Tế bào, Phát triển, Đa dạng sinh học và Bảo tồn

Bạn bắt đầu từ một tế trứng đã thụ tinh. Đơn vị này giải thích cách tế bào đó phân chia, cách các bản sao được xáo trộn và giảm số lượng để tạo giao tử, cách các gen giống nhau trở thành các mô khác nhau, và làm thế nào sự đa dạng được tạo ra được đếm, phân loại và — ngày càng được bảo vệ. Đây là đơn vị của kính hiển vi, tính toán và định nghĩa được thực hiện chính xác.

WBI12 Tế bào, Phát triển, Đa dạng sinh học và Bảo tồn là đơn vị IAS thứ hai: 1 giờ 30 phút, 80 điểm, tất cả bắt buộc. Nó đánh giá Chủ đề 3 (Cấu trúc tế bào, Sinh sản và Phát triển) và Chủ đề 4 (Cấu trúc và chức năng thực vật, Đa dạng sinh học và Bảo tồn). Hãy mong đợi các câu hỏi vẽ nhãn sơ đồ, tính toán kính hiển vi và độ phóng đại, chỉ số đa dạng và câu hỏi Hardy–Weinberg, cũng như câu trả lời dài về đánh giá bảo tồn.

Tế bào eukaryote là một tập hợp các ngăn chuyên hóa:

Các tế bào tổ chức thành mô (tế bào tương tự), cơ quan (các mô phối hợp) và hệ cơ quan. Tế bào prokaryote không có bất kỳ bào quan nào bao quanh bởi màng: thành tế bào, vỏ capsule slime, một phân tử DNA vòng đơn cùng plasmid, ribosome 70S, và đôi khi có flagellum.

Độ phóng đại là mức độ hình ảnh lớn hơn; độ phân giải là khoảng cách nhỏ nhất vẫn được nhìn thấy như hai điểm riêng biệt. Kính hiển vi ánh sáng có thể phân giải khoảng 200 nm; chùm electron, có bước sóng ngắn hơn nhiều, đạt độ phân giải đến vài nanometre — nhưng cần các lát cắt mỏng nhuộm màu (TEM) hoặc bề mặt mạ vàng (SEM). $M = \text{image size} / \text{actual size}$, giữ cho đơn vị thống nhất.

Kiểm tra ví dụ. Một ti thể đo 14 mm trên ảnh chụp mang nhãn ×20 000. Chiều dài thực tế $= 14\,000\ \mu\text{m} / 20\,000 = 0.7\ \mu$m. Một nhân tế bào phải quan sát thấy màng kép cần kính hiển vi điện tử: hai màng nằm gần nhau hơn so với độ phân giải của kính hiển vi ánh sáng.

Giảm phân là hai lần phân chia liên tiếp sau một lần sao chép DNA, tạo ra bốn tế bào lặp bội khác nhau về mặt di truyền từ một tế bào lưỡng bội. Hai quá trình tạo nên sự biến dị:

• Phân ly độc lập — mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng sắp xếp và phân ly ngẫu nhiên trong giảm phân I; mỗi giao tử nhận một nhiễm sắc thể của mỗi cặp, từ bất kỳ bố mẹ nào theo ngẫu nhiên ($2^n$ tổ hợp).
• Trô đổi đoạn — ở kỳ trước I, các nhiễm sắc tử tương đồng trao đổi các đoạn, làm trộn lẫn alen trong từng cặp nhiễm sắc thể.

Giao tử động vật có vú được chuyên hóa để vận chuyển và cung cấp dinh dưỡng: tinh trùng mang acrosome (enzyme tiêu hóa), phần giữa chứa ti thể và flagellum; trứng đóng góp hầu hết chất nguyên sinh và vỏ zona pellucida khóa ngoài tinh trùng thừa sau phản ứng vỏ. Ở thực vật có hoa, ống phấn mang hai nhân đực: một cái thụ tinh với trứng, cái kia thụ tinh với nhân cực — thụ tinh kép.

Phân bào tạo ra hai tế bào lưỡng bội giống hệt nhau về mặt di truyền: tăng trưởng, sửa chữa, sinh sản vô tính. Pha gian ($G_1$, S — sao chép DNA, $G_2$) chiếm phần lớn chu kỳ; bản thân phân bào gồm kỳ trước (nhiễm sắc thể đặc lại, thoi phân bào hình thành), kỳ giữa (nhiễm sắc thể xếp tại xích đạo), kỳ sau (sợi thoi kéo nhiễm sắc tử về hai cực), kỳ cuối (màng nhân tái tạo), rồi phân chia tế bào.

Chỉ số phân bào $=$ tế bào đang trong phân bào $\div$ tổng số tế bào đã đếm. Giá trị cao trong sinh thiết mô cho thấy sự phân chia nhanh — dấu hiệu của ung thư.

Kiểm tra ví dụ. Một Preparat đầu rễ cho thấy 36 trong số 450 tế bào đang trong phân bào: chỉ số $= 36/450 = 0.08 = 8\%$. Nếu chu kỳ mất 20 giờ, phân bào chiếm $0.08 \times 20 = 1.6$ giờ.

Tế bào gốc toàn năng có thể tạo thành toàn bộ cơ thể (các lần phân chia đầu tiên của hợp tử); tế bào đa năng (blastocyst bên trong) có thể tạo thành mọi mô nhưng không phải toàn bộ cơ thể. Sự biệt hóa diễn ra qua biểu hiện gen khác biệt: mỗi tế bào đều giữ toàn bộ hệ gen, nhưng mỗi loại chỉ bật lên tập con riêng của nó. Một gen có thể tạo ra nhiều protein thông qua biến đổi sau phiên mã — các lựa chọn cắt nối RNA của pre-mRNA. Kiểu hình cuối cùng cũng phản ánh môi trường (chiều cao cần cả gen và dinh dưỡng) và, đối với nhiều tính trạng, nhiều gen hoạt động cùng nhau (di truyền đa gen tạo ra biến dị liên tục).

Tế bào thực vật thêm thành tế bào cellulose kết nối với hàng xóm qua kênh nguyên sinh chất. Các chuỗi cellulone bó lại thành microfibril mà việc xếp xen kẽ tạo ra sức căng; sự dày thêm thứ cấp với lignin làm cứng và chống thấm nước.

Nước và ion quan trọng hơn việc uống: nitrate tổng hợp axit amin, calcium liên kết chéo pectin trong thành tế bào và truyền tín hiệu bên trong tế bào, magnesium nằm ở trung tâm của diệp lục — thiếu hụt sẽ làm lá chuyển sang màu vàng.

Phân loại sắp xếp các sinh vật dựa trên đặc điểm chung; hệ thống ba miền (Vi khuẩn, Cổ khuẩn,是真核生物) dựa trên bằng chứng phân tử — trình tự ARN ribosome — cho thấy Cổ khuẩn gần gũi với chúng ta hơn là vi khuẩn. Trong một môi trường sống, đa dạng có hai thước đo:

• Độ giàu loài — số lượng loài.
• Chỉ số đa dạng — $D = \dfrac{N(N-1)}{\sum n(n-1)}$, nơi $N$ là tổng số cá thể và $n$ là số lượng mỗi loài. Chỉ số $D$ càng cao, đa dạng càng lớn.

Ví dụ minh họa. Môi trường A: 3 loài với số lượng 40, 35, 25 ($N = 100$). $D = 100 \times 99 / (40 \times 39 + 35 \times 34 + 25 \times 24) = 9900 / (1560 + 1190 + 600) = 9900/3350 = 2.96$. Môi trường B: 3 loài, số lượng 90, 6, 4: $D = 9900/(8010 + 30 + 12) = 1.23$. Độ giàu loài giống nhau nhưng cân bằng khác biệt rõ rệt — $D$ phản ánh điều mà độ giàu loài không thể hiện được.

Trong cùng một loài, chỉ số dị hợp tử $H =$ (số dị hợp tử) $\div$ (số cá thể) đo lường sự đa dạng di truyền. Một loài chỉ tìm thấy ở một nơi duy nhất được gọi là đặc hữu — và môi trường đảo của nó khiến loài này vừa quý giá vừa dễ bị tổn thương.

Sinh thái (niche) là cách sống của một loài: vai trò, nhu cầu và giới hạn chịu đựng của nó. Sự thích nghi xuất hiện ở ba cấp độ — giải phẫu (lông dày), sinh lý (biến thể enzyme), hành vi (thời điểm di cư).

Phương trình Hardy–Weinberg— theo dõi tần số alen trong quần thể lớn giao phối ngẫu nhiên, không có chọn lọc, di cư hay đột biến:

$q^2$ = tần số kiểu gen đồng hợp lặn. Nếu 4 % quần thể biểu hiện kiểu hình lặn, $q^2 = 0.04$, do đó $q = 0.2$, $p = 0.8$, số lượng người mang gen $2pq = 0.32$.

Kiểm tra mẫu. Trong 500 cá thể fox, 45 là đồng hợp lặn: $q^2 = 0.09$, $q = 0.3$, $p = 0.7$. Số dao động mang dự kiến $= 2pq \times 500 = 0.42 \times 500 = 210$.

Các câu hỏi về bảo tồn yêu cầu sự cân bằng. Sở thú và ngân hàng hạt giống giữ các loài tránh tuyệt chủng và tiến hành nhân giống nuôi nhốt, nhưng tốn diện tích, mất đi hành vi tự nhiên và phục vụ số lượng ít; bảo vệ môi trường sống và hành lang sinh thái duy trì hệ sinh thái quy mô lớn nhưng cần đất đai, kinh phí và ý chí chính trị. Hãy đưa ra lập luận cụ thể thay vì cảm xúc chung chung.

Đối với phần vi sinh vật này (và Unit 4): nuôi vi khuẩn trên thạch dinh dưỡng hoặc trong dịch nuôi, sử dụng kỹ thuật vô trùng — tiệt trùng vòng bằng lửa, flame cổ chai, làm việc gần luồng khí đi lên, đậy nắp đĩa, ủ ở nhiệt độ thấp hơn thân nhiệt để các mầm bệnh của người không thể phát triển. Đếm khuẩn lạc trên đĩa trải hay đĩa đổ (mỗi khuẩn lạc từ một tế bào hoặc cụm: đơn vị tạo khuẩn lạc), hoặc đếm tế bào bằng haemocytometer, hoặc theo dõi độ đục trong dịch nuôi.

Kiểm tra mẫu. Trong pha logarit, hằng số tốc độ tăng trưởng là $k = (\log_{10} N_t - \log_{10} N_0)/(0.301 \times t)$. Từ $1 \times 10^4$ đến $4 \times 10^7$ tế bào trong 4 giờ: $\log$ khác biệt $= 3.602$, do đó $k = 3.602/(0.301 \times 4) \approx 3.0$ lần phân chia mỗi giờ — khoảng thời gian thế hệ là 20 phút.

1. Tính chiều rộng thực tế của một nhân tế bào có vẻ rộng 24 mm ở độ phóng đại ×4 000. Đưa ra đáp án bằng µm.
2. Tên hai quá trình trong giảm phân tạo ra sự biến dị tổ hợp, và nêu thời điểm xảy ra của từng quá trình.
3. Một tế bào có 2 a.u. DNA ở pha G1. Vẽ sơ đồ sự thay đổi hàm lượng DNA qua pha S, giảm phân I và giảm phân II.
4. Giải thích tại sao tất cả các tế bào của phôi nang có thể trở thành bất kỳ mô nào, nhưng một tế bào cơ trưởng thành thì không.
5. Giải thích hai cách mà mạch gỗ được thích nghi với chức năng của nó, một về cấu trúc và một về hóa học.
6. Hai môi trường sống mỗi nơi chứa 5 loài thực vật. Giải thích tại sao chỉ số đa dạng vẫn có thể khác nhau giữa chúng.
7. Trong một quần thể 1 000, 16 người biểu hiện tình trạng lặn. Tính q, p và số lượng cá thể mang gen dự kiến.
8. Một loài ốc đặc hữu cho một hòn đảo. Giải thích tại sao các loài đặc hữu đối mặt với nguy cơ tuyệt chủng cao hơn.
9. Nêu ba điều kiện mà một quần thể phải đáp ứng để phương trình Hardy–Weinberg áp dụng được.
10. Đưa ra một lợi ích và một hạn chế của ngân hàng hạt giống so với việc bảo vệ môi trường sống.

Đáp án: 1 $24\,000/4\,000 = 6\ \mu$m; 2 giao hoán ở kỳ trước I, phân li độc lập ở kỳ trung gian/kì sau I (và II); 3 tăng lên 4 trong pha S, giảm một nửa thành 2 sau giảm phân I, giảm một nửa thành 1 sau giảm phân II, phục hồi thành 2 tại thụ tinh; 4 tế bào blastocyst là đa năng — tất cả gen vẫn còn có khả năng bật/tắt; tế bào cơ đã tắt vĩnh viễn các con đường khác trong điều kiện bình thường; 5 các tế bào chết có vách lignin tạo thành cột nước liên tục không có cytoplasm cản trở dòng chảy; lignin chống thấm nước và gia cố vách chống sụp đổ; 6 D tính đến sự đều đặn của mật độ, không chỉ đơn thuần là số lượng loài; 7 $q^2 = 0.016$, $q \approx 0.126$, $p \approx 0.874$, cá thể mang gen $2pq \approx 0.22$, khoảng 220 người; 8 một sự kiện cục bộ duy nhất (bão, bệnh tật, động vật ăn thịt bị đưa vào, mất môi trường sống) sẽ loại bỏ toàn bộ loài cùng lúc; 9 quần thể lớn, giao phối ngẫu nhiên, không chọn lọc/đột biến/di cư; 10 ngân hàng hạt lưu trữ đa dạng di truyền với chi phí thấp và an toàn trước mất môi trường sống (lợi ích) nhưng loài tồn tại ngoài hệ sinh thái của chúng — không có tương tác, không tiến hóa tại chỗ, và tái định cư là không chắc chắn (hạn chế).