Bài giảng Sinh học đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA NÔNG HỌC BÀI GIẢNG SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG Người soạn: Nguyễn Thị Hoà Bộ môn: Thực vật học Hà Nội, 2009 MỤC LỤC Chương I. TỔ CHỨC CỦA CƠ THỂ SỐNG......................................................................1 1.1. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SINH VẬT ....................................................................1 1.1.1. Sinh vật được cấu tạo từ tế bào............................................................................1 1.1.2. Sinh vật sinh trưởng và phát triển........................................................................1 1.1.3. Trao đổi chất .......................................................................................................1 1.1.4. Chuyển động.......................................................................................................1 1.1.5. Sinh vật trả lời lại các kích thích .........................................................................2 1.1.6. Sinh sản ..............................................................................................................2 1.1.7. Tiến hoá và thích nghi với môi trường.................................................................2 1.2. CẤU TRÚC TẾ BÀO PROCARYOTA ..................................................................2 1.3. CÂU TRÚC TẾ BÀO EUCARYOTA ....................................................................5 1.3.1. Màng tế bào (Plasma membrane) ........................................................................6 1.3.2. Vách tế bào thực vật............................................................................................7 1.3.3. Nhân tế bào....................................................................................................... 11 1.3.4. Tế bào chất ....................................................................................................... 11 1.3.5. Các bào quan khác ............................................................................................ 11 1.4. CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CÁC MÔ CHÍNH Ở THỰC VẬT VÀ ĐỘNG VẬT ĐA BÀO .......................................................................................................................... 19 1.4.1. Cấu tạo các mô chính ở thực vật hạt kín ............................................................ 19 1.4.2. Cấu tạo các mô chính ở động vật đa bào............................................................ 27 Chương II. NĂNG LƯỢNG SINH HỌC VÀ TRAO ĐỔI CHẤT .....................................29 2.1. SỰ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT QUA MÀNG ................................................... 29 2.1.1. Vận chuyển thụ động ........................................................................................ 29 2.1.2. Vận chuyển chủ động ............................................................................................. 30 2.1.3. Vận chuyển vật thể lớn qua màng ........................................................................... 31 2.1.4. Sự tiếp nhận thông tin qua màng tế bào................................................................... 31 2.2. NĂNG LƯỢNG SINH HOC ................................................................................ 32 2.2.1. Năng lượng ATP (Adenosin triphosphat) .......................................................... 32 2.2.2. Enzyme............................................................................................................. 33 2.3. HÔ HẤP ............................................................................................................... 36 2.3.1. Đại cương ......................................................................................................... 36 2.3.2. Quá trình đường phân ....................................................................................... 36 2.3.3. Sự lên men........................................................................................................ 38 2.3.4. Quá trình hô hấp hiếu khí .................................................................................. 38 2.3.5. Hoá thấm tổng hợp ATP trong hô hấp ............................................................... 40 2.4. QUANG HỢP....................................................................................................... 41 2.4.1. Đại cương về quang hợp: .................................................................................. 41 2.4.2. Hệ sắc tố quang hợp .......................................................................................... 42 2.4.3. Hai pha của quang hợp...................................................................................... 43 Chương III. QUÁ TRÌNH SINH SẢN Ở SINH VẬT ....................................................... 51 3.1. CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN BÀO........................................................................... 51 3.1.1. Phân bào nguyên nhiễm .................................................................................... 51 3.1.2. Phân bào giảm nhiễm (Meiosis) ........................................................................ 52 3.2. SINH SẢN Ở THỰC VẬT ................................................................................... 53 3.2.1. Sinh sản dinh dưỡng.......................................................................................... 53 3.2.2. Sinh sản hữu tính .............................................................................................. 57 Chương IV. TÍNH CẢM ỨNG VÀ THÍCH NGHI CỦA SINH VẬT ............................... 62 4.1. TÍNH CẢM ỨNG CỦA THỰC VẬT ................................................................... 62 4.1.1. Tính hướng kích thích ....................................................................................... 62 4.1.2. Hormon thực vật (Phytohormon):...................................................................... 62 4.1.3. Quang chu kỳ và phytocrom.............................................................................. 65 CHƯƠNG V. SỰ TIẾN HOÁ .......................................................................................... 67 5.1. NGUỒN GỐC SỰ SỐNG..................................................................................... 67 5.1.1. Hình thành các hợp chất hữu cơ đơn giản từ các chất vô cơ............................... 67 5.1.2. Quá trình trùng phân tạo nên các đại phân tử hữu cơ ......................................... 67 5.1.3. Sự xuất hiện cơ chế tự nhân đôi ........................................................................ 68 5.1.4. Hình thành các tế bào sơ khai............................................................................ 69 5.2. CÁC QUAN ĐIỂM PHÂN CHIA SINH GIỚI...................................................... 69 5.3. CÁC HỌC THUYẾT TIẾN HÓA......................................................................... 70 5.3.1. Khái niệm tiến hóa ............................................................................................ 70 5.3.2. Học thuyết tiến hoá của Lamac ......................................................................... 71 5.3.3. Học thuyết tiến hoá của Dacuyn ........................................................................ 72 5.3.4. Quan điểm hiện đại về tiến hoá ......................................................................... 73 5.4. BẰNG CHỨNG TIẾN HÓA ................................................................................ 76 5.4.1. Các hình thức cách li......................................................................................... 76 5.4.2. Các cơ chế hình thành loài mới ......................................................................... 76 1 Chương 1: TỔ CHỨC CỦA CƠ THỂ SỐNG 1.1.CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SINH VẬT 1.1.1. Sinh vật được cấu tạo từ tế bào Học thuyết tế bào, một trong những quan điểm thống nhất của cơ bản của sinh học, nói rằng mọi sinh vật đều được cấu tạo từ những đơn vị cơ sở được gọi là tế bào và từ các chất do tế bào sinh ra. Mặc dù khác nhau nhiều về kích thước và hình dạng bên ngoài, song mọi sinh vật đều được tạo nên từ những viên gạch cấu trúc nhỏ bé này. Một số dạng sống đơn giản nhất, như vi khuẩn, là những sinh vật đơn bào: chúng chỉ gồm một tế bào duy nhất. Ngược lại, cơ thể của con người hoặc của thực vật bậc cao được cấu tạo từ hàng tỉ tế bào. Trong các cơ thể đa bào phức tạp này, các quá trình sống phụ thuộc vào các chức năng được điều phối của các tế bào thành phần. Virus không được coi là sinh vật. Chúng chỉ có thể tiến hành các hoạt động sống và sinh sản bằng cách sử dụng bộ máy trao đổi chất của các tế bào mà chúng kí sinh, và do vậy, chúng được coi là nằm trên ranh giới giữa các cơ thể sống và sinh vật không sống. 1.1.2. Sinh vật sinh trưởng và phát triển Một số sinh vật không sống có vẻ như cũng sinh trưởng. Các tinh thể có thể được tạo thành trong một dung dịch muối quá bão hoà; kích thước của chúng có vẻ lớn hơn khi muối thoát ra khỏi dung dịch nhiều hơn, tuy nhiên, đây không phải là sinh trưởng theo nghĩa sinh học. Các nhà sinh học định nghĩa sinh trưởng là sự tăng về số lượng các chất sống bên trong cơ thể sinh vật. Sinh trưởng có thể bắt nguồn từ sự tăng kích thước của các tế bào riêng rẽ, về số lượng tế bào hoặc cả hai. Sinh trưởng có thể xảy ra đồng nhất trong các phần khác nhau của một cơ thể hoặc có thể lớn hơn ở một số phần nào đó so với những phần khác, qua đó làm cho tỉ lệ giữa các phần của cơ thể bị thay đổi khi quá trình sinh trưởng diễn ra. Các cơ thể sống vừa phát triển, vừa sinh trưởng. Sự phát triển bao gồm mọi sự thay đổi diễn ra trong cuộc đời của một sinh vật. Con người và nhiều sinh vật khác bắt đầu cuộc đời dưới dạng một quả trứng đã thụ tinh, trứng này sau đó lớn lên và phát triển các cấu trúc chuyên biệt và hình dạng cơ thể. 1.1.3. Trao đổi chất Ở mọi sinh vật, các phản ứng hoá học và những sự chuyển hoá năng lượng là các quá trình thiết yếu đối với dinh dưỡng, sinh trưởng và sửa chữa tế bào cũng như cho việc chuyển hoá năng lượng thành những dạng sử dụng được. Toàn bộ các hoạt động hoá học của cơ thể được gọi là trao đổi chất. Các phản ứng trao đổi chất diễn ra một cách liên tục trong mọi cơ thể sống và chúng phải được điều hoà một cách chu đáo để có thể duy trì một trạng thái cân bằng bên trong cơ thể. Khuynh hướng của sinh vật duy trì một môi trường bên trong tương đối ổn định được gọi là sự cân bằng nội môi, và các cơ chể thực hiện sự ổn định này được gọi là cơ chế cân bằng nội môi. 1.1.4. Chuyển động Mặc dù, không phải là bắt buộc, song chuyển động là một đặc điểm đặc trưng khác của sinh vật. Chất sống bên trong tế bào nằm ở trạng thái chuyển động liên tục, đồng thời các cơ thể cũng chuyển động khi chúng quan hệ với môi trường. Hầu hết động vật đều chuyển động, chúng ngọ nguậy, trườn, bơi, chạy hoặc bay. Chuyển động có thể là kết quả của sự ứa dần ra của tế bào (amip), từ sự đập các lông rung, lông roi hoặc từ sự co cơ. 2 Một số động vật như bọt biển, san hô…có các giai đoạn ấu trùng bơi tự do song không chuyển động từ nơi này đến nơi khác khi trưởng thành, tuy nhiên, chúng vẫn có các cấu trúc lông rung hoặc lông roi vận động, qua đó tác động tới môi trường nước xung quanh, giúp đưa thức ăn và các yếu tố cần thiết khác cho cơ thể. Mặc dù thực vật không chuyển động theo cách như chúng ta thấy ở động vật, song chúng vẫn chuyển động. Chẳng hạn, thực vật hướng lá của chúng về phía mặt trời và mọc về phía ánh sáng. Ở một số thực vật, như cây bắt ruồi, sự chuyển động là rõ ràng, thậm chí còn biểu hiện mạnh. 1.1.5. Sinh vật trả lời lại các kích thích Mọi dạng sống đều trả lời lại các kích thích, đó là những thay đổi về các yếu tố lý, hoá học trong môi trường bên trong và bên ngoài của chúng. Những kích thích gây nên sự trả lời ở hầu hết sinh vật là những thay đổi về màu sắc, cường độ hoặc hướng của ánh sáng; những thay đổi về nhiệt độ, áp suất hay âm thanh; những thanh đổi về thành phần hoá học của môi trường đất, không khí và nước bao quanh. Ở những cơ thể đơn giản, toàn bộ cơ thể có thể mẫn cảm với các kích thích. Chẳng hạn, một số cơ thể đơn bào trả lời lại ánh sáng gắt gao bằng cách trốn lủi. Ở các động vật bậc cao, một số tế bào của cơ thể được biệt hoá để trả lời lại một số dạng kích thích (chẳng hạn như các tế bào võng mạc của mắt trả lời sự có mặt của ánh sáng.) Mặc dù không rõ ràng như ở động vật, song thực vật cũng trả lời lại ánh sáng, trọng lực, nước, sự đụng chạm và các kích thích khác. Nhiều trả lời ở thực vật được thực hiện bởi tốc độ sinh trưởng khác nhau của các phần của cơ thể thực vật (cây bắt ruồi). 1.1.6. Sinh sản Ở các cơ thể đơn giản như amip, sự sinh sản có thể là vô tính bằng cách phân đôi. Trước khi phân chia, amip sẽ tổng hợp hai bản sao nguyên liệu di truyền (bộ gen) của nó và phân bố mỗi bộ hoàn chỉnh về một tế bào mới. Trừ kích thước ra, mỗi con amip con đều giống với tế bào mẹ. Ở hầu hết động vật và thực vật, sinh sản hữu tính được thực hiện nhờ sản sinh ra các tế bào trứng hoặc tinh trùng đã được biệt hoá có thể dung hợp với nhau để tạo thành một tế bào trứng đã thụ tinh, từ đây, một cơ thể mới sẽ dần được hình thành. 1.1.7. Tiến hoá và thích nghi với môi trường Khả năng tiến hoá và thích nghi với môi trường cho phép một quần thể tồn tại trong một thế giới luôn thay đổi. Thích nghi là những đặc điểm làm tăng khả năng sống sót của một cơ thể trong một môi trường nhất định. Đó có thể là sự thích nghi về cấu trúc, sinh lý, tập tính hoặc cả ba. Lưỡi dài, linh hoạt của ếch là một sự thích nghi để bắt côn trùng, còn bộ lông dày của gấu Bắc Cực là một sự thích nghi để vượt qua nhiệt độ băng giá. Mỗi cơ thể thành công về mặt sinh học sẽ là một tập hợp phức tạp của những thích nghi trong quá trình tiến hoá. Như vậy, cấu tạo cơ thể, đặc tính sinh trưởng và phát triển, trao đổi chất, chuyển động, đáp ứng các kích thích, sinh sản và tiến hoá chính là những đặc trưng của các cơ thể sống, giúp ta phân biệt chúng với những cơ thể không sống, những cơ thể hoàn toàn không có những đặc trưng trên. 1.2.CẤU TRÚC TẾ BÀO PROCARYOTA Những tiến bộ trong kỹ thuật hiển vi điện tử vào những năm 40 của thế kỷ 20 đã khám phá ra nhiều thông tin hơn về cấu trúc bên trong của tế bào so với những gì có thể làm được đối với kính hiển vi quang học. Một phát hiện đặc biệt quan trọng về phương diện hệ thống học là các tế bào sinh vật có thể được chia thành 2 nhóm dựa trên cách thức tồn tại của chất nhân bên trong tế bào: các tế bào nhân 3 chuẩn chứa một nhân được tách biệt khỏi tế bào chất nhờ một màng nhân, trong khi các tế bào nhân sơ chứa chất nhân không được bao bọc trong màng nhân. Sự khác biệt này là cơ sở để tách vi khuẩn khỏi các sinh vật khác. Vi khuẩn có một cấu trúc tế bào nhân sơ và là các sinh vật nhân sơ. Các tế bào khác gồm tảo, nấm, động vật nguyên sinh, động vật và thực vật đa bào có cấu trúc tế bào nhân chuẩn và là những sinh vật nhân chuẩn. Một tế bào nhân sơ điển hình bao gồm các cấu trúc chính sau:  Vách tế bào: Là một cấu trúc cứng, bao phủ màng sinh chất của tế bào, bảo vệ tế bào khỏi quá trình thuỷ phân.  Màng sinh chất: Được cấu tạo bởi hai lớp phospholipid, có cực kị nước quay vào nhau tạo thành vùng khô và cực ưa nước quay ra ngoài. Xuyên qua hai lớp hoặc trên mỗi lớp phospholipid có các phân tử protein. Trên màng còn có một số chỗ lõm sâu vào tạo thành mào để tăng diện tích tiếp xúc, nhờ đó làm tăng khả năng trao đổi chất giữa tế bào với môi trường. Màng sinh chất có nhiệm vụ kiểm soát quá trình trao đổi chất, duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào, là nơi sinh tổng hợp các thành phần của thành tế bào và các hợp chất để tạo bao nhày phía ngoài cùng của thành tế bào, là nơi thực hiện quá trình phosphoryl hoá oxy hoá và phosphoryl hoá quang hoá ở những vi khuẩn quang hợp. Về cơ bản, cấu trúc màng của sinh vật nhân sơ cũng giống với các sinh vật nhân chuẩn.  Miền nhân: Miền nhân hay còn gọi là thể nhân của tế bào prokaryota có thành phần chủ yếu là một phân tử ADN trần, xoắn kép, dạng vòng, là nơi chứa thông tin di truyền chủ yếu của vi khuẩn. Nó không có màng riêng để ngăn cách với các thành phần khác của tế bào.  Ribosome: Ở tế bào prokaryota, ribosome là bào quan chiếm tới 60% trọng lượng khô của tế bào. Nó được cấu tạo bởi 2 thành phần là ARNribosome (rARN) và protein. rARN của tế bào prokaryota có 3 loại với hằng số lắng đọng là 5s, 16s và 23s. Các phân tử rARN kết hợp với protein tạo thành 2 tiểu phần của ribosome với hằng số lắng đọng là 30s và 50s. Trong quá trình tổng hợp protein, 2 tiểu phần của ribosome kết hợp với nhau tạo thành ribosome hoàn chỉnh có hằng số lắng đọng là 70s. Trong một tế bào vi khuẩn có thể có tới 10.000 ribosome, chúng giữ vai trò vận chuyển và tổng hợp một số loại protein trong tế bào.  Chất nguyên sinh: Là một hệ thống chất lỏng với khoảng 80% là nước, phần còn lại là các nguyên tố hóa học (có khoảng hơn 50 nguyên tố) và các hợp chất hữu cơ như protein, axit nucleic, lipid, hydratcácbon có phân tử lượng nhỏ. Ngoài ra, ở một số vi khuẩn trong chất nguyên sinh còn chứa một số tinh thể độc. Đặc biệt, trong chất nguyên sinh của vi khuẩn còn có các phân tử ADN vòng, kích thước nhỏ gọi là plasmid, chúng có khả năng sao chép độc lập với AND của vi khuẩn. Khác với tế bào eukaryota, các bào quan ở tế bào prokaryota hầu như không có màng riêng và nó nằm lẫn lộn với chất nguyên sinh, không có lưới nội chất và ty thể.  Các bào quan khác: Các thành phần dưới đây có thể có hoặc không có mặt trong các tế bào nhân sơ. o Thể vùi: là thành phần chứa các chất dự trữ trong tế bào nhân sơ. Chúng có thể được hình thành khi môi trường thừa chất dinh dưỡng và sẽ tiêu biến khi nguồn dinh dưỡng cạn đi. 4 o Meosom: Meosom là một bộ phận được hình thành từ màng tế bào. Nó tham gia vào việc tạo màng tế bào trong quá trình phân bào. Ngoài ra, nó còn có tác dụng làm tăng diện tiếp xúc của tế bào, qua đó làm tăng khả năng hấp thụ và vận chuyển các chất dinh dưỡng qua màng. Ở các loại vi khuẩn có khả năng quang hợp, thì trên mesosom còn có chứa các sắc tố cần cho quang hợp. o Lông roi: Cấu trúc hỗ trợ cho quá trình di chuyển của nhiều loài vi khuẩn nhờ các chuyển động quay của chúng. Mesoxom Riboxom Thể vùi Màng sinh chất Vách tế bào Roi Tiêm mao Hình 1. 1. Cấu trúc tế bào sinh vật Procaryota 5 M 1.3. CÂU TRÚC TẾ BÀO EUCARYOTA Các tế bào Eucaryota có kích thước lớn hơn và cấu trúc phức tạp hơn so với các tế bào nhân sơ. Điểm khác biệt lớn nhất đó là chúng mang cấu trúc nhân thật với sự xuất hiện của màng nhân hoàn chỉnh bao kín cấu trúc nhân bên trong. Trong các tế bào nhân chuẩn cũng có sự xuất hiện các cấu trúc riêng biệt gọi là các bào quan – nơi diễn ra các hoạt động sống quan trọng của tế bào. Bào quan không có trong các tế bào nhân sơ mặc dù các hoạt động xảy ra trong bào quan, chẳng hạn như hô hấp hay quang hợp, vẫn xảy ra trong các tế bào này. Tuy có khá nhiều khác biệt trong thành phần cấu tạo tế bào giữa một số nhóm sinh vật, điển hình là thực vật và động vật, song giữa chúng cũng có nhiều đặc điểm chung. Hình 1. 2. Cấu tạo tế bào động vật 6 Hình 1. 3. Cấu tạo tế bào thực vật 1.3.1. Màng tế bào (Plasma membrane) Màng tế bào còn gọi là màng sinh chất là một lớp màng mỏng, ngăn cách vật chất bên trong tế bào với môi trường ngoài. Ở tế bào động vật, màng tế bào nằm ngoài cùng, còn ở tế bào thực vật thì phía ngoài của màng còn có thêm vách tế bào, có tác dụng tạo khung và bảo vệ tế bào. Hình 1. 4. Câú trúc màng tế bào a. Cấu tạo của màng Màng sinh chất được cấu tạo bởi hai lớp phospholipid có cực kị nước quay vào nhau tạo thành vùng khô và cực ưa nước quay ra ngoài. Xuyên qua hai lớp phospholipid hoặc trên mỗi lớp có các 7 phân tử protein. Ngoài ra, xen kẽ với lớp phospholipid còn có các phân tử cholesterol có tác dụng định vị màng. Màng của cá