Năng lượng, Môi trường, Vi sinh vật và Miễn dịch

Một cánh đồng lúa mì hấp thụ ánh sáng, cố định carbon, nuôi dưỡng chuỗi thức ăn — và mất năng lượng ở từng bước. Đơn vị này theo dõi dòng năng lượng từ photon đến hệ sinh thái, sau đó quay sang những thành phần nhỏ nhất: vi sinh vật tái chế, mầm bệnh chiếm đoạt, và hệ miễn dịch phòng thủ. WBI14 cũng là bài thi nhiều tính toán nhất sau Unit 1: hãy chuẩn bị cho NPP, hằng số tăng trưởng, chỉ số đa dạng và tính toán thời điểm tử vong.

WBI14 Năng lượng, Môi trường, Vi sinh học và Miễn dịch là đơn vị IA2 đầu tiên: 1 giờ 30 phút, 90 điểm, bắt buộc làm hết. Nó đánh giá Chủ đề 5 (Dòng năng lượng, Hệ sinh thái và Môi trường) và Chủ đề 6 (Vi sinh học, Miễn dịch và Pháp y).

Phản ứng tổng quát: $6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}$, được thúc đẩy bởi năng lượng ánh sáng. Trong màng thylakoid, các phản ứng phụ thuộc ánh sáng phân ly nước (giải phóng O₂ và H⁺), photophosphorylate ADP và khử NADP. Trong stroma, các phản ứng không phụ thuộc ánh sáng (chu trình Calvin) cố định carbon dioxide vào ribulose bisphosphate với rubisco, khử sản phẩm bằng ATP và NADP đã khử từ giai đoạn một, và tạo ra GALP — một phần thành glucose, phần lớn để tái tạo RuBP.

Cấu trúc phù hợp với chức năng: thylakoid xếp chồng để tăng diện tích hấp thụ; stroma chứa đầy enzyme cho chu trình.

Sắc tố và phổ

Chlorophyll a và b hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh lam; carotenoids mở rộng phạm vi và bảo vệ. Phổ hấp thụ cho thấy mỗi sắc tố thu nhận gì; phổ hoạt động cho thấy tốc độ quang hợp mà mỗi bước sóng thúc đẩy — sự trùng khớp của chúng là bằng chứng cho thấy các sắc tố này thực hiện công việc. Sắc ký tách các sắc tố dựa trên độ tan; $\mathrm{Rf} = \text{distance moved by pigment} / \text{distance moved by solvent}$.

Yếu tố giới hạn: cường độ ánh sáng, nồng độ CO₂, nhiệt độ. Nhà kính nâng yếu tố kém nhất trong ba yếu tố — và câu trả lời đề thi sẽ nêu rõ yếu tố nào và tại sao.

Năng suất nguyên thô (GPP) là năng lượng được cố định bởi quang hợp trên mỗi đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (kJ m⁻² yr⁻¹). Thực vật dành phần lớn năng lượng này cho hô hấp của chính mình; phần còn lại là năng suất nguyên净:

Chỉ khoảng 10 % năng lượng ở mỗi cấp dinh dưỡng truyền lên trên — bị mất qua hô hấp dưới dạng nhiệt, bài tiết, đào thải và các bộ phận không bị ăn. Đó là lý do tại sao chuỗi thức ăn hiếm khi vượt quá bốn hoặc năm cấp và tại sao động vật ăn thịt đỉnh cao lại khan hiếm.

Kiểm tra có hướng dẫn. Một đồng cỏ cố định 45 000 kJ m⁻² yr⁻¹ và sinh vật hô hấp tiêu thụ 19 000. NPP $= 26\,000$ kJ m⁻² yr⁻¹. Bò ăn cỏ này giữ lại khoảng 10 %: 2 600 kJ m⁻² yr⁻¹. Con người ăn bò giữ lại 260 — phép tính năng lượng đằng sau câu nói "ăn thấp hơn trong chuỗi giúp nuôi sống nhiều người hơn".

Bốn định nghĩa chính xác: môi trường sống (nơi ở), quần thể (các cá thể của một loài), cộng đồng (tất cả các quần thể), hệ sinh thái (cộng đồng + môi trường). Các yếu tố phi sinh học (ánh sáng, nước, nhiệt độ, pH) và yếu tố sinh học (cạnh tranh, săn mồi, bệnh tật) quyết định ai sống ở đâu và với mật độ thế nào — cùng nhau tạo nên vị trí sinh thái.

Chu kỳ giữa động vật săn mồi và con mồi có độ trễ: thỏ tăng, cáo lynx theo sau, thỏ giảm, lynx đói饿 — một độ trễ khoảng một phần tư chu kỳ.

Sự diễn sinh bắt đầu khi các loài tiên phong xâm chiếm đất trơ; mỗi giai đoạn thay đổi đất và vi khí hậu, cho phép giai đoạn tiếp theo phát triển, cho đến khi cộng đồng cực đại ổn định. Đo lường mật độ sử dụng ô vuông mẫu (quadrat) và đường transect (lấy mẫu ngẫu nhiên để ước tính, hệ thống dọc theo gradient) và phương pháp bắt - đánh dấu - bắt lại đối với động vật ($N \approx \text{first catch} \times \text{second catch} / \text{marked recaptures}$).

Bằng chứng đến từ hồ sơ nhiệt độ trực tiếp, lõi băng (không khí bị mắc kẹt cung cấp CO₂ cổ đại), vòng cây (dendrochronology) và lớp phấn hoa trong than bùn. Hiệu ứng nhà kính tăng cường: bức xạ sóng dài thoát ra bị hấp thụ bởi CO₂, methane và nitơ oxit, rồi phát xạ trở lại phía dưới. Các loại khí khác nhau — methane mạnh nhưng ngắn hạn; CO₂ tồn tại hàng trăm năm; nitơ oxit kết hợp cả hai — nên chính sách phải cân nhắc tiềm năng làm nóng toàn cầu so với thời gian tồn tại.

Ngoài suy rộng xu hướng vượt quá dữ liệu là một phán đoán, không phải sự thật: nêu rõ giả định (xu hướng tiếp tục) và điểm yếu của nó. Các tác động đã xem xét: sự thay đổi lượng mưa và phạm vi phân bố của loài, và — gần với khóa học này — ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ enzyme ở sinh vật biến nhiệt và toàn bộ hệ sinh thái.

Kiểm tra có hướng dẫn. Tiềm năng làm nóng của methane khoảng 28× tiềm năng của CO₂ per kg, nhưng nó chỉ kéo dài ~12 năm so với hàng trăm năm. Một vụ rò rỉ 1 tấn methane quan trọng gấp 28× một vụ rò rỉ 1 tấn CO₂ trong thập kỷ này, nhưng sẽ mờ nhạt trong khi CO₂ vẫn tồn tại — phép tính về "tiềm năng làm nóng vs tải tích lũy".

Tiến hóa là sự thay đổi tần số alen. Nó cần biến dị (đột biến, giảm phân) và bộ lọc: chọn lọc định hướng dịch chuyển giá trị trung bình khi môi trường thay đổi; chọn lọc ổn định cắt bỏ các cá thể cực đoan trong môi trường ổn định. Trộn lẫn thay đổi tần số ngẫu nhiên ở quần thể nhỏ; dòng gen (di cư) pha trộn chúng trở lại.

Hình thành loài mới cần cách ly: bao địa (rào cản vật lý — allopatric = quê hương khác nhau) hoặc đồng địa (cách ly sinh sản trong cùng một nơi — hành vi, thời gian hoặc di truyền). Các quần thể cách ly phân hóa cho đến khi không còn giao phối được nữa.

Kỹ thuật vô trùng bảo vệ bạn và nền văn hóa: đốt loop đến màu đỏ, đốt cổ chai, nhấc nắp tạm thời, niêm phong đĩa bằng băng keo, ủ ở 25 °C (không bao giờ là nhiệt độ cơ thể, để các mầm bệnh không thể nhân lên). Đo lường sự phát triển bằng đếm tế bào trực tiếp (haemocytometer), độ đục trong dịch nuôi, hoặc đếm sống bằng phương pháp pha loãng plating (số colonies × hệ số pha loãng).

Đường cong tăng trưởng: giai đoạn lag (tổng hợp enzyme), log (tăng trưởng hàm mũ), pha dừng (số chết = số chia), giai đoạn chết. Hằng số hàm mũ:

Kiểm tra có hướng dẫn. Từ $2\times10^4$ đến $1.6\times10^7$ tế bào trong 5 giờ: hiệu log $= 2.903$; $k = 2.903/(0.301\times5) = 1.93$ thế hệ mỗi giờ — thời gian nhân đôi khoảng 31 phút.

Vi khuẩn: thành tế bào, plasmid, ribosome, DNA vòng tròn, một số có nang và roi. Virus: acid nucleic (DNA hoặc RNA) trong vỏ protein, một số có vỏ bao — không có bào quan, không tự trao đổi chất; chúng chiếm đoạt tế bào chủ. Mycobacterium tuberculosis lây nhiễm phổi, tồn tại bên trong đại thực bào; HIV phá hủy tế bào T trợ giúp, khiến hệ miễn dịch sụp đổ và TB tái phát — bệnh đặc trưng cho AIDS.

Các hàng rào đến trước: da, chất nhầy và纤毛, axit dạ dày, lysozyme trong nước mắt, và quá trình đông máu bịt kín vết thương.

Không đặc hiệu: viêm (mở rộng mạch máu và rò rỉ dịch mang theo thực bào), thực bào, interferon. Đặc hiệu — antigen kích hoạt nó:

• 体液免疫: tế bào B hiệu ứng → tế bào plasma → kháng thể; tế bào B nhớ B tồn tại để tạo phản ứng thứ cấp nhanh hơn, mạnh mẽ hơn.
• Tế bào miễn dịch: tế bào T trợ giúp điều phối, tế bào T sát thương T tiêu diệt tế bào đã nhiễm bệnh, tế bào T nhớ dai dẳng.

Một kháng thể gồm bốn chuỗi polypeptide (hai chuỗi nặng, hai chuỗi nhẹ) với vùng biến đổi tạo nên một vị trí liên kết cụ thể — hình dạng khớp chính xác với một antigen. Miễn dịch chia làm hai loại: đặc hiệu (kháng thể do cơ thể tự sản sinh — nhiễm bệnh tự nhiên hoặc tiêm phòng) vs phi đặc hiệu (nhận kháng thể từ bên ngoài — mẹ truyền cho con, huyết thanh); tự nhiên vs nhân tạo trong mỗi loại. Tiêm phòng cũng hoạt động ở quy mô quần thể (miễn dịch đàn) — nhưng mầm bệnh tiến hóa ngược lại: cuộc đua tiến hóa.

Kiểm tra ví dụ. Liều vaccine thứ hai tạo ra mức kháng thể gấp mười lần liều đầu tiên và chỉ trong vài ngày thay vì vài tuần: chọn lọc dòng tế bào tìm thấy các tế bào B nhớ, chúng phân chia nhanh chóng thành tế bào plasma — phản ứng thứ cấp mà phản ứng sơ cấp đã xây dựng.

Kháng sinh bacteriostatic ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn; bactericidal giết chết chúng. Kháng thuốc xảy ra qua đột biến và lan truyền qua chọn lọc bất cứ khi nào tiếp xúc tiêu diệt chủng nhạy cảm và bảo vệ chủng kháng — hoàn thành phác đồ và tránh sử dụng không cần thiết đều làm chậm quá trình này. Nhiễm trùng bệnh viện bùng phát nơi bệnh nhân yếu, thiết bị xâm lấn và chủng kháng gặp nhau; vệ sinh tay, thủ thuật vô khuẩn và cách ly người mang mầm bệnh sẽ phá vỡ chuỗi lây nhiễm.

Vi sinh vật phân giải tái chế carbon và nitơ — hệ thống xử lý chất thải của hệ sinh thái. Phản ứng chuỗi polymerase lặp lại ba bước: nhiệt phân (95 °C), lai ghép mồi (50–60 °C) và kéo dài (72 °C), nhân đôi DNA mục tiêu sau mỗi chu kỳ: $n$ chu kỳ tạo ra $2^n$ bản sao. Điện di gel kéo các mảnh DNA mang điện tích âm qua gel — mảnh ngắn chạy xa nhất. Hồ sơ vị trí băng band xác định cá thể (vì đủ locus khác biệt giữa người không cùng họ hàng) và đo lường mối quan hệ (chia sẻ các băng band).

Thời điểm tử vong thu hẹp bằng bốn đồng hồ: nhiệt độ cơ thể (giảm ~1 °C mỗi giờ, phụ thuộc vào kích thước, trang phục, không khí), cứng cơ (xuất hiện rồi mất đi), mức độ phân giải, và sự xuất hiện của côn trùng trên thi thể — mỗi giai đoạn xuất hiện đánh dấu thời gian khoảng cách.

Kiểm tra ví dụ. Một thi thể được tìm thấy ở nhiệt độ lõi 22 °C trong phòng 15 °C: $(37-22)/(1\ ^\circ\text{C per hour}) \approx 15$ giờ — nhưng hãy nêu rõ các giả định (không khí tĩnh, thân hình trung bình) trước khi tin vào kết quả đó.

1. Nêu tên các sản phẩm của phản ứng phụ thuộc ánh sáng được chu trình Calvin sử dụng.
2. Một mùa vụ cố định 60 000 kJ m⁻² yr⁻¹ và các sinh vật hô hấp 20 000. Tính NPP và năng lượng truyền đến mức dinh dưỡng thứ ba ở tỷ lệ chuyển tiếp 10 % ở mỗi bước.
3. Giải thích tại sao quang phổ tác động là bằng chứng cho thấy chlorophyll thực hiện quá trình quang hợp.
4. Phân biệt chọn lọc định hướng và chọn lọc ổn định với một ví dụ cho mỗi loại.
5. Hãy đưa ra hai lý do tại sao chuỗi thức ăn hiếm khi vượt quá năm cấp dinh dưỡng.
6. Một quần thể vi khuẩn phát triển từ $5\times10^3$ lên $4\times10^6$ trong 6 giờ. Tính k và thời gian nhân đôi.
7. Giải thích tại sao liều vắc-xin thứ hai làm tăng nồng độ kháng thể nhanh hơn nhiều so với liều đầu tiên.
8. Nêu sự khác biệt giữa tính ức chế vi khuẩn và tính diệt khuẩn, và giải thích tại sao sự phân biệt này quan trọng đối với bệnh nhân có hệ miễn dịch yếu.
9. Ba chu kỳ PCR từ một khuôn mạch kép: số lượng bản sao thu được là bao nhiêu?
10. Nhiệt độ lõi cơ thể là 30 °C. Ước tính thời gian kể từ khi chết theo các giả định tiêu chuẩn và nêu một yếu tố sẽ kéo dài khoảng thời gian thực tế.

Đáp án: 1 ATP và NADP khử; 2 NPP $= 40\,000$; cấp độ thứ ba $= 400\,\text{kJ m}^{-2}\text{yr}^{-1}$ (10 % của 4 000); 3 bước sóng mà diệp lục hấp thụ tốt nhất chính là những bước sóng thúc đẩy quang hợp hiệu quả nhất; 4 hướng dẫn — sự chuyển dịch trung bình do kháng thuốc; ổn định — cân nặng khi sinh ở người; 5 năng lượng bị mất ở mỗi giai đoạn qua hô hấp/nhiệt/thải cặn, nên còn lại rất ít; nhà sản xuất cũng tiêu hao năng lượng qua hô hấp trước khi truyền vào bước tiếp theo; 6 logarit chênh lệch 2.903, $k = 2.903/(0.301\times6) = 1.61$ h⁻¹, nhân đôi ≈ 37 phút; 7 tế bào B nhớ tồn tại lâu dài; lần tiếp xúc thứ hai chọn lọc các dòng tế bào phân chia nhanh thành tế bào plasma — đáp ứng thứ phát; 8 ức chế vi khuẩn ngăn chặn sự phát triển (hệ miễn dịch phải tự thanh tẩy), diệt khuẩn giết chết trực tiếp — hệ miễn dịch yếu cần hỗ trợ diệt khuẩn; 9 $2^3 = 8$ bản sao; 10 $(37-30)/1 = 7$ giờ; mặc đồ dày hoặc ở phòng ấm sẽ làm chậm quá trình mát hóa, do đó thời gian thực tế dài hơn.