Chương I SINH HỌC - KHOA HỌC VỀ SỰ SỐNG

1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SINH HỌC Sinh học có thể nói đó là khoa học về sự sống. Trong sinh học bao gồm nhiều lĩnh vực nghiên cứu như thực vật học, động vật học, vi sinh vật học, tế bào học, sinh lý học, di truyền học, ... Sự phát triển ngày càng mạnh của ngành khoa học này xuất hiện thêm nhiều bộ môn mới của sinh học như sinh học phân tử, công nghệ gen, công nghệ sinh học, ... Sinh học tập hợp những kiến thức khổng lồ về sự sống. Sinh học đại cương cung cấp cho sinh viên những kiến thức về cấu tạo và hoạt động của tế bào sống. Là những liến thức cơ sở quan trọng về sự sống, về cấu tạo tế bào, về sự phân chia tế bào để tạo nên một thế hệ mới, về quá trình chuyển hoá và tích luỹ năng lượng cũng như cơ sở khoa học về các quá trình vận động sinh học và quá trình tiến hoá. Sinh học nghiên cứu sự đa dạng của các cơ thể sống, cấu tạo chức năng, tiến hoá, phát triển cá thể và những mối tương quan với môi trường chung quanh của chúng [1]. Sinh học là một tập hợp khổng lồ về các học thuyết về cơ thể sống. Trong ngành khoa học này người ta thường phân chia ra thành các lĩnh vực như thực vật học, động vật học, vi sinh vật học - đó là kiểu phân chia theo đặc điểm loài của sinh giới, ngoài ra để nghiên cứu về cấu tạo bên trong cơ thể, chức năng và sự phát triển, các nhà nghiên cứu còn phân chia thành các bộ môn như giải phẩu học, sinh lý học, phôi sinh học, di truyền học, ... Tuy vậy toàn bộ các sinh vật trên trái đất, dù là động vật, thực vật hay vi sinh vất thì mỗi cơ thể đều được tạo thành từ đơn vị cấu tạo của sự sống đó là tế bào. Tế bào mới được hình thành bằng cách phân chia từ các tế bào ban đầu. Có nhiều loại tế bào, tuy nhiên các tế bào đều có những đặc điểm cấu tạo và thành phần hoá học cơ bản giống nhau như màng tế bào, tế bào chất và các TRANG 2 Các sinh vật trên trái đất đều tuân theo các định luật vật lý và hoá học. Mặc dù các quá trình hoá học xảy ra trong cơ thể sống rất phức tạp tuy nhiên các kết quả nghiên cứu đều chứng minh rằng nhiều quá trình phức tạp xảy ra trong tế bào sống cũng có thể thực hiện được bên ngoài cơ thể trong những điều kiện thích hợp. điều đó khẳng định rằng khi con người hiểu biết một cách đầy đủ về các hệ thống sống và cách vận hành của chúng thì con người có thể tái tạo được sự sống từ vật liệu không sống. Tế bào làm nhiệm vụ chuyển hoá năng lượng, chúng biến đổi năng lượng hoá học của thức ăn thành năng lượng có thể sử dụng cho hoạt động sống của cơ thể. Chỉ có cây xanh có chứa diệp lục là có thể thu năng lượng ánh sáng, chúng sử dụng năng lượng mặt trời cùng với các chất vô cơ như nước, khí CO 2 tổng hợp nên hợp chất hữu cơ như đường, tinh bột, xenlulo, ... thông qua quá trình quang hợp. Cây xanh là những sinh vật tự dưỡng có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tích luỹ trong các hợp chất hữu cơ. Tất cả các sinh vật di dưỡng khác như động vật, vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ do cây xanh tổng hợp làm nguồn thúc ăn và tế bào làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng hoá học có mặt trong thực phẩm thành các dạng năng lượng cần thiết cho cơ thể sống. động vật, thực vật và vi sinh vật, mỗi loại có những đặc điểm khác biệt về cấu tạo của cơ thể sống tuy nhiên trong cấu tạo tế bào giữa chúng cũng có nhiều điểm chung giống nhau, đôi khi khó có thể tách biệt được, cả về cấu tạo và chức năng. Sự tiến hoá của các sinh vật trên trái đất như thế nào cũng là một trong những nhiệm vụ nghiên cứu của sinh học. Nhiều nhà nghiên cứu triết học và tự nhiên đã nêu ra các quan niệm về sự tiến hoá của sinh vật, nhưng chỉ sau khi S. Darwin xuất bản cuốn sách "Nguồn gốc các loài bằng con đường chọn lọc tự nhiên" vào năm 1859 thì học thuyết tiến hoá mới được chú ý tới. Trong quyển sách này Darwin đã giải thích về sự tiến hoá của các loài thông qua chọn lọc tự nhiên. Một khái niệm quan trọng đó là sự tương quan giữa cơ thể sống và môi trường xung quanh. Từ những nghiên cứu tỉ mỉ về các quần xã thực vật, động vật trên trái đất người ta đã rút ra được rằng các cơ thể sống phân bố ở một vùng nhất định đều nằm trong mối tương quan chặt chẽ lẫn nhau và với môi trường chung quanh. Khái quát này cho thấy các dạng các dạng động vật và thực vật khác nhau không phân bố trên trái đất một cách ngẫu nhiên mà TRANG 3 chúng có tác động qua lại với nhau và với môi trường sống bên ngoài. Giữa sinh vật sống và môi trường sống luôn có mối quan hệ khắn khít với nhau. Vì thế nên khi ta nghiên cứu một cơ thể sống ở một nơi nào đó thì chúng ta phải quan tâm đến môi trường sống ở đó và phân tích mối quan hệ qua lại giữa chúng. Nghiên cứu về mối quan quan hệ qua lại giữa môi trường và cơ thể sống là đặc biệt quan trọng. Con người cũng có một vị trí quan trọng trong thế giới sinh vật, vai trò của con người trong quá trình chọn lọc nhân tạo, góp phần định hướng sự phát triển của một số loài, vì vậy nên chúng ta nên quan tâm đến vai trò của con người trong sự phát triển của sinh học, đặc biệt là hiện nay với sự hiểu biết sâu sắc về di truyền học con người đã tạo ra nhiều loại sinh vật có những tính chất mới mà thiên nhiên chưa có. 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA SINH HỌC Sinh học là một ngành khoa học xuất hiện rất sớm, từ thời cổ xưa con người đã có thể xác định được loài động vật nào có thẻ ăn được, loài nào nguy hiểm cho con người. đối với thực vật cũng vậy, con người đã tìm những cây thuốc để chữa bệnh. Aristos (384-322 trước công nguyên) là một trong những nhà triết học Hy lạp vĩ đại nhất. Trong cuốn sách "Historia animalium" đã mô tả nhiều loài động vật, ông đã nghiên cứu khá tỉ mỉ về sự phát triển của một số loài như sự phát triển của gà con, sự sinh sản của cá mập, của ong. Nhìn chung sinh học mô tả chiếm ưu thế trong thời gian phát triển ban đầu. Các nhà nghiên cứu về động, thực vật học thì mô tả các loài, Các nhà giải phẩu học thì mô tả cấu tạo của các cơ quan trong cơ thể... Một số nét cơ bản về sự phát triển của sinh học có thể mô tả như sau: - Giai đoạn trước thế kỷ 17, quan niệm các tế bào sống được hình thành bằng con đường tự sinh. Năm 1680 Redi đã đánh đổ quan niệm trên bằng một thí nghiệm đơn giản sau đây: Ông đã dùng 3 cái bình sau đó cho thịt vào, bình thứ nhất ông để hở, bình thứ hai ông dùng vải màng mỏng bịt lại, còn bình thứ ba ông dùng miếng da thuộc bịt chặt lại. Sau khi để một thời gian thịt trong cả ba bình đều bị thối nhưng dòi chỉ xuất hiện trong thịt ở bình để hở, bình thứ hai thì có xuất hiện một ít dòi phía trên vải màng bịt, nhưng thịt để trong bình thứ hai và bình thứ 3 thì không có dòi. Như vậy Redi đã chứng minh rằng "con dòi" không thể tự sinh ra trong thịt thối được mà chúng đã nở ra từ trứng của do ruồi đẻ ra trên thịt. Sau này L. Pasteur cũng SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 4 bằng một thí nghiệm đơn giản đã chứng minh rằng các vi sinh vật cũng không thể xuất hiện được bằng con đường tự sinh từ vật chất không sống. Ông dùng hai bình cầu tròn có cổ, rót vào hai bình môi trường dinh dưỡng, bình thứ nhất cổ thẳng hở, bình thứ hai ông kéo cong cổ bình thành hình chữ S. Môi trường dinh dưỡng trong hai bình được đun sôi để diệt các vi sinh vật có mặt trong đó. Sau khi để một thời gian thấy rằng trong bình cổ thẳng xuất hiện các vi sinh vật, những vi sinh vật này rơi từ bên ngoài vào, trong khi đó ở bình có cổ hình chữ S không xuất hiện vi sinh vật, mặt dù môi trường dinh dưỡng cũng không tách biệt với không khí bên ngoài nhưng chúng không xâm nhập dược là do chúng bị giữ lại ở ống cong. Tiếp theo Pasteur cũng cứng minh rằng nếu bẻ gãy ống cong thì vi khuẩn nhanh chóng xuất hiện còn nếu giữ nguyên thì có thể để lâu dài mà không có vi khuẩn. Qua đó cho thấy các vi khuẩn không xuất hiện bằng con đường tự sinh mà chúng có trong không khí và rơi vào môi trường dinh dưỡng cùng với các hạt bụi. A B C

Hình 1-1: Các thí nghiệm của Pasteur Chúng ta đều biết rằng hiện nay không có sự tự sinh của sự sống, nhưng chắc chắn rằng hiện tượng tự sinh đã diễn ra hàng tỉ năm trước đây khi sự sống xuất hiện lần đầu tiên trên hành tinh chúng ta. Cùng với sự phát triển của vật lý học kính hiển vi được sáng chế và hoàn thiện, cho phép các nhà sinh học quan sát được những vật thể nhỏ, phát hiện tế bào, vi khuẩn, virus, ... Trong thế kỷ 19 sinh học tế bào phát triển một cách mạnh mẽ nhờ kính hiển vi ngày một hoàn thiện với độ phóng đại ngày càng cao. Năm 1833, Brao đã mô tả nhân của tế bào thực vật. Năm 1880, SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 5 Flemin đã mô tả nhiễm sắc thể. Những phát hiện này là nền móng cho các nghiên cứu phát hiện ra các giai đoạn của quá trình phân bào nguyên phân và tiếp theo là giảm phân. Các lĩnh vực khác như thực vật học, động vật học, phôi sinh học, vi sinh vật học cũng phát triển mạnh mẽ trong giai đoạn này. Sự phát triển mạnh mẽ của vật lý, hoá học, toán học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà nghiên cứu sinh học. Trong thế kỷ 20, sinh học đã phát triển với một nhịp điệu phi thường, với nhiều phát minh quan trọng như cấu tạo của protein, axit nucleic. Một số ngành sinh học mới như di truyền học, công nghệ sinh học xuất hiện. 1.3. CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA SINH HỌC Ngày nay, những kết quả nghiên cứu và lý luận sinh học đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như y, dược, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, bảo vệ môi trường, ... Ngành công nghệ sinh học đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng tiến bộ sinh học trong đời sống và phát triển kinh tế. 1.3.1. Ứng dụng trong nông nghiệp Sử dụng các kiến thức sinh học về cấu tạo tế bào, sinh lý thực vật, di truyền, ... ngày nay, con người đã tạo ra được nhiều giống mới, xây dựng các phương pháp chọn giống cây trồng vật nuôi: nhờ vậy mà đã tăng năng xuất cây trồng, tạo ra những sản phẩm mới góp phần phát triển kinh tế. 1.3.2. Ứng dụng trong sản xuất Một số chất hữu cơ như axit xitric, axit axetic, axit glutamic và một số vitamin đã được sản xuất bằng con đường sinh học thông qua sử dụng các chủng vi sinh vật có khả năng lên men. 1.3.3. Ứng dụng trong y, dược Kháng sinh để chữa bệnh hoàn toàn được sản xuất bằng con đường sinh học. Những hiểu biết về cấu tạo và sinh lý của con người đã giúp các bác sĩ chuẩn đoán bệnh cho bệnh nhân và chữa bệnh. Ứng dụng có giá trị đầu tiên của sinh học trong y tế là tiêm vacine - kết quả nghiên cứu của Pasteur. Ngày nay, việc chuẩn đoán bệnh thông qua sử dụng kỹ thuật ADN cho kết quả rất đáng tin cậy. Việc sử dụng công nghệ gen trong y học mở ra một khả năng chữa bệnh bằng liệu pháp gen, nghĩa là sửa chữa những gen bị hư gây bệnh thành gen lành. SINH HỌC đẠI CƯƠNG 2007 TRANG 6 1.3.4. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Những nghiên cứu về hoàn thiện các qui trình lên men dựa vào việc sử dụng các chủng mới, chọn lọc bằng con đường sinh học giúp tăng năng suất và hoàn thiện sản phẩm được thực hiện trong sản xuất thực phẩm, đặc biệt là sản xuất các sản phẩm sữa lên men như fomat, sữa chua. Trước 1950 tinh bột được thuỷ phân chủ yếu bằng axit, nhưng hiện nay chủ yếu được thuỷ phân bằng enzyme. Trong công nghệ sản xuất rượu, cồn và nước uống lên men hiện nay cũng ngày càng hoàn thiện với việc sử dụng các giống mới có năng suất cao và hoàn thiện qui trình. Nhờ những kết quả nghiên cứu chọn giống có hiệu quả lên men cao bằng các con đường sinh học đã giúp các nhà sản xuất thực phẩm tạo ra các sản phẩm có năng suất và chất lượng cao.