nhiều nghĩa: chưa chết, tươi (chưa chín như rau sống,...),...
Ở đây sự sống được hiểu là dạng hoạt động vật chất có trong mỗi sinh vật.
SỰ SỐNG LÀ GÌ ?
1. Sự đa dạng và thống nhất của sự sống.
Quanh ta, nơi nào cũng có các sinh vật: cây cỏ, côn trùng, tôm, cá, ếch nhái, rắn, rùa, chim, thú,...và cả các vi sinh vật. Các nhà khoa học ước tính có khoảng hơn 2 triệu loài sinh vật sống trên hành tinh chúng ta. Về mặt sinh học con người chỉ là một loài trong khối đa dạng muôn màu sắc đó. Sự đa dạng của sự sống biểu hiện ở hai mặt : đa dạng các loài và hệ thống thứ bậc từ thấp lên cao của nhiều mức tổ chức khác nhau.
a. Đa dạng các loài
Mỗi loài sinh vật có những đặc điểm riêng bên ngoài, cấu trúc bên trong và cả các biểu hiện sống đặc thù. Ngay xét bề ngoài, sự khác nhau thể hiện rõ ở nhiều mặt như: kích thước, màu sắc, hình dáng, trọng lượng,... Điều nà dễ nhận thấy, ví dụ : về kích thước thì các vi khuẩn trong khoảng 1/1000 đến 10/1000mm phải nhìn dưới kính hiển vi mới thấy, trong khi đó nhiều cây cổ thụ cao đến 50 - 60m. Về tuổi thọ, vi khuẩn Escherichia coli mỗi thế hệ có thể dài chỉ 20 phút, các cây cổ thụ có thể sống nghìn năm. Sự đa dạng đến mức không có hai sinh vật giống như nhau.
b. Hệ thống thứ bậc nhiều mức tổ chức khác nhau
Có các mức tổ chức chủ yếu :
Các đại phân tử sinh học,
Tế bào - đơn vị cơ sở của sự sống,
Cá thể - đơn vị cơ sở của sự tồn tại độc lập có hoạt động sống,
Quần thể - đơn vị cơ sở của tiến hóa,
Loài - đơn vị căn bản của tiến hóa,
Quần xã (community) - sự cùng tồn tại của nhiều loài sinh vật với nhau ở một vùng nhất định.
Hệ sinh môi (ecosystems) - đơn vị căn bản của sinh môi,
Sinh quyển - sự sống trên hành tinh chúng ta.
c. Sự thống nhất.
Sự đa dạng ở khắp mọi nơi dễ nhận thấy, nhưng sự thống nhất chỉ biết được từ các phân tích khoa học. Sự thống nhất biểu hiện ở hệ thống phân loại và sự giống nhau ở các cấu trúc và cơ chế sống vi mô.
Dựa vào các đặc điểm hình thái giống nhau có thể xếp các sinh vật vào những nhóm nhất định gọi là nhóm phân loại. Nhóm phân loại lớn nhất, bao trùm, được gọi là giới. Ví dụ, giới thực vật, giới động vật, giới nấm. Mỗi giới được chia thành các nhóm nhỏ hơn gọi là giới phụ. Tuần tự ta có sự phân chia nhỏ dần như sau: giới ? giới phụ ? lớp ? bộ ? họ ? giống ? loài
LUCA: The Last Univeral Cellular Ancestor
LUCY
Nguyên tắc thứ nhất: các kiến thức sinh học phải nằm trong hệ thống kiến thức về sự tiến hóa của thế giới sinh vật
Con số các đối tượng dùng trong nghiên cứu rất nhỏ so với khối đa dạng to lớn trong thiên nhiên. Đó là những đối tượng tiêu biểu mà kết quả suy ra được cho từng nhóm hay cả sinh giới. Ví dụ, ruồi giấm là đối tượng nghiên cứu di truyền; ếch, chuột , thỏ dùng tìm hiểu sinh lý ĐV và người. Có thể so sánh, đối chiếu sinh vật thấp hoặc cao hơn. Những so sánh đối chiếu sẽ giúp hiểu sâu, nhìn rõ sự phát triển từ thấp lên cao, từ đơn giản đến phức tạp. Quan điểm tiến hóa sẽ giúp kiến thức sinh học có hệ thống,có thể suy đoán về từng nhóm sinh vật.
Nguyên tắc thứ hai: tế bào là đơn vị nghiên cứu của sinh học
Trong khối đa dạng của sinh giới các nhà khoa học đã tách ra được các cấu trúc và đơn vị ở những mức độ tổ chức khác nhau. Tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống, nên việc nghiên cứu nó giúp hiểu ngay tận gốc các cơ nguyên sống của toàn bộ sinh giới. Tế bào quan trọng đối với sinh học như phân tử đối với hóa học.
Nhöõng ñaëc tính chung :
- Màng tế bào.
- Kích thước rất nhỏ bé.
- Phân vùng.
Hệ thống cấu trúc màng
2. Các tính chất đặc trưng cho sự sống
Càng đi sâu phân tích thế giới vi mô, sự sống có những tính chất đặc trưng giống nhau . Sự sống là một dạng hoạt động vật chất phức tạp hơn nhiều và cao hơn hẳn so với các quá trình vật lý và hóa học trong tự nhiên. Con người ngày càng hiểu sâu về thế giới vi mô các sinh vật. Việc giải thích sự sống phụ thuộc tri thức mỗi thời đại, như con người ví như đồng hồ, tim như cái bơm. Ngày nay, ngoài các yếu tố vật chất, năng lượng vốn có ở giới vô sinh, chúng ta xét thêm thông tin là tính chất mới phát triển cao ở các sinh vật.
a. Vật chất: Cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi
Đây là tính chất đầu tiên dễ nhận thấy. Các sinh vật cũng được tạo nên từ những nguyên tố vốn có trong tự nhiên, nhưng cấu trúc bên trong phức tạp và chứa vô số các hợp chất hóa học rất đa dạng . Ví dụ : vi khuẩn Escherichia coli (E.coli), một sinh vật đơn bào nhỏ bé với kích thước 1 - 2 micromet, nặng 2.10-6 mg (2 phần triệu miligram) chứa khoảng 40 tỉ phân tử nước với 5.000 loại các hợp chất hữu cơ khác nhau. Riêng protein có khoảng 3000 loại với cỡ 1.000.000 phân tử, mà phần lớn cấu trúc chưa biết được. Nếu tính ở người thì số loại protein không phải là 3.000 như ở E.coli, mà là 5 triệu loại, lại không giống với E.coli.
Các chất phức tạp trong cơ thể sống hình thành nên các cấu trúc tinh vi thực hiện một số chức năng nhất định. Không những các cấu trúc như màng, nhân tế bào ... mà cả từng loại đại phân tử cũng có vai trò quan trọng nhất định. Trong thế giới sinh vật hoàn toàn có thể nói về chức năng của một loại phân tử. Ví dụ bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, "bệnh phân tử" vì trong 600 acid amin tạo nên protein hemoglobin ở vị trí 6 mạch ? acid glutamic bị thay bằng valin. Trong gần 600 acid amin chỉ 1 bị thay thế đã gây bệnh trên. Từng loại phân tử có tầm quan trọng. Điều không có trong giới vô cơ.
Tế bào E.coli nhỏ bé với cấu trúc và tổ chức phức tạp như vậy nhưng có hoạt động sống rất cao, trong 20 phút có thể sinh sản tạo tế bào mới giống hệt. Hiện nay con người đã chế tạo được các tàu vũ trụ, nhưng chưa chế tạo được cái máy nào tự nó sản sinh ra nó!
Các cấu trúc được tạo ra để thực hiện chức năng nhất định.
Nguyên tắc thứ ba:
Sự tương quan thống nhất giữa cấu trúc và chức năng biểu hiện ở tất cả các mức tổ chức khác nhau.
Để hiểu rõ chức năng nào đó, cần biết chi tiết nó được thực hiện do cấu trúc nào. Ngược lại biết rõ chức năng có thể suy ra cấu trúc.
b. Năng lượng: Sự chuyển hóa phức tạp.
Đặc điểm thứ hai là khả năng thu nhận năng lượng từ môi trường và biến đổi xây dựng, duy trì tổ chức phức tạp đặc trưng cho sự sống. Một số các sinh vật đã lấy những chất đơn giản nhất như CO2, N2, H2O làm nguyên liệu và ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng. Năng lượng lượng tử của ánh sáng được chuyển thành năng lượng hóa học trong các chất hữu cơ của cây xanh, từ đó lưu chuyển sang các sinh vật khác.
Sự chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào diễn ra phức tạp, có thể ví tế bào như "nhà máy hóa học đặc biệt": nhiều phản ứng xảy ra đồng thời, nhanh nhạy, chính xác, hiệu quả cao, lại được sự điều hòa hợp lý đúng lúc, đúng nơi. Tế bào nhận năng lượng bên ngoài vào ở dạng năng lượng hóa học (các chất hữu cơ của thức ăn), sau đó được cải biến để thực hiện công hóa học trong tổng hợp các thành phần tế bào, công cho vận chuyển vào tế bào, và công cơ học cho co cơ và di chuyển. Cặn bả dư thừa được thải ra ngoài.
Vật chất vô sinh không có khả năng sử dụng năng lượng bên ngoài để duy trì cấu trúc của bản thân nó như các sinh vật. Ngược lại, vật chất vô sinh khi hấp thu năng lượng bên ngoài như ánh sáng, nhiệt, nó chuyển sang trạng thái hỗn loạn hơn và ngay sau đó tỏa ra xung quanh.
Tóm lại, tế bào là một hệ thống hở không cân bằng, nó lấy năng lượng từ bên ngoài, sử dụng vật chất và năng lượng với một hiệu quả cao hơn hẳn so với máy móc mà con người chế tạo. Về mặt năng lượng, tế bào cũng tuân theo quy luật nhiệt động học hai: nó thu nhận vật chất và năng lượng duy trì tổ chức cao của nó, đồng thời làm tăng sự hỗn loạn của môi trường xung quanh nó.
Nguyên tắc thứ tư: Tất cả các sinh vật đều có thành phần cấu tạo vật lý và hóa học như giới vô sinh và toàn bộ các quá trình sống đều tuân theo các quy luật vật lý và hóa học.
Nguyên tắc thứ năm: Các sinh vật phải thu nhận năng lượng và vật liệu để duy trì cấu trúc đặc thù, rồi thải phế phẩm ra ngoài.
Hoạt động sống vô cùng phức tạp nên nhiều người cho rằng có nhân tố siêu tự nhiên nào đó tác động vào các sinh vật.
Theo sinh lực luận (vitalist) trong mỗi sinh vật có lực sống (vital force) đặc biệt. Hai nguyên tắc 4 và 5 nhấn mạnh rằng sự sống cũng tuân theo các quy luật vật chất thông thường, dù rất phức tạp nhưng khoa học có thể đi sâu nghiên cứu bản chất của nó.
F. Enghels có định nghĩa: "Sinh học là hóa học của sự sống". Dĩ nhiên hóa học của sự sống có những nét đặc thù riêng như vừa nêu trên và ở các chương sau.
c. Thông tin: ổn định, chính xác và liên tục
Chứa và truyền đạt thông tin là tính chất tuyệt diệu nhất của thế giới sinh vật, không có ở các chất vô sinh nếu thiếu sự chế tạo do con người. Thông tin liên quan đến sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản ứng thích nghi.
Thông tin là khả năng cảm nhận trạng thái bên trong hệ thống và tác động từ môi trường, bảo tồn, xử lý và truyền đạt. Thông tin ở dạng mã hóa, có thông tin di truyền và thích nghi.
Thông tin di truyền : Nhờ có thông tin, tế bào có khả năng tự sinh sản tạo ra thế hệ con giống hệt cha mẹ. Sự sinh sản gắn liền với tính di truyền được biểu hiện rõ� qua nhiều thế hệ. Thế hệ trước truyền cho thế hệ sau không phải các tính trạng mà chương trình phát triển của mỗi loài sinh vật được gọi là thông tin di truyền.
Thông tin di truyền được mã hóa ở dạng trình tự thẳng của 4 loại nucleotid rồi hiện thực hóa ra dạng cấu trúc không gian ba chiều của các phân tử protein và các cấu trúc tế bào.
Thông tin di truyền được hiện thực hóa ở thế hệ sau trong quá trình phát triển cá thể. Mỗi sinh vật đều lập lại chính xác các giai đoạn phát triển như của cha mẹ. Con người bắt đầu từ hợp tử, rồi phôi, thai, sinh ra, đi,...,già, chết. Bộ gen chi phối mọi biểu hiện sống: tái tạo các cấu trúc tinh vi, điều hòa thực hiện hàng loạt phản ứng hóa học giúp phản ứng và thích nghi với môi trường.
Có định nghĩa rằng: "Sự sống - đó là sự duy trì và tái tạo tích cực cấu trúc đặc thù kèm theo tiêu tốn năng lượng".
Thông tin di truyền tinh vi được truyền đạt cho nhiều thế hệ nối tiếp với sự ổn định cao nhờ các cơ chế sao chép chính xác và phân chia đều cho các tế bào con. Cá thể sinh vật đến lúc nào đó sẽ chết, nhưng thông tin không chết, lại được truyền cho thế hệ sau và có thể biến đổi tiến hóa. Nhờ có thông tin thế giới sinh vật không những bất tử mà hoàn thiện không ngừng, dẫn đến con người trí tuệ để chuyển sang tiến hóa xã hội.
Nhờ sự nối tiếp di truyền mà sự sống từ khi xuất hiện cho đến nay là một dòng liên tục và tất cả các sinh vật trên quả đất đều có quan hệ họ hàng nhau, bắt nguồn từ một tổ tiên chung.
Thông tin thích nghi :
Ở động vật nhiều thông tin liên quan đến hoạt động của hệ thần kinh. Một biểu hiện ghi nhận thông tin là trí nhớ. Nhiều cơ chế tinh vi chính xác, nhanh nhạy để thu nhận thông tin ở các loài sinh vật giúp chúng phản ứng chủ động với môi trường. Đó là ánh sáng ở con đom đóm, các chất dẫn dụ nhau của côn trùng, âm thanh tiếng kêu của chim, điệu múa chỉ đường lấy phấn hoa ở ong,... Thực vật cũng có những thông tin thích nghi tuy không nhanh nhạy : rễ cây hướng chỗ phân, cây mọc phía ánh sáng,...
Thông tin thích nghi lúc đầu ở đời sống cá thể tạo ưu thế trong đấu tranh sinh tồn, được chọn lọc tự nhiên giữ lại và ghi thêm vào thông tin di truyền. Do vậy, thông tin thích nghi cũng chịu sự chi phối của bộ gen và được lưu truyền. Bộ gen của sinh vật tiến hóa cao hơn còn mang thông tin di truyền của tổ tiên. Điều này thể hiện rõ ở sự lặp lại ngắn gọn các giai đoạn của tổ tiên trong sự phát triển phôi sinh vật bậc cao: phôi người lúc đầu giống cá, rồi bò sát, cũng có lông,... Tiến hóa thích nghi tạo sự đa dạng từ tổ tiên. Tiến hóa có sự thừa kế.
Có lẽ các cơ chế thu nhận thông tin để phản ứng lại với môi trường sống chung quanh là quan trọng nhất trong tiến hóa. Ở người, một miệng ăn, một mũi thở cung cấp vật liệu và năng lượng cho sự sống. Nhưng các giác quan để thu nhận thông tin thì nhiều hơn hẳn: da của toàn thân, hai mắt để thấy và cảm nhận áp suất, hai tai nghe và định thăng bằng, hai lỗ mũi, lưỡi và hai tay sờ nắm.
Nguyên tắc thứ sáu: trong nghiên cứu sinh học, bộ gen chứa thông tin di truyền cho sự sinh sản và phát triển. Bộ gen của tất cả các sinh vật có cấu trúc tế bào đều là acid nucleic, xuất phát điểm biểu hiện sự sống ở mức phân tử, biểu hiện sự thống nhất của sinh giới�. Mọi tính trạng của sinh vật đều chịu sự chi phối của các gen tương ứng. Trong khối đa dạng của nhiều tính trạng, có thể tách riêng từng đơn vị lẻ để nghiên cứu, đó là gen-tính trạng.
Nguyên tắc thứ bảy: nghiên cứu sinh học phải đặt trong tiến trình của sự phát triển cá thể. Hoạt động sống diễn ra liên tục không ngừng và cơ thể sinh vật đổi khác từng giây theo chương trình phát triển. Ai cũng dễ nhận thấy hoạt động sống của người trẻ khác với người già. Khi tìm hiểu các quá trình sinh học phải biết nó nằm trong giai đoạn nào của sự phát triển.
Nguyên tắc thứ tám: sự phổ biến của các cơ chế phản hồi trong thế giới sinh vật. Các tín hiệu muôn hình vạn trạng thường xuyên tác động đến sinh vật, chúng thu nhận thông tin, xử lý và có phản ứng đáp lại. Một biểu hiện là mối liên hệ ngược (feed-back): một chất được tổng hợp dư thừa nó sẽ ức chế enzyme đầu chuỗi phản ứng làm dừng lại.
Nguyên tắc thứ chín: sự thừa kế của các quá trình sinh học. Nguyên tắc này nằm trong hệ thống tiến hóa, nhưng được tách riêng ra để nhấn mạnh thêm.
Sinh học tuy đã tiến những bước dài, nhưng còn nhiều hiện tượng kỳ bí dễ dẫn đến mê tín như linh cảm, thần giao cách cảm, "nhân điện",... Không loại trừ khả năng trong quá trình tiến hóa rất lâu dài hơn 3,5 tỉ năm ở thế giới sinh vật đã xuất hiện những dạng năng lượng và thông tin khác nữa mà trình độ khoa học đương thời chưa đủ sức phát hiện.
Tóm lại, sự sống là một dạng hoạt động vật chất phức tạp trên cơ sở tương tác đồng thời của 3 yếu tố vật chất, năng lượng và thông tin. Sự trình bày thành từng mục chỉ nhằm để dễ hiểu, trong hoạt động sống cả 3 yếu tố phối hợp thành một thể thống nhất.
3. Các biểu hiện của sự sống
a. Trao đổi chất (metabolism).
Để tồn tại các tế bào phải thực hiện liên tục hàng loạt phản ứng hóa học để phân hủy các chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng và vật liệu cho sinh tổng hợp và các quá trình sống như tăng trưởng, vận động, sinh sản,.. Toàn bộ các hoạt động hóa học của sinh vật được gọi là sự trao đổi chất.
Khi trao đổi chất dừng thì sinh vật chết. Các phản ứng trao đổi chất diễn ra phức tạp với nhiều điểm ưu việt đã nói đến ở trên.
b. Sự nội cân bằng (homeostasis).
Quá trình trao đổi chất tuy phức tạp, nhưng được sự điều hòa hợp lý để duy trì các hoạt động bên trong tế bào ở mức cân bằng và ổn định ở một trạng thái nhất định. Ví dụ, nhiệt độ cơ thể người bình thường luôn được duy trì ở 37oC dù thời tiết có thay đổi nóng lạnh khác nhau. Xu hướng các cơ thể sinh vật tự duy trì môi trường bên trong ổn định gọi là sự nội cân bằng và được thực hiện do các cơ chế nội cân bằng (homeostatic mechanisms). Các cơ chế này rất nhạy cảm và hữu hiệu.
Sinh vật ở mức phát triển càng cao, các cơ chế điều hòa càng phức tạp.
c. Sự tăng trưởng (growth).
Sự tăng trưởng là tăng khối lượng chất sống của mỗi cơ thể sinh vật. Nó bao gồm sự tăng kích thước của từng tế bào và tăng số lượng tế bào tạo nên cơ thể. Sự tăng trưởng của tế bào khác nhiều về căn bản so với sự lớn lên của tinh thể trong dung dịch muối. Một đặc điểm nữa là khi sự tăng trưởng diễn ra, từng phần của tế bào hay cơ thể vẫn hoạt động bình thường.
Một số thực vật có thời gian tăng trưởng kéo dài rất lâu như các cây cổ thụ nghìn năm. Hầu hết động vật có giới hạn tăng trưởng nhất định, kích thước đạt tối đa lúc sinh vật trưởng thành.
d. Sự vận động.
Sự vận động dễ nhận thấy ở các động vật như các động tác leo, trèo, chạy, nhảy, bơi, bay,... Sự vận động cũng có ở thực vật, nhưng rất chậm và khó nhận thấy như dòng chất trong tế bào lá gọi là cyclosis. Các vi sinh vật vận động nhờ các lông nhỏ hay giả túc như ở amíp.
e. Sự đáp lại (responsiveness).
Mặt biểu hiện này của sự sống cũng dễ nhận thấy ở các loài động vật. Đáp lại các kích thích khác nhau từ môi trường bên ngoài, các động vật có những phản ứng nhất định như thay đổi màu sắc, nhiệt độ, tập tính sống,... Con mắt người là một cơ quan rất tinh vi thu nhận nhanh nhạy, chính xác các kích thích ánh sáng truyền cho hệ thần kinh để con người có phản ứng đáp lại.
Các thực vật cũng có nhiều phản ứng tuy chậm và khó nhận thấy hơn như cây xanh mọc về ánh sáng, định hướng gốc ngọn theo trọng trường,... Không ít ví dụ về sự phản ứng ở thực vật như cây mắc cỡ, cây bắt ruồi.
f. Sự sinh sản.
Biểu hiện này của sự sống dễ nhận thấy ở tất cả các loài sinh vật. Từ lâu, con người đã biết: "sinh vật sinh ra sinh vật" và "tế bào sinh ra tế bào". Các sinh vật nhỏ bé như các vi khuẩn lại có tốc độ sinh sản nhanh.
Có hai kiểu sinh sản: vô tính và hữu tính. Sự sinh sản hữu tính ra đời muộn hơn, nhưng nó tạo nên sự đa dạng lớn làm tăng nhanh tốc độ tiến hóa của sinh giới. Nhiều vi sinh vật sinh sản vô tính, nhưng chúng có các quá trình cận hữu tính làm tăng biến dị di truyền.
g. Sự thích nghi.
Sự thích nghi là khả năng cơ thể thích ứng với môi trường sống. Sự biểu hiện đặc trưng này của sự sống giúp các sinh vật tồn tại trong thế giới vật chất luôn biến động. Các cơ chế thích nghi làm tăng khả năng sống còn của các sinh vật trong môi trường đặc biệt. Có nhiều dạng thích nghi như về cấu trúc, sinh lý, tập tính hay sự phối hợp của các dạng. Hầu như mỗi sinh vật có cơ chế thích nghi độc đáo riêng, khó kể hết. Các cơ chế thích nghi là kết quả của quá trình tiến hóa lâu dài.
Một số định nghĩa về sự sống :
"Các cơ thể sống tồn tại trên trái đất là những hệ thống mở, tự tái sinh, tự điều chỉnh gồm các đại phân tử sinh học là protein và acid nucleic".
"Tế bào sống - đó là hệ thống đẳng nhiệt hở, có khả năng tự lắp ráp, tự điều hòa và tự sinh sản. Hệ thống đó gồm một số lớn các phản ứng liên quan lẫn nhau được tăng nhanh tốc độ nhờ các chất xúc tác sinh học do tế bào sản sinh ra; tế bào hoạt động theo nguyên tắc tiết kiệm tối đa các thành phần và các quá trình".
Và thứ hai, nếu như khoa học đã đạt đến mức, khi xuất hiện sự cần thiết mở rộng nội dung khái niệm "sự sống", đưa vào nó những đặc tính mới, thì có thể tiên đoán trước rằng, những nghiên cứu tiếp theo sẽ không dừng lại ở đó. Điều này tương ứng với phép biện chứng của sự phát triển nhận thức, với lô-gic nội tại của tiến bộ khoa học.
Ở trình độ những tri thức hiện đại về các quá trình sống, trong nội dung khái niệm sống cần phải đưa vào các đặc tính chỉ rõ cấu trúc của sinh vật, các quá trình diễn ra ở những mức độ khác nhau, và chức năng được thực hiện do những cấu trúc khác nhau của nó.
Từ những điểm nêu trên, có thể rút ra định nghĩa như sau :
" Sự sống là phương thức tồn tại của vật chất, xuất hiện theo qui luật ở cấp độ các hợp chất cao phân tử (polymer), được đặc trưng bởi các cấu trúc biến động và linh hoạt, bởi chức năng trao đổi, và cả các quá trình tự điều hòa, tự hồi phục, tích lũy và truyền đạt thông tin di truyền ".
NGÀNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
MŨI NHỌN CỦA THẾ KỶ
Công nghệ sinh học có thẻ� hiểu đơn giản là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người.
Nhân loại đang sống ở thiên niên kỷ mới thứ ba, thế kỷ 21,��thế kỷ công nghệ sinh học��, cụm từ không còn chỉ về tương lai như cách nay vài thập niên mà khẳng định một hiện thực.
II. THẾ KI� CNSH LÀ MỘT TẤT YẾU LỊCH SỬ.
Năm 1989, ông Covalchenko, Viện sĩ Viện hàn lâm khoa học Liên Xô, chuyên về tư liệu lịch sử có nhận xét vê xu hướng phát triển khoa học như sau :"thế kỉ 20 là thế kỉ của vật chất vô sinh, thế kỉ 21 là thế kỉ hữu sinh (sinh vật), thế kỉ 22 là thế kỉ con người, thế kỉ 23 là thế kỉ hoạt động cá thể của con người,.".
Từ 4,6 tỉ năm có 3 quá trình tiến hóa :
- Tiến hóa nguyên tử hay vật lí kéo dài 1,0 tỉ năm đầu.
- Tiến hóa hóa học từ 0,5 tỉ năm đầu, kéo dài 1,5 tỉ năm.
- Tiến hóa sinh học sau 1,0 tỉ năm, từ 3,5 năm trước, kéo dài đến nay và với sự xuất hiện loài người đã chuyển sang tiến hóa xã hội. Sự sống là bước phát triển cao hơn của tiến hóa và phức tạp hơn rất nhiều so với các quá trình vật lí và hóa học.
Nữa đầu thế kỉ 20 được coi là thế kỉ vật lí học, mà đỉnh cao ứng dụng là chế tạo thành công bom nguyên tử và chuẩn bị cho con người bay vào vũ trụ. Nữa sau thế kỉ 20, vật lí và hóa học tiếp tục phát triển mạnh và nhiều ngành mới đã hình thành như chinh phục không gian vũ trụ, công nghệ thông tin, tự động hóa, vật liệu mới, công nghệ nano,. Cùng với đà� phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đó, sinh học đã thu được những thành tựu sáng chói để vững bước tiến vào thế kỉ công nghệ sinh học.
1. Những bước tiến vượt bậc của Sinh học thế kỉ 20.
a. Các phát minh chủ yếu thế kỉ 19.
Sinh học thế kỉ 19 tạo những tiền đề căn bản cho sinh học thực nghiệm thế kỉ 20 :
- Năm 1655, tế bào được nhìn thấy nhờ kính hiển vi, và năm 1837 - 1838, Schleiden và Schwann nêu ra học thuyết tế bào.
phái animaculium
- Năm 1859, C. Darwin nêu ra học thuyết tiến hóa làm thay đổi tư duy nhân loại : con người không phải là trung tâm vũ trụ.
- Năm 1865, Mendel chứng minh sự tồn tại của các nhân tố di truyền (gen) mở đầu cho các nghiên cứu đi sâu vào thế giới vi mô của sự sống. Năm 1868, F. Miescher phát minh ra DNA
- Những năm 1860, các nghiên cứu của L.Pasteur đã mở đường cho sự phát triên vi sinh vật học và CNSH vi sinh vật.
b. Những phát minh nền tảng của thế kỉ 20.
Đầu thế kỉ 20, khái niệm gen được xác lập và năm 1910 - 1920, T.H.Morgan, nêu ra thuyết di truyền nhiễm sắc thể (NST).
1953, mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick -> Sinh học phân tử. Phát minh khoa học lớn nhất thế kỉ 20, ra đời sau bom nguyên tử (1945) và trước Gagarin bay vào vũ trụ (1957). Năm 1962, Watson, Crick và Wilkins đã nhận giải Nobel và đến 2002 có 40 giải Nobel thì 2/3 liên quan đến DNA.
Tháng 2/1997, Wilmut công bố nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) cừu Dolly, mở ra triển vọng to lớn trong nhân giống nhiều loài động vật từ nhân của tế bào soma (tế bào thường cuả cơ thể), kể cả nhân bản người.
Tế bào gốc (Stem cell) từ phôi và tế bào soma
SỰ PHÁT TRIỂN VƯỢC BẬC CỦA SH
Năm 1865, Gregor Mendel và các quy luật Mendel.
Năm 1868, Frederic Miesher phát minh DNA.
Năm 1910-1920, T.H.Morgan với thuyết DI TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ.
Năm 1953, J.Watson, Fr.Crick với chuỗi xoắn kép DNA.
Năm 1973,KỸ THUẬT DI TRUYỀN ra đời
DI TRUYỀN HỌC MENDEL
Năm 1865, Gregor Mendel nêu ra các quy luật di truyền và khái niệm nhân tố di truyền, mà sau này gọi là gen.
Năm 1900 được coi là năm ra đời của Di truyền học với phát minh lại các quy luật Mendel. Đầu thế kỷ 20, khái niệm gen được xác lập, nhưng ở dạng trừu tượng�: nhân tố di truyền xác định một tính trạng.
PHÁT MINH DNA
Năm 1868, Johann Friedrich Miesher, một nhà sinh hóa học người Thụy Sĩ, ở tuổi 25, đã tìm ra một chất acid từ nhân (nucleus) tế bào bạch huyết của mủ và đặt tên là nuclein, mà sau này gọi là nucleic acid.
THUYẾT DI TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ
Năm 1910 - 1920, T.H.Morgan, nêu ra thuyết di truyền nhiễm sắc thể, chứng minh gen là một locus trên nhiễm sắc thể.
MÔ HÌNH CẤU TRÚC DNA CỦA WATSON-CRICK
- Năm 1953, mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick đặt nền móng cho sự phát triển của Sinh học phân tử. " Học thuyết trung tâm " của sinh học phân tử :
DNA ----------> mRNA ----------> protein
sao chép phiên mã dịch mã�
Lúc này Watson mới 25 tuổi
Sau phát minh DNA, giới khoa học đã tiên đoán thế kỷ 21 là "thế kỷ sinh học" và sự phát triển vượt bậc của Sinh học nữa cuối thế kỷ 20 đã biến dự báo thành hiện thực.
Vào những năm 1960, các phát minh Sinh học phân tử liên tiếp ra đời : 64 codon của mã di truyền (1961), điều hòa sự biểu hiện gen (1962),.
KỸ THUẬT DI TRUYỀN
- Năm 1972 - 1973, kỹ thuật di truyền ra đời làm "bùng nổ" cách mạng CNSH. Con người có khả năng cắt, nối, ghép, chép và chuyển gen trong ống nghiệm (in vitro). Kỹ thuật di truyền dẫn đến tư duy và phương pháp luận mới trong nghiên cứu sinh học và các ứng dụng thực tiễn.
- Con người có khả năng vượt giới hạn tiến hóa, thay quyền tạo hóa cải biến sinh giới và cả bản thân cơ thể sinh học của con người.
Thế kỉ CNSH là một tất yếu lịch sử
Mặc dù chúng ta đang sống trong một kỉ nguyên thịnh vượng và công nghệ phát triển vượt bậc chưa từng thấy trong lịch sử, nhưng nhiều thách thức gay gắt đang đặt ra cho loài người.
- Duy trì mạng sống con người�:
Nhiệm vụ hàng đầu của CNSH là giải quyết vấn đề mạng sống mà mỗi con người đều phải trải qua là sinh, lão, bệnh, tử. CNSH đang tập trung nỗ lực tìm các loại thuốc hiệu nghiệm chữa khỏi các bệnh hiểm nghèo như ung thư, AIDS,.. Thuốc cho mọi người sống mạnh khoẻ�hơn : cho người trung niên, người già. Y học cá thể hóa sẽ phát triển mạnh và biện pháp dự phòng cho mỗi người kháng được bệnh sẽ là xu hướng chủ yếu của Y học thế ki� XXI.
- Đói và no quá mức :
Hiện vẫn còn có 800 - 850 triệu người bị suy dinh dưỡng, trong đó có hơn 200 triệu trẻ em, và rất nhiều trẻ trong số này sẽ không bao giờ phát triển đầy đủ những năng lực trí tuệ và thể chất của mình. Ngoài ra, 1 đến 1,5 tỉ người thường không có những bữa ăn cân đối với lượng chất dinh dưỡng theo yêu cầu.
Một mặt CNSH phải giải quyết nạn đói, mặt khác làm giảm số người béo phì đang gia tăng trên thế giới (khoảng 300 triệu năm 1995), đến mức ở Mĩ mới đây đã chính thức coi là một bệnh.
Thực phẩm�: không những an toàn toàn cho người hiện nay, mà cho cả thế hệ con cháu mai sau.
- Nhu cầu năng lượng
hiện nay rất cấp thiết và ngày càng gay gắt hơn khi dự báo nguồn năng lượng tái sinh sẽ cạn kiệt vào những năm 2050 - 2060. CNSH đang tập trung nỗ lực để biến nguồn sinh khối thực vật (như gỗ rừng, phụ phế liệu nông nghiệp,.) khổng lồ trên Trái đất thành nhiên liệu tiện dụng như cồn ethanol thay xăng dầu. Ngoài ra, hydrogen là nguồn năng lượng lí tưởng, mà sản xuất hydrogen sinh học hứa hẹn là nguồn năng lượng rẻ tiền, an toàn và không gây ô nhiễm.
- Cải thiện môi trường sống�:
Sự phát triển công nghiệp và khai thác tài nguyên quá độ đã gây những hiểm họa môi trường như vấn đề khí thải làm khí quyển nóng lên. CNSH phải gia tăng các quy trình công nghệ ít gây ô nhiễm hoặc thay thế quy trình có hại như sản xuất hóa chất xanh (green chemicals) hay các vật liệu chịu phân huỷ sinh học. Đồng thời tìm các biện pháp khắc phục ô nhiễm và bồi hoàn sinh học (bioremedation) như xử lí nước thải, phân huỷ các chất dị sinh (xenobiotic).
Sinh học thế kỉ XX đã đặt bệ phóng vững chắc và nâng lên tầm cao mới cho sự phát triển Sinh học và Công nghệ Sinh học trong thế kỉ XXI. Kể từ thuở hoang sơ, khi con người còn thu nhặt hái lượm, chưa bao giờ con người hiểu biết về cơ thể mình sâu sắc như hiện nay, chưa bao giờ con người có quyền lực ghê gớm như hiện nay trong cải biến thiên nhiên phục vụ cho mình. Công nghệ Sinh học trong thế kỉ XXI sẽ góp phần tích cực khắc phục những thách thức nêu trên và đó cũng là một tất yếu lịch sử của sự phát triển KHCN của nhân loại.
CÔNG NGHỆ SINH HỌC LÀ GÌ ?
Công nghệ sinh học (Biotechnology) do kỹ sư Hungary Karl Ereky nêu năm 1917 chỉ quá trình nuôi heo quy mô lớn bằng củ cải đường lên men.
Năm 1961, "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" (Tạp chí kỹ thuật và công nghệ vi sinh sinh hóa) đổi tên "Biotechnology and Bioengineering" (Công nghệ sinh học và kỹ thuật sinh học).
Những năm 1970, sự "bùng nổ" CNSH.
Công nghệ sinh học theo 2 nghĩa :
- Một xu hướng hiểu theo nghĩa rộng bao gồm cả các ứng dụng lâu đời như lên men rượu,bia, sản xuất phomai ,...và các kỹ thuật cao cấp ngày nay. Hiểu theo nghĩa rộng thì CNSH xuất hiện cách đây hơn 100 thế kỷ ( 10.000 năm).
- Một xu hướng hiểu nghĩa hẹp : CNSH liên quan đến kỹ thuật hiện đại nhất như công nghệ di truyền và các kỹ thuật cao cấp khác như cố định enzyme,tạo dòng vi khuẩn tổng hợp protein của người,tạo các kháng thể đơn dòng ...
Đến nay, có thể phân biệt 3 loại : CNSH truyền thống (Traditional Biotechnology), CNSH hiện đại (Modern Biotechnology) và Công nghệ sinh học phân tử (Molecular Biotechnology) là công nghệ ứng dụng kỹ thuật di truyền (Genetic Engineering).
Quan niệm hiện nay về CNSH.
CNSH gồm 2 vế : sinh học (bio) và công nghệ (technology)
- Sinh học : CNSH khác với trồng trọt, chăn nuôi, ...ở chỗ nào ? Giới hạn ở mức nhóm tế bào, tế bào và dưới tế bào. Ví dụ, kỹ thuật in vitro nuôi mô tế bào cây lúa hay hạt phấn lúa.
- Công nghệ : ba khía cạnh khác nhau.
Thứ nhất, công nghệ lên men.
Thứ hai, với KTDT nói nhiều đến CNSH vì quá trình cải biến các sinh vật để tạo sản phẩm mới phải trãi qua nhiều công đoạn phức tạp đúng với nghĩa là một công nghệ. Ví dụ, quá trình nuôi tế bào, chiết tách DNA, chuyển gen,... đến thu nhận protein và peptid tổng cộng có tất cả 40 công đoạn hoặc nhiều hơn.
Thứ ba, CNSH là một phạm trù sản xuất có sự gắn kết chặt chẻ từ nghiên cứu cơ bản đến tạo ra sản phẩm thương mại hóa hay được sử dụng rộng rãi.
Hình 9.13. Chuối và dứa nuôi cấy mô.
Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người".
2. Các lĩnh vực của CNSH
a) CNSH phân theo đối tượng
? Công nghệ sinh học phân tử (Molecular biotechnology) gồm công nghệ gen và các ứng dụng kĩ thuật di truyền.
Sản phẩm : các protein, vaccin tái tổ hợp ; các chế phẩm dùng chẩn đoán và trị liệu ; các vi sinh vật, động thực vật chuyển gen ; .
? Công nghệ sinh học protein và enzyme (Biotechnology of proteins and enzymes).
Sản phẩm :
+ Các protein của máu ; vaccin và kháng thể ; hormone và nhân tố tăng trưởng ; interferon, interleukin ; protein dùng cho phân tích ; protein không xúc tác ;...
+ Các enzyme công nghiệp (industrial enzymes) như protease, amylase, pectinase;. ; các enzyme cố định (immobilized enzymes) ; các enzyme từ vi sinh vật cực đoan (extremophiles) ; ..
+ Cảm biến sinh học (biosensor).
? Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial biotechnology).
Sản phẩm : các loại thực phẩm lên men cổ truyền ( rượu, bia, fromage, tương, chao ...), các enzyme, các acid hữu cơ, các amino acid, các thuốc kháng sinh, các biopolymer,...hay sinh khối tế bào vi sinh làm nguồn protein, kể cả nấm trồng....
? Công nghệ sinh học thực vật (Plant biotechnology)
Sản phẩm : Các cây vi nhân giống trong ống nghiệm (in vitro), các dòng tế bào từ nuôi hạt phấn, các dòng tế bào thực vật được nuôi in vitro ứng dụng trong nhân và chọn giống,...
Hạt nhân tạo
? Công nghệ sinh học động vật (Animal biotechnology)
Sản phẩm : Các interferon, hormone chiết tách từ nuôi tế bào động vật, vaccin virus, các kháng thể đơn dòng, các tế bào gốc (stem cell) được nuôi tạo dòng (cloning) động vật, kĩ thuật mô tế bào, chẩn đoán nhanh đực cái, chuyển phôi ghép phôi,...
Bò nhân giống vô tính
Sản xuất công nghiệp nuôi bình lớn trên giàn kệ
b) CNSH goïi theo caùc lónh vöïc kinh teá xaõ hoäi
? Công nghệ sinh học y học (Medical biotechnology).
? Công nghệ sinh học thực phẩm (Food biotechnology).
? Công nghệ sinh học năng lượng (Energetic biotechnology).
? Công nghệ sinh học trong hóa học và vật liệu (Biotechnology in chemistry and materials).
? Công nghệ sinh học nông nghiệp (Agricultural biotechnology).
? Công nghệ sinh học môi trường (Environmental biotechnology).
Biểu tượng Bộ gen người
- Xét từ gốc độ Công nghệ nano thì tế bào là một hệ thống chứa nhiều công cụ nano. Mỗi protein và mỗi enzyme có thể là một công cụ nano. Ví dụ, phân tử hemoglobin ở phổi gắn với Oxygen và mang vào tận các mao quản nhả ra. Các enzyme thực hiện những phản ứng đặc hiệu với những cơ chất nhất định.
- Xét từ gốc độ Công nghệ tự động hóa thì tế bào là một bộ máy tự động hóa siêu hạng. Ví dụ, tế bào vi khuẩn tự di chuyển đến nguồn dinh dưỡng hấp thu thức ăn, biến đổi chất dinh dưỡng tạo năng lượng cho sự sống bản thân, tổng hợp cơ thể và tự sinh sản,..
Lá sen không thấm nước và không dính bụi
- Xét từ gốc độ Công nghệ vật liệu mới thì nhiều loại vật liệu của tế bào có những tính chất ưu việt mà con người mơ ước để tạo ra. Ví dụ, màng sinh chất chỉ với 2 lớp phospholipid và một ít protein, nhưng có tính cách điện, cách nhiệt, độ đàn hồi mà chưa có vật liệu nào do con người chế tạo ra sánh kịp, lại có tính thấm chọn lọc.
- Chế tạo vật liệu kết dính mô phỏng theo cấu t
CÁC THÍ SINH SAU ĐẠI HỌC
NGÀNH SINH HỌC
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PGS. TS. PHẠM THÀNH HỔ
KHOA SINH HỌC
CHÚC CÁC BẠN THÀNH CÔNG
SINH HỌC CƠ SỞ
SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG
PHẦN A1
(15 Tiết ôn lý thuyết )
PGS. TS. PHẠMTHÀNH HỔ
BỘ MÔN VI SINH VẬT HỌC
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TPHCM
THẾ KỶ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Công nghệ sinh học có thẻ� hiểu đơn giản là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người.
Nhân loại đang sống ở thiên niên kỷ mới thứ ba, thế kỷ 21,��thế kỷ công nghệ sinh học��, cụm từ không còn chỉ về tương lai như cách nay vài thập niên mà khẳng định một hiện thực.
NĂM 2003
Kỹ niệm 50 năm ra chuỗi xoắn kép DNA Watson-Crick, phát minh lớn nhất thế kỷ 20.
Hòan tất chỉnh lý bộ gen người với chất lượng cao.
TÀ�I LIỆU THAM KHẢO
Phạm thành Hổ.
SINH HỌ�C ĐẠ�I CƯƠNG.
TẾ BÀO HỌC, DI TRUYỀN HỌC VÀ HỌC THUYẾT TIẾN HÓA
NXB ĐH QG TP HCM, 2002.
CÁC CHƯƠNG CẦN HỌC
Chương I : SINH HỌC- CÁC KHOA HỌC SỰ SỐNG
PHẦN I : TẾ BÀO HỌC
Chương II. Cơ sở hóa học của sự sống
Chương III. CẤ�U TRÚC TẾ BÀ�O.
Chương IV . NĂ�NG LƯỢNG HỌC TẾ BÀO
Chương V. HÔ HẤP TẾ BÀO.
Chương VI : SỰ QUANG HỢP.
CÁC CHƯƠNG CẦN HỌC
PHẦN II : CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC
Chương VII: Cơ sở phân tử của tính di truyền .
Chương VIII : SINH TỔNG HỢP PROTEIN
Chương IX.. DI TRUYỀN HỌC CỦA VIRUS VÀ VI KHUẨN
Chương X : ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN VÀ SỰ PHÁT TRIỂN .
CÁC CHƯƠNG CẦN HỌC
Chương XI. NHIỄM SẮC THỂ VÀ PHÂN BÀO
Chương XII : DI TRUYỀN HỌC MENDEL
Chương XIII : CƠ SỞ NST CỦA TÍNH DI TRUYỀN.
PHẦN III. HỌC THUYẾT TIẾN HÓA
Chương XIV: Học thuyết tiến hóa Darwin
Chương XV. QUẦN THỂ LÀ ĐƠN VỊ TIẾN HÓA
Chương XVII : Sự phát sinh và sự phát triển sự sống trên trái đất.
Chương XVIII. Sự đa dạng sinh học
Sinh học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu thế giới sinh vật, có vị trí và vai trò đặc biệt đối với con người. Thứ nhất, con người nghiên cứu chính bản thân mình và những thành tựu của nó phục vụ trực tiếp nhiều nhất cho con người. Gần đây, có nhiều phát minh rất "đáng sợ". Thứ hai, đây là ngành khoa học rất gần gũi nhưng đầy bí ẩn đối với con người vì thế giới sinh vật bao quanh tạo môi trường và phương tiện sống, có nhiều bạn và lắm kẻ thù. Thứ ba, phạm vi nghiên cứu rất rộng: từ nguồn gốc sự sống, sự chuyển tiếp vô sinh thành sinh vật, đến nguồn gốc loài người chuyển từ sinh vật sang đời sống xã hội. Thứ tư, đây là ngành khoa học có quá khứ lâu đời, nhưng luôn mới mẻ và triển vọng to lớn.
CHÖÔNG I
SINH HOÏC - CAÙC KHOA HOÏC VEÀ SÖÏ SOÁNG
I. THẾ NÀO LÀ SINH HỌC ?
II. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN.
III. CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN
IV. THẾ GIỚI SINH VẬT VỚI VĂN HÓA VIỆT NAM
I. THẾ NÀO LÀ SINH HỌC ?
1. Sự đa dạng và thống nhất của sự sống.
2. Các tính chất đặc trưng của sự sống.
3. Các biểu hiện của sự sống.
Sinh học : "Khoa học về sự sống".
Biology (tiếng Anh), Biologie (tiếng Pháp),
Biologia (tiếng Nga)
chữ Hy Lạp : Bios (sự sống) và Logos (môn học hay học thuyết).
SỰ SỐNG LÀ GÌ ?
Theo ngôn ngữ Việt nam chữ sống có nhiều nghĩa: chưa chết, tươi (chưa chín như rau sống,...),...
Ở đây sự sống được hiểu là dạng hoạt động vật chất có trong mỗi sinh vật.
SỰ SỐNG LÀ GÌ ?
1. Sự đa dạng và thống nhất của sự sống.
Quanh ta, nơi nào cũng có các sinh vật: cây cỏ, côn trùng, tôm, cá, ếch nhái, rắn, rùa, chim, thú,...và cả các vi sinh vật. Các nhà khoa học ước tính có khoảng hơn 2 triệu loài sinh vật sống trên hành tinh chúng ta. Về mặt sinh học con người chỉ là một loài trong khối đa dạng muôn màu sắc đó. Sự đa dạng của sự sống biểu hiện ở hai mặt : đa dạng các loài và hệ thống thứ bậc từ thấp lên cao của nhiều mức tổ chức khác nhau.
a. Đa dạng các loài
Mỗi loài sinh vật có những đặc điểm riêng bên ngoài, cấu trúc bên trong và cả các biểu hiện sống đặc thù. Ngay xét bề ngoài, sự khác nhau thể hiện rõ ở nhiều mặt như: kích thước, màu sắc, hình dáng, trọng lượng,... Điều nà dễ nhận thấy, ví dụ : về kích thước thì các vi khuẩn trong khoảng 1/1000 đến 10/1000mm phải nhìn dưới kính hiển vi mới thấy, trong khi đó nhiều cây cổ thụ cao đến 50 - 60m. Về tuổi thọ, vi khuẩn Escherichia coli mỗi thế hệ có thể dài chỉ 20 phút, các cây cổ thụ có thể sống nghìn năm. Sự đa dạng đến mức không có hai sinh vật giống như nhau.
b. Hệ thống thứ bậc nhiều mức tổ chức khác nhau
Có các mức tổ chức chủ yếu :
Các đại phân tử sinh học,
Tế bào - đơn vị cơ sở của sự sống,
Cá thể - đơn vị cơ sở của sự tồn tại độc lập có hoạt động sống,
Quần thể - đơn vị cơ sở của tiến hóa,
Loài - đơn vị căn bản của tiến hóa,
Quần xã (community) - sự cùng tồn tại của nhiều loài sinh vật với nhau ở một vùng nhất định.
Hệ sinh môi (ecosystems) - đơn vị căn bản của sinh môi,
Sinh quyển - sự sống trên hành tinh chúng ta.
c. Sự thống nhất.
Sự đa dạng ở khắp mọi nơi dễ nhận thấy, nhưng sự thống nhất chỉ biết được từ các phân tích khoa học. Sự thống nhất biểu hiện ở hệ thống phân loại và sự giống nhau ở các cấu trúc và cơ chế sống vi mô.
Dựa vào các đặc điểm hình thái giống nhau có thể xếp các sinh vật vào những nhóm nhất định gọi là nhóm phân loại. Nhóm phân loại lớn nhất, bao trùm, được gọi là giới. Ví dụ, giới thực vật, giới động vật, giới nấm. Mỗi giới được chia thành các nhóm nhỏ hơn gọi là giới phụ. Tuần tự ta có sự phân chia nhỏ dần như sau: giới ? giới phụ ? lớp ? bộ ? họ ? giống ? loài
LUCA: The Last Univeral Cellular Ancestor
LUCY
Nguyên tắc thứ nhất: các kiến thức sinh học phải nằm trong hệ thống kiến thức về sự tiến hóa của thế giới sinh vật
Con số các đối tượng dùng trong nghiên cứu rất nhỏ so với khối đa dạng to lớn trong thiên nhiên. Đó là những đối tượng tiêu biểu mà kết quả suy ra được cho từng nhóm hay cả sinh giới. Ví dụ, ruồi giấm là đối tượng nghiên cứu di truyền; ếch, chuột , thỏ dùng tìm hiểu sinh lý ĐV và người. Có thể so sánh, đối chiếu sinh vật thấp hoặc cao hơn. Những so sánh đối chiếu sẽ giúp hiểu sâu, nhìn rõ sự phát triển từ thấp lên cao, từ đơn giản đến phức tạp. Quan điểm tiến hóa sẽ giúp kiến thức sinh học có hệ thống,có thể suy đoán về từng nhóm sinh vật.
Nguyên tắc thứ hai: tế bào là đơn vị nghiên cứu của sinh học
Trong khối đa dạng của sinh giới các nhà khoa học đã tách ra được các cấu trúc và đơn vị ở những mức độ tổ chức khác nhau. Tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống, nên việc nghiên cứu nó giúp hiểu ngay tận gốc các cơ nguyên sống của toàn bộ sinh giới. Tế bào quan trọng đối với sinh học như phân tử đối với hóa học.
Nhöõng ñaëc tính chung :
- Màng tế bào.
- Kích thước rất nhỏ bé.
- Phân vùng.
Hệ thống cấu trúc màng
2. Các tính chất đặc trưng cho sự sống
Càng đi sâu phân tích thế giới vi mô, sự sống có những tính chất đặc trưng giống nhau . Sự sống là một dạng hoạt động vật chất phức tạp hơn nhiều và cao hơn hẳn so với các quá trình vật lý và hóa học trong tự nhiên. Con người ngày càng hiểu sâu về thế giới vi mô các sinh vật. Việc giải thích sự sống phụ thuộc tri thức mỗi thời đại, như con người ví như đồng hồ, tim như cái bơm. Ngày nay, ngoài các yếu tố vật chất, năng lượng vốn có ở giới vô sinh, chúng ta xét thêm thông tin là tính chất mới phát triển cao ở các sinh vật.
a. Vật chất: Cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi
Đây là tính chất đầu tiên dễ nhận thấy. Các sinh vật cũng được tạo nên từ những nguyên tố vốn có trong tự nhiên, nhưng cấu trúc bên trong phức tạp và chứa vô số các hợp chất hóa học rất đa dạng . Ví dụ : vi khuẩn Escherichia coli (E.coli), một sinh vật đơn bào nhỏ bé với kích thước 1 - 2 micromet, nặng 2.10-6 mg (2 phần triệu miligram) chứa khoảng 40 tỉ phân tử nước với 5.000 loại các hợp chất hữu cơ khác nhau. Riêng protein có khoảng 3000 loại với cỡ 1.000.000 phân tử, mà phần lớn cấu trúc chưa biết được. Nếu tính ở người thì số loại protein không phải là 3.000 như ở E.coli, mà là 5 triệu loại, lại không giống với E.coli.
Các chất phức tạp trong cơ thể sống hình thành nên các cấu trúc tinh vi thực hiện một số chức năng nhất định. Không những các cấu trúc như màng, nhân tế bào ... mà cả từng loại đại phân tử cũng có vai trò quan trọng nhất định. Trong thế giới sinh vật hoàn toàn có thể nói về chức năng của một loại phân tử. Ví dụ bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, "bệnh phân tử" vì trong 600 acid amin tạo nên protein hemoglobin ở vị trí 6 mạch ? acid glutamic bị thay bằng valin. Trong gần 600 acid amin chỉ 1 bị thay thế đã gây bệnh trên. Từng loại phân tử có tầm quan trọng. Điều không có trong giới vô cơ.
Tế bào E.coli nhỏ bé với cấu trúc và tổ chức phức tạp như vậy nhưng có hoạt động sống rất cao, trong 20 phút có thể sinh sản tạo tế bào mới giống hệt. Hiện nay con người đã chế tạo được các tàu vũ trụ, nhưng chưa chế tạo được cái máy nào tự nó sản sinh ra nó!
Các cấu trúc được tạo ra để thực hiện chức năng nhất định.
Nguyên tắc thứ ba:
Sự tương quan thống nhất giữa cấu trúc và chức năng biểu hiện ở tất cả các mức tổ chức khác nhau.
Để hiểu rõ chức năng nào đó, cần biết chi tiết nó được thực hiện do cấu trúc nào. Ngược lại biết rõ chức năng có thể suy ra cấu trúc.
b. Năng lượng: Sự chuyển hóa phức tạp.
Đặc điểm thứ hai là khả năng thu nhận năng lượng từ môi trường và biến đổi xây dựng, duy trì tổ chức phức tạp đặc trưng cho sự sống. Một số các sinh vật đã lấy những chất đơn giản nhất như CO2, N2, H2O làm nguyên liệu và ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng. Năng lượng lượng tử của ánh sáng được chuyển thành năng lượng hóa học trong các chất hữu cơ của cây xanh, từ đó lưu chuyển sang các sinh vật khác.
Sự chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào diễn ra phức tạp, có thể ví tế bào như "nhà máy hóa học đặc biệt": nhiều phản ứng xảy ra đồng thời, nhanh nhạy, chính xác, hiệu quả cao, lại được sự điều hòa hợp lý đúng lúc, đúng nơi. Tế bào nhận năng lượng bên ngoài vào ở dạng năng lượng hóa học (các chất hữu cơ của thức ăn), sau đó được cải biến để thực hiện công hóa học trong tổng hợp các thành phần tế bào, công cho vận chuyển vào tế bào, và công cơ học cho co cơ và di chuyển. Cặn bả dư thừa được thải ra ngoài.
Vật chất vô sinh không có khả năng sử dụng năng lượng bên ngoài để duy trì cấu trúc của bản thân nó như các sinh vật. Ngược lại, vật chất vô sinh khi hấp thu năng lượng bên ngoài như ánh sáng, nhiệt, nó chuyển sang trạng thái hỗn loạn hơn và ngay sau đó tỏa ra xung quanh.
Tóm lại, tế bào là một hệ thống hở không cân bằng, nó lấy năng lượng từ bên ngoài, sử dụng vật chất và năng lượng với một hiệu quả cao hơn hẳn so với máy móc mà con người chế tạo. Về mặt năng lượng, tế bào cũng tuân theo quy luật nhiệt động học hai: nó thu nhận vật chất và năng lượng duy trì tổ chức cao của nó, đồng thời làm tăng sự hỗn loạn của môi trường xung quanh nó.
Nguyên tắc thứ tư: Tất cả các sinh vật đều có thành phần cấu tạo vật lý và hóa học như giới vô sinh và toàn bộ các quá trình sống đều tuân theo các quy luật vật lý và hóa học.
Nguyên tắc thứ năm: Các sinh vật phải thu nhận năng lượng và vật liệu để duy trì cấu trúc đặc thù, rồi thải phế phẩm ra ngoài.
Hoạt động sống vô cùng phức tạp nên nhiều người cho rằng có nhân tố siêu tự nhiên nào đó tác động vào các sinh vật.
Theo sinh lực luận (vitalist) trong mỗi sinh vật có lực sống (vital force) đặc biệt. Hai nguyên tắc 4 và 5 nhấn mạnh rằng sự sống cũng tuân theo các quy luật vật chất thông thường, dù rất phức tạp nhưng khoa học có thể đi sâu nghiên cứu bản chất của nó.
F. Enghels có định nghĩa: "Sinh học là hóa học của sự sống". Dĩ nhiên hóa học của sự sống có những nét đặc thù riêng như vừa nêu trên và ở các chương sau.
c. Thông tin: ổn định, chính xác và liên tục
Chứa và truyền đạt thông tin là tính chất tuyệt diệu nhất của thế giới sinh vật, không có ở các chất vô sinh nếu thiếu sự chế tạo do con người. Thông tin liên quan đến sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản ứng thích nghi.
Thông tin là khả năng cảm nhận trạng thái bên trong hệ thống và tác động từ môi trường, bảo tồn, xử lý và truyền đạt. Thông tin ở dạng mã hóa, có thông tin di truyền và thích nghi.
Thông tin di truyền : Nhờ có thông tin, tế bào có khả năng tự sinh sản tạo ra thế hệ con giống hệt cha mẹ. Sự sinh sản gắn liền với tính di truyền được biểu hiện rõ� qua nhiều thế hệ. Thế hệ trước truyền cho thế hệ sau không phải các tính trạng mà chương trình phát triển của mỗi loài sinh vật được gọi là thông tin di truyền.
Thông tin di truyền được mã hóa ở dạng trình tự thẳng của 4 loại nucleotid rồi hiện thực hóa ra dạng cấu trúc không gian ba chiều của các phân tử protein và các cấu trúc tế bào.
Thông tin di truyền được hiện thực hóa ở thế hệ sau trong quá trình phát triển cá thể. Mỗi sinh vật đều lập lại chính xác các giai đoạn phát triển như của cha mẹ. Con người bắt đầu từ hợp tử, rồi phôi, thai, sinh ra, đi,...,già, chết. Bộ gen chi phối mọi biểu hiện sống: tái tạo các cấu trúc tinh vi, điều hòa thực hiện hàng loạt phản ứng hóa học giúp phản ứng và thích nghi với môi trường.
Có định nghĩa rằng: "Sự sống - đó là sự duy trì và tái tạo tích cực cấu trúc đặc thù kèm theo tiêu tốn năng lượng".
Thông tin di truyền tinh vi được truyền đạt cho nhiều thế hệ nối tiếp với sự ổn định cao nhờ các cơ chế sao chép chính xác và phân chia đều cho các tế bào con. Cá thể sinh vật đến lúc nào đó sẽ chết, nhưng thông tin không chết, lại được truyền cho thế hệ sau và có thể biến đổi tiến hóa. Nhờ có thông tin thế giới sinh vật không những bất tử mà hoàn thiện không ngừng, dẫn đến con người trí tuệ để chuyển sang tiến hóa xã hội.
Nhờ sự nối tiếp di truyền mà sự sống từ khi xuất hiện cho đến nay là một dòng liên tục và tất cả các sinh vật trên quả đất đều có quan hệ họ hàng nhau, bắt nguồn từ một tổ tiên chung.
Thông tin thích nghi :
Ở động vật nhiều thông tin liên quan đến hoạt động của hệ thần kinh. Một biểu hiện ghi nhận thông tin là trí nhớ. Nhiều cơ chế tinh vi chính xác, nhanh nhạy để thu nhận thông tin ở các loài sinh vật giúp chúng phản ứng chủ động với môi trường. Đó là ánh sáng ở con đom đóm, các chất dẫn dụ nhau của côn trùng, âm thanh tiếng kêu của chim, điệu múa chỉ đường lấy phấn hoa ở ong,... Thực vật cũng có những thông tin thích nghi tuy không nhanh nhạy : rễ cây hướng chỗ phân, cây mọc phía ánh sáng,...
Thông tin thích nghi lúc đầu ở đời sống cá thể tạo ưu thế trong đấu tranh sinh tồn, được chọn lọc tự nhiên giữ lại và ghi thêm vào thông tin di truyền. Do vậy, thông tin thích nghi cũng chịu sự chi phối của bộ gen và được lưu truyền. Bộ gen của sinh vật tiến hóa cao hơn còn mang thông tin di truyền của tổ tiên. Điều này thể hiện rõ ở sự lặp lại ngắn gọn các giai đoạn của tổ tiên trong sự phát triển phôi sinh vật bậc cao: phôi người lúc đầu giống cá, rồi bò sát, cũng có lông,... Tiến hóa thích nghi tạo sự đa dạng từ tổ tiên. Tiến hóa có sự thừa kế.
Có lẽ các cơ chế thu nhận thông tin để phản ứng lại với môi trường sống chung quanh là quan trọng nhất trong tiến hóa. Ở người, một miệng ăn, một mũi thở cung cấp vật liệu và năng lượng cho sự sống. Nhưng các giác quan để thu nhận thông tin thì nhiều hơn hẳn: da của toàn thân, hai mắt để thấy và cảm nhận áp suất, hai tai nghe và định thăng bằng, hai lỗ mũi, lưỡi và hai tay sờ nắm.
Nguyên tắc thứ sáu: trong nghiên cứu sinh học, bộ gen chứa thông tin di truyền cho sự sinh sản và phát triển. Bộ gen của tất cả các sinh vật có cấu trúc tế bào đều là acid nucleic, xuất phát điểm biểu hiện sự sống ở mức phân tử, biểu hiện sự thống nhất của sinh giới�. Mọi tính trạng của sinh vật đều chịu sự chi phối của các gen tương ứng. Trong khối đa dạng của nhiều tính trạng, có thể tách riêng từng đơn vị lẻ để nghiên cứu, đó là gen-tính trạng.
Nguyên tắc thứ bảy: nghiên cứu sinh học phải đặt trong tiến trình của sự phát triển cá thể. Hoạt động sống diễn ra liên tục không ngừng và cơ thể sinh vật đổi khác từng giây theo chương trình phát triển. Ai cũng dễ nhận thấy hoạt động sống của người trẻ khác với người già. Khi tìm hiểu các quá trình sinh học phải biết nó nằm trong giai đoạn nào của sự phát triển.
Nguyên tắc thứ tám: sự phổ biến của các cơ chế phản hồi trong thế giới sinh vật. Các tín hiệu muôn hình vạn trạng thường xuyên tác động đến sinh vật, chúng thu nhận thông tin, xử lý và có phản ứng đáp lại. Một biểu hiện là mối liên hệ ngược (feed-back): một chất được tổng hợp dư thừa nó sẽ ức chế enzyme đầu chuỗi phản ứng làm dừng lại.
Nguyên tắc thứ chín: sự thừa kế của các quá trình sinh học. Nguyên tắc này nằm trong hệ thống tiến hóa, nhưng được tách riêng ra để nhấn mạnh thêm.
Sinh học tuy đã tiến những bước dài, nhưng còn nhiều hiện tượng kỳ bí dễ dẫn đến mê tín như linh cảm, thần giao cách cảm, "nhân điện",... Không loại trừ khả năng trong quá trình tiến hóa rất lâu dài hơn 3,5 tỉ năm ở thế giới sinh vật đã xuất hiện những dạng năng lượng và thông tin khác nữa mà trình độ khoa học đương thời chưa đủ sức phát hiện.
Tóm lại, sự sống là một dạng hoạt động vật chất phức tạp trên cơ sở tương tác đồng thời của 3 yếu tố vật chất, năng lượng và thông tin. Sự trình bày thành từng mục chỉ nhằm để dễ hiểu, trong hoạt động sống cả 3 yếu tố phối hợp thành một thể thống nhất.
3. Các biểu hiện của sự sống
a. Trao đổi chất (metabolism).
Để tồn tại các tế bào phải thực hiện liên tục hàng loạt phản ứng hóa học để phân hủy các chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng và vật liệu cho sinh tổng hợp và các quá trình sống như tăng trưởng, vận động, sinh sản,.. Toàn bộ các hoạt động hóa học của sinh vật được gọi là sự trao đổi chất.
Khi trao đổi chất dừng thì sinh vật chết. Các phản ứng trao đổi chất diễn ra phức tạp với nhiều điểm ưu việt đã nói đến ở trên.
b. Sự nội cân bằng (homeostasis).
Quá trình trao đổi chất tuy phức tạp, nhưng được sự điều hòa hợp lý để duy trì các hoạt động bên trong tế bào ở mức cân bằng và ổn định ở một trạng thái nhất định. Ví dụ, nhiệt độ cơ thể người bình thường luôn được duy trì ở 37oC dù thời tiết có thay đổi nóng lạnh khác nhau. Xu hướng các cơ thể sinh vật tự duy trì môi trường bên trong ổn định gọi là sự nội cân bằng và được thực hiện do các cơ chế nội cân bằng (homeostatic mechanisms). Các cơ chế này rất nhạy cảm và hữu hiệu.
Sinh vật ở mức phát triển càng cao, các cơ chế điều hòa càng phức tạp.
c. Sự tăng trưởng (growth).
Sự tăng trưởng là tăng khối lượng chất sống của mỗi cơ thể sinh vật. Nó bao gồm sự tăng kích thước của từng tế bào và tăng số lượng tế bào tạo nên cơ thể. Sự tăng trưởng của tế bào khác nhiều về căn bản so với sự lớn lên của tinh thể trong dung dịch muối. Một đặc điểm nữa là khi sự tăng trưởng diễn ra, từng phần của tế bào hay cơ thể vẫn hoạt động bình thường.
Một số thực vật có thời gian tăng trưởng kéo dài rất lâu như các cây cổ thụ nghìn năm. Hầu hết động vật có giới hạn tăng trưởng nhất định, kích thước đạt tối đa lúc sinh vật trưởng thành.
d. Sự vận động.
Sự vận động dễ nhận thấy ở các động vật như các động tác leo, trèo, chạy, nhảy, bơi, bay,... Sự vận động cũng có ở thực vật, nhưng rất chậm và khó nhận thấy như dòng chất trong tế bào lá gọi là cyclosis. Các vi sinh vật vận động nhờ các lông nhỏ hay giả túc như ở amíp.
e. Sự đáp lại (responsiveness).
Mặt biểu hiện này của sự sống cũng dễ nhận thấy ở các loài động vật. Đáp lại các kích thích khác nhau từ môi trường bên ngoài, các động vật có những phản ứng nhất định như thay đổi màu sắc, nhiệt độ, tập tính sống,... Con mắt người là một cơ quan rất tinh vi thu nhận nhanh nhạy, chính xác các kích thích ánh sáng truyền cho hệ thần kinh để con người có phản ứng đáp lại.
Các thực vật cũng có nhiều phản ứng tuy chậm và khó nhận thấy hơn như cây xanh mọc về ánh sáng, định hướng gốc ngọn theo trọng trường,... Không ít ví dụ về sự phản ứng ở thực vật như cây mắc cỡ, cây bắt ruồi.
f. Sự sinh sản.
Biểu hiện này của sự sống dễ nhận thấy ở tất cả các loài sinh vật. Từ lâu, con người đã biết: "sinh vật sinh ra sinh vật" và "tế bào sinh ra tế bào". Các sinh vật nhỏ bé như các vi khuẩn lại có tốc độ sinh sản nhanh.
Có hai kiểu sinh sản: vô tính và hữu tính. Sự sinh sản hữu tính ra đời muộn hơn, nhưng nó tạo nên sự đa dạng lớn làm tăng nhanh tốc độ tiến hóa của sinh giới. Nhiều vi sinh vật sinh sản vô tính, nhưng chúng có các quá trình cận hữu tính làm tăng biến dị di truyền.
g. Sự thích nghi.
Sự thích nghi là khả năng cơ thể thích ứng với môi trường sống. Sự biểu hiện đặc trưng này của sự sống giúp các sinh vật tồn tại trong thế giới vật chất luôn biến động. Các cơ chế thích nghi làm tăng khả năng sống còn của các sinh vật trong môi trường đặc biệt. Có nhiều dạng thích nghi như về cấu trúc, sinh lý, tập tính hay sự phối hợp của các dạng. Hầu như mỗi sinh vật có cơ chế thích nghi độc đáo riêng, khó kể hết. Các cơ chế thích nghi là kết quả của quá trình tiến hóa lâu dài.
Một số định nghĩa về sự sống :
"Các cơ thể sống tồn tại trên trái đất là những hệ thống mở, tự tái sinh, tự điều chỉnh gồm các đại phân tử sinh học là protein và acid nucleic".
"Tế bào sống - đó là hệ thống đẳng nhiệt hở, có khả năng tự lắp ráp, tự điều hòa và tự sinh sản. Hệ thống đó gồm một số lớn các phản ứng liên quan lẫn nhau được tăng nhanh tốc độ nhờ các chất xúc tác sinh học do tế bào sản sinh ra; tế bào hoạt động theo nguyên tắc tiết kiệm tối đa các thành phần và các quá trình".
Và thứ hai, nếu như khoa học đã đạt đến mức, khi xuất hiện sự cần thiết mở rộng nội dung khái niệm "sự sống", đưa vào nó những đặc tính mới, thì có thể tiên đoán trước rằng, những nghiên cứu tiếp theo sẽ không dừng lại ở đó. Điều này tương ứng với phép biện chứng của sự phát triển nhận thức, với lô-gic nội tại của tiến bộ khoa học.
Ở trình độ những tri thức hiện đại về các quá trình sống, trong nội dung khái niệm sống cần phải đưa vào các đặc tính chỉ rõ cấu trúc của sinh vật, các quá trình diễn ra ở những mức độ khác nhau, và chức năng được thực hiện do những cấu trúc khác nhau của nó.
Từ những điểm nêu trên, có thể rút ra định nghĩa như sau :
" Sự sống là phương thức tồn tại của vật chất, xuất hiện theo qui luật ở cấp độ các hợp chất cao phân tử (polymer), được đặc trưng bởi các cấu trúc biến động và linh hoạt, bởi chức năng trao đổi, và cả các quá trình tự điều hòa, tự hồi phục, tích lũy và truyền đạt thông tin di truyền ".
NGÀNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
MŨI NHỌN CỦA THẾ KỶ
Công nghệ sinh học có thẻ� hiểu đơn giản là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người.
Nhân loại đang sống ở thiên niên kỷ mới thứ ba, thế kỷ 21,��thế kỷ công nghệ sinh học��, cụm từ không còn chỉ về tương lai như cách nay vài thập niên mà khẳng định một hiện thực.
II. THẾ KI� CNSH LÀ MỘT TẤT YẾU LỊCH SỬ.
Năm 1989, ông Covalchenko, Viện sĩ Viện hàn lâm khoa học Liên Xô, chuyên về tư liệu lịch sử có nhận xét vê xu hướng phát triển khoa học như sau :"thế kỉ 20 là thế kỉ của vật chất vô sinh, thế kỉ 21 là thế kỉ hữu sinh (sinh vật), thế kỉ 22 là thế kỉ con người, thế kỉ 23 là thế kỉ hoạt động cá thể của con người,.".
Từ 4,6 tỉ năm có 3 quá trình tiến hóa :
- Tiến hóa nguyên tử hay vật lí kéo dài 1,0 tỉ năm đầu.
- Tiến hóa hóa học từ 0,5 tỉ năm đầu, kéo dài 1,5 tỉ năm.
- Tiến hóa sinh học sau 1,0 tỉ năm, từ 3,5 năm trước, kéo dài đến nay và với sự xuất hiện loài người đã chuyển sang tiến hóa xã hội. Sự sống là bước phát triển cao hơn của tiến hóa và phức tạp hơn rất nhiều so với các quá trình vật lí và hóa học.
Nữa đầu thế kỉ 20 được coi là thế kỉ vật lí học, mà đỉnh cao ứng dụng là chế tạo thành công bom nguyên tử và chuẩn bị cho con người bay vào vũ trụ. Nữa sau thế kỉ 20, vật lí và hóa học tiếp tục phát triển mạnh và nhiều ngành mới đã hình thành như chinh phục không gian vũ trụ, công nghệ thông tin, tự động hóa, vật liệu mới, công nghệ nano,. Cùng với đà� phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đó, sinh học đã thu được những thành tựu sáng chói để vững bước tiến vào thế kỉ công nghệ sinh học.
1. Những bước tiến vượt bậc của Sinh học thế kỉ 20.
a. Các phát minh chủ yếu thế kỉ 19.
Sinh học thế kỉ 19 tạo những tiền đề căn bản cho sinh học thực nghiệm thế kỉ 20 :
- Năm 1655, tế bào được nhìn thấy nhờ kính hiển vi, và năm 1837 - 1838, Schleiden và Schwann nêu ra học thuyết tế bào.
phái animaculium
- Năm 1859, C. Darwin nêu ra học thuyết tiến hóa làm thay đổi tư duy nhân loại : con người không phải là trung tâm vũ trụ.
- Năm 1865, Mendel chứng minh sự tồn tại của các nhân tố di truyền (gen) mở đầu cho các nghiên cứu đi sâu vào thế giới vi mô của sự sống. Năm 1868, F. Miescher phát minh ra DNA
- Những năm 1860, các nghiên cứu của L.Pasteur đã mở đường cho sự phát triên vi sinh vật học và CNSH vi sinh vật.
b. Những phát minh nền tảng của thế kỉ 20.
Đầu thế kỉ 20, khái niệm gen được xác lập và năm 1910 - 1920, T.H.Morgan, nêu ra thuyết di truyền nhiễm sắc thể (NST).
1953, mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick -> Sinh học phân tử. Phát minh khoa học lớn nhất thế kỉ 20, ra đời sau bom nguyên tử (1945) và trước Gagarin bay vào vũ trụ (1957). Năm 1962, Watson, Crick và Wilkins đã nhận giải Nobel và đến 2002 có 40 giải Nobel thì 2/3 liên quan đến DNA.
Tháng 2/1997, Wilmut công bố nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) cừu Dolly, mở ra triển vọng to lớn trong nhân giống nhiều loài động vật từ nhân của tế bào soma (tế bào thường cuả cơ thể), kể cả nhân bản người.
Tế bào gốc (Stem cell) từ phôi và tế bào soma
SỰ PHÁT TRIỂN VƯỢC BẬC CỦA SH
Năm 1865, Gregor Mendel và các quy luật Mendel.
Năm 1868, Frederic Miesher phát minh DNA.
Năm 1910-1920, T.H.Morgan với thuyết DI TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ.
Năm 1953, J.Watson, Fr.Crick với chuỗi xoắn kép DNA.
Năm 1973,KỸ THUẬT DI TRUYỀN ra đời
DI TRUYỀN HỌC MENDEL
Năm 1865, Gregor Mendel nêu ra các quy luật di truyền và khái niệm nhân tố di truyền, mà sau này gọi là gen.
Năm 1900 được coi là năm ra đời của Di truyền học với phát minh lại các quy luật Mendel. Đầu thế kỷ 20, khái niệm gen được xác lập, nhưng ở dạng trừu tượng�: nhân tố di truyền xác định một tính trạng.
PHÁT MINH DNA
Năm 1868, Johann Friedrich Miesher, một nhà sinh hóa học người Thụy Sĩ, ở tuổi 25, đã tìm ra một chất acid từ nhân (nucleus) tế bào bạch huyết của mủ và đặt tên là nuclein, mà sau này gọi là nucleic acid.
THUYẾT DI TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ
Năm 1910 - 1920, T.H.Morgan, nêu ra thuyết di truyền nhiễm sắc thể, chứng minh gen là một locus trên nhiễm sắc thể.
MÔ HÌNH CẤU TRÚC DNA CỦA WATSON-CRICK
- Năm 1953, mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick đặt nền móng cho sự phát triển của Sinh học phân tử. " Học thuyết trung tâm " của sinh học phân tử :
DNA ----------> mRNA ----------> protein
sao chép phiên mã dịch mã�
Lúc này Watson mới 25 tuổi
Sau phát minh DNA, giới khoa học đã tiên đoán thế kỷ 21 là "thế kỷ sinh học" và sự phát triển vượt bậc của Sinh học nữa cuối thế kỷ 20 đã biến dự báo thành hiện thực.
Vào những năm 1960, các phát minh Sinh học phân tử liên tiếp ra đời : 64 codon của mã di truyền (1961), điều hòa sự biểu hiện gen (1962),.
KỸ THUẬT DI TRUYỀN
- Năm 1972 - 1973, kỹ thuật di truyền ra đời làm "bùng nổ" cách mạng CNSH. Con người có khả năng cắt, nối, ghép, chép và chuyển gen trong ống nghiệm (in vitro). Kỹ thuật di truyền dẫn đến tư duy và phương pháp luận mới trong nghiên cứu sinh học và các ứng dụng thực tiễn.
- Con người có khả năng vượt giới hạn tiến hóa, thay quyền tạo hóa cải biến sinh giới và cả bản thân cơ thể sinh học của con người.
Thế kỉ CNSH là một tất yếu lịch sử
Mặc dù chúng ta đang sống trong một kỉ nguyên thịnh vượng và công nghệ phát triển vượt bậc chưa từng thấy trong lịch sử, nhưng nhiều thách thức gay gắt đang đặt ra cho loài người.
- Duy trì mạng sống con người�:
Nhiệm vụ hàng đầu của CNSH là giải quyết vấn đề mạng sống mà mỗi con người đều phải trải qua là sinh, lão, bệnh, tử. CNSH đang tập trung nỗ lực tìm các loại thuốc hiệu nghiệm chữa khỏi các bệnh hiểm nghèo như ung thư, AIDS,.. Thuốc cho mọi người sống mạnh khoẻ�hơn : cho người trung niên, người già. Y học cá thể hóa sẽ phát triển mạnh và biện pháp dự phòng cho mỗi người kháng được bệnh sẽ là xu hướng chủ yếu của Y học thế ki� XXI.
- Đói và no quá mức :
Hiện vẫn còn có 800 - 850 triệu người bị suy dinh dưỡng, trong đó có hơn 200 triệu trẻ em, và rất nhiều trẻ trong số này sẽ không bao giờ phát triển đầy đủ những năng lực trí tuệ và thể chất của mình. Ngoài ra, 1 đến 1,5 tỉ người thường không có những bữa ăn cân đối với lượng chất dinh dưỡng theo yêu cầu.
Một mặt CNSH phải giải quyết nạn đói, mặt khác làm giảm số người béo phì đang gia tăng trên thế giới (khoảng 300 triệu năm 1995), đến mức ở Mĩ mới đây đã chính thức coi là một bệnh.
Thực phẩm�: không những an toàn toàn cho người hiện nay, mà cho cả thế hệ con cháu mai sau.
- Nhu cầu năng lượng
hiện nay rất cấp thiết và ngày càng gay gắt hơn khi dự báo nguồn năng lượng tái sinh sẽ cạn kiệt vào những năm 2050 - 2060. CNSH đang tập trung nỗ lực để biến nguồn sinh khối thực vật (như gỗ rừng, phụ phế liệu nông nghiệp,.) khổng lồ trên Trái đất thành nhiên liệu tiện dụng như cồn ethanol thay xăng dầu. Ngoài ra, hydrogen là nguồn năng lượng lí tưởng, mà sản xuất hydrogen sinh học hứa hẹn là nguồn năng lượng rẻ tiền, an toàn và không gây ô nhiễm.
- Cải thiện môi trường sống�:
Sự phát triển công nghiệp và khai thác tài nguyên quá độ đã gây những hiểm họa môi trường như vấn đề khí thải làm khí quyển nóng lên. CNSH phải gia tăng các quy trình công nghệ ít gây ô nhiễm hoặc thay thế quy trình có hại như sản xuất hóa chất xanh (green chemicals) hay các vật liệu chịu phân huỷ sinh học. Đồng thời tìm các biện pháp khắc phục ô nhiễm và bồi hoàn sinh học (bioremedation) như xử lí nước thải, phân huỷ các chất dị sinh (xenobiotic).
Sinh học thế kỉ XX đã đặt bệ phóng vững chắc và nâng lên tầm cao mới cho sự phát triển Sinh học và Công nghệ Sinh học trong thế kỉ XXI. Kể từ thuở hoang sơ, khi con người còn thu nhặt hái lượm, chưa bao giờ con người hiểu biết về cơ thể mình sâu sắc như hiện nay, chưa bao giờ con người có quyền lực ghê gớm như hiện nay trong cải biến thiên nhiên phục vụ cho mình. Công nghệ Sinh học trong thế kỉ XXI sẽ góp phần tích cực khắc phục những thách thức nêu trên và đó cũng là một tất yếu lịch sử của sự phát triển KHCN của nhân loại.
CÔNG NGHỆ SINH HỌC LÀ GÌ ?
Công nghệ sinh học (Biotechnology) do kỹ sư Hungary Karl Ereky nêu năm 1917 chỉ quá trình nuôi heo quy mô lớn bằng củ cải đường lên men.
Năm 1961, "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" (Tạp chí kỹ thuật và công nghệ vi sinh sinh hóa) đổi tên "Biotechnology and Bioengineering" (Công nghệ sinh học và kỹ thuật sinh học).
Những năm 1970, sự "bùng nổ" CNSH.
Công nghệ sinh học theo 2 nghĩa :
- Một xu hướng hiểu theo nghĩa rộng bao gồm cả các ứng dụng lâu đời như lên men rượu,bia, sản xuất phomai ,...và các kỹ thuật cao cấp ngày nay. Hiểu theo nghĩa rộng thì CNSH xuất hiện cách đây hơn 100 thế kỷ ( 10.000 năm).
- Một xu hướng hiểu nghĩa hẹp : CNSH liên quan đến kỹ thuật hiện đại nhất như công nghệ di truyền và các kỹ thuật cao cấp khác như cố định enzyme,tạo dòng vi khuẩn tổng hợp protein của người,tạo các kháng thể đơn dòng ...
Đến nay, có thể phân biệt 3 loại : CNSH truyền thống (Traditional Biotechnology), CNSH hiện đại (Modern Biotechnology) và Công nghệ sinh học phân tử (Molecular Biotechnology) là công nghệ ứng dụng kỹ thuật di truyền (Genetic Engineering).
Quan niệm hiện nay về CNSH.
CNSH gồm 2 vế : sinh học (bio) và công nghệ (technology)
- Sinh học : CNSH khác với trồng trọt, chăn nuôi, ...ở chỗ nào ? Giới hạn ở mức nhóm tế bào, tế bào và dưới tế bào. Ví dụ, kỹ thuật in vitro nuôi mô tế bào cây lúa hay hạt phấn lúa.
- Công nghệ : ba khía cạnh khác nhau.
Thứ nhất, công nghệ lên men.
Thứ hai, với KTDT nói nhiều đến CNSH vì quá trình cải biến các sinh vật để tạo sản phẩm mới phải trãi qua nhiều công đoạn phức tạp đúng với nghĩa là một công nghệ. Ví dụ, quá trình nuôi tế bào, chiết tách DNA, chuyển gen,... đến thu nhận protein và peptid tổng cộng có tất cả 40 công đoạn hoặc nhiều hơn.
Thứ ba, CNSH là một phạm trù sản xuất có sự gắn kết chặt chẻ từ nghiên cứu cơ bản đến tạo ra sản phẩm thương mại hóa hay được sử dụng rộng rãi.
Hình 9.13. Chuối và dứa nuôi cấy mô.
Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người".
2. Các lĩnh vực của CNSH
a) CNSH phân theo đối tượng
? Công nghệ sinh học phân tử (Molecular biotechnology) gồm công nghệ gen và các ứng dụng kĩ thuật di truyền.
Sản phẩm : các protein, vaccin tái tổ hợp ; các chế phẩm dùng chẩn đoán và trị liệu ; các vi sinh vật, động thực vật chuyển gen ; .
? Công nghệ sinh học protein và enzyme (Biotechnology of proteins and enzymes).
Sản phẩm :
+ Các protein của máu ; vaccin và kháng thể ; hormone và nhân tố tăng trưởng ; interferon, interleukin ; protein dùng cho phân tích ; protein không xúc tác ;...
+ Các enzyme công nghiệp (industrial enzymes) như protease, amylase, pectinase;. ; các enzyme cố định (immobilized enzymes) ; các enzyme từ vi sinh vật cực đoan (extremophiles) ; ..
+ Cảm biến sinh học (biosensor).
? Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial biotechnology).
Sản phẩm : các loại thực phẩm lên men cổ truyền ( rượu, bia, fromage, tương, chao ...), các enzyme, các acid hữu cơ, các amino acid, các thuốc kháng sinh, các biopolymer,...hay sinh khối tế bào vi sinh làm nguồn protein, kể cả nấm trồng....
? Công nghệ sinh học thực vật (Plant biotechnology)
Sản phẩm : Các cây vi nhân giống trong ống nghiệm (in vitro), các dòng tế bào từ nuôi hạt phấn, các dòng tế bào thực vật được nuôi in vitro ứng dụng trong nhân và chọn giống,...
Hạt nhân tạo
? Công nghệ sinh học động vật (Animal biotechnology)
Sản phẩm : Các interferon, hormone chiết tách từ nuôi tế bào động vật, vaccin virus, các kháng thể đơn dòng, các tế bào gốc (stem cell) được nuôi tạo dòng (cloning) động vật, kĩ thuật mô tế bào, chẩn đoán nhanh đực cái, chuyển phôi ghép phôi,...
Bò nhân giống vô tính
Sản xuất công nghiệp nuôi bình lớn trên giàn kệ
b) CNSH goïi theo caùc lónh vöïc kinh teá xaõ hoäi
? Công nghệ sinh học y học (Medical biotechnology).
? Công nghệ sinh học thực phẩm (Food biotechnology).
? Công nghệ sinh học năng lượng (Energetic biotechnology).
? Công nghệ sinh học trong hóa học và vật liệu (Biotechnology in chemistry and materials).
? Công nghệ sinh học nông nghiệp (Agricultural biotechnology).
? Công nghệ sinh học môi trường (Environmental biotechnology).
Biểu tượng Bộ gen người
- Xét từ gốc độ Công nghệ nano thì tế bào là một hệ thống chứa nhiều công cụ nano. Mỗi protein và mỗi enzyme có thể là một công cụ nano. Ví dụ, phân tử hemoglobin ở phổi gắn với Oxygen và mang vào tận các mao quản nhả ra. Các enzyme thực hiện những phản ứng đặc hiệu với những cơ chất nhất định.
- Xét từ gốc độ Công nghệ tự động hóa thì tế bào là một bộ máy tự động hóa siêu hạng. Ví dụ, tế bào vi khuẩn tự di chuyển đến nguồn dinh dưỡng hấp thu thức ăn, biến đổi chất dinh dưỡng tạo năng lượng cho sự sống bản thân, tổng hợp cơ thể và tự sinh sản,..
Lá sen không thấm nước và không dính bụi
- Xét từ gốc độ Công nghệ vật liệu mới thì nhiều loại vật liệu của tế bào có những tính chất ưu việt mà con người mơ ước để tạo ra. Ví dụ, màng sinh chất chỉ với 2 lớp phospholipid và một ít protein, nhưng có tính cách điện, cách nhiệt, độ đàn hồi mà chưa có vật liệu nào do con người chế tạo ra sánh kịp, lại có tính thấm chọn lọc.
- Chế tạo vật liệu kết dính mô phỏng theo cấu t
* Một số tài liệu cũ có thể bị lỗi font khi hiển thị do dùng bộ mã không phải Unikey ...
Người chia sẻ: Võ Anh Hoàng
Dung lượng: |
Lượt tài: 0
Loại file:
Nguồn : Chưa rõ
(Tài liệu chưa được thẩm định)