Sử dụng sinh vật để cung cấp thức ăn và chữa bệnh
Bánh mì nở, sữa chua đặc lại, insulin cứu sống người — tất cả đều là sản phẩm từ các sinh vật được con người tận dụng. Phần cuối này nói về cách con người tăng năng suất (nhà kính, phân bón, kiểm soát sâu bệnh), nhân giống vi sinh vật quy mô lớn (lô lên men) và biến đổi sinh vật có chủ đích: chọn lọc giống, biến đổi gen và nhân bản.
Edexcel International GCSE Sinh học 4BI1, Phần 5 (các phát biểu 5.1–5.20B) hoàn thiện chương trình. Các phát biểu có hậu tố B (nuôi cá, nhân giống vi mô, nhân bản động vật có vú) chỉ dành riêng cho Sinh học.
Sản xuất lương thực
Cây trồng. Nhà kính và đường ống nhựa giữ nhiệt và bảo vệ cây trồng, giúp nông dân kiểm soát ánh sáng, nhiệt độ, CO₂ và nước; tăng CO₂ và nhiệt độ tiến gần đến mức tối ưu sẽ nâng cao tốc độ quang hợp và năng suất. Phân bón thay thế các ion khoáng (nitrat cho axit amin, magiê cho diệp lục) mà đất mất đi sau mỗi vụ thu hoạch. Kiểm soát sâu bệnh: thuốc trừ sâu diệt sâu bệnh nhanh chóng và triệt để nhưng có nguy cơ tích lũy sinh học, gây hại cho các loài khác và để lại dư lượng; kiểm soát sinh học (giới thiệu thiên địch của sâu bệnh) có tính bền vững và đặc hiệu nhưng chậm và khó kiểm soát hơn nếu chính loài kiểm soát lan rộng.
Vi sinh vật. Nấm men lên men đường: theo hướng kỵ khí tạo ra carbon dioxide (làm nở bánh mì) và ethanol; Lactobacillus chuyển hóa đường sữa thành axit lactic, làm đặc sữa chua. Lô lên men công nghiệp duy trì vi sinh vật ở mức tối ưu: biện pháp vô trùng (không nhiễm bẩn), chất dinh dưỡng, nhiệt độ và pH tối ưu, cung cấp oxy (nguồn khí cho vi sinh vật hiếu khí) và khuấy trộn (trộn đều nhiệt và chất dinh dưỡng).
(B) Nuôi cá cung cấp protein hiệu quả: duy trì chất lượng nước, kiểm soát săn mồi (trong loài — giữa các con cá — và ngoài loài), kiểm soát bệnh tật, loại bỏ chất thải, kiểm soát chất lượng và tần suất cho ăn, và chọn lọc giống dòng tăng trưởng nhanh.
Chọn lọc giống
Chọn cha mẹ có đặc điểm mong muốn → lai tạo chúng → chọn lọc con cái tốt nhất → lặp lại qua nhiều thế hệ. Quá trình này phát triển cây có năng suất cao hơn, khả năng kháng bệnh hoặc chịu đựng tốt hơn, và động vật có nhiều thịt, sữa hoặc tính tình hiền lành hơn — nhưng nó thu hẹp pool gen, làm tăng nguy cơ dễ mắc bệnh, và tốn nhiều thế hệ.
Biến đổi gen (kỹ thuật di truyền)
Enzyme giới hạn cắt DNA tại các vị trí cụ thể; ligase nối các mảnh DNA lại với nhau. Một plasmid (hoặc virus) đóng vai trò là vector: gen insulint của người được cắt ra, chèn vào plasmid mở, và DNA tái tổ hợp được đưa vào vi khuẩn, những vi khuẩn này nhân lên trong lô lên men để sản xuất insulin người. Cây biến đổi gen có thể kháng sâu bệnh hoặc thuốc diệt cỏ, hoặc tạo ra nhiều thức ăn hơn. Một sinh vật nhận gen từ một loài khác gọi là động vật/biểu sinh chuyển gen.
Nhân bản (B)
Nhân giống vi mô (nuôi cấy mô): một mảnh mẫu nhỏ được nuôi ngoài cơ thể trên môi trường dinh dưỡng có hormone sinh trưởng, tạo ra các cây con giống hệt nhau về mặt di truyền — số lượng thương mại của cây có đặc điểm mong muốn, miễn dịch bệnh và phát triển nhanh. Nhân bản động vật có vú: một hạt nhân lưỡng bội từ tế bào trưởng thành được chèn vào trứng đã loại bỏ hạt nhân (bỏ hạt nhân của chính nó); tế bào phân chia thành phôi được đặt vào cơ thể mang thai thay thế — cừu Dolly. Các động vật biến đổi gen nhân bản có thể sản xuất protein người trong sữa của chúng.
Tự kiểm tra
- Nêu hai cách nhà kính làm tăng năng suất cây trồng.
- Nêu một ưu điểm và một nhược điểm của kiểm soát sinh học.
- Tại sao Lactobacillus lại làm đặc sữa?
- Liệt kê năm điều kiện mà một lò lên duy trì.
- (B) Tên hai phương pháp kiểm soát động vật ăn thịt trong nuôi cá.
- Nêu hai hạn chế của việc chọn giống có chủ đích.
- Tên enzyme cắt DNA và enzyme nối DNA.
- Vectơ là gì trong kỹ thuật di truyền?
- Giải thích tại sao vi khuẩn mang gen insulin người lại tạo ra loại thuốc hữu ích.
- (B) Trình bày các giai đoạn nhân bản một động vật có vú.
Đáp án: 1 Giữ nhiệt gần mức tối ưu; CO₂, ánh sáng và nước được kiểm soát (bất kỳ hai cái nào); 2 Ưu điểm — tự duy trì, không để lại dư lượng; Nhược điểm — chậm, và loài kiểm soát có thể lan rộng; 3 Nó chuyển hóa lactose thành axit lactic, làm đông protein sữa; 4 Điều kiện vô trùng, dinh dưỡng, nhiệt độ và pH tối ưu, sục khí, khuấy trộn; 5 (B) Lưới bao chống lại động vật ăn thịt khác loài; Mật độ nuôi thấp hơn chống lại động vật ăn thịt cùng loài; 6 thu hẹp vốn gen, nên bệnh lây lan dễ dàng; mất nhiều thế hệ.
Đáp án tiếp theo: 7 Enzyme giới hạn cắt; ligase nối; 8 plasmid hoặc virus mang DNA tái tổ hợp vào tế bào; 9 chúng nhân nhanh trong lò lên men, tiết ra insulin người — an toàn và có thể sản xuất quy mô lớn; 10 (B) Nhân lưỡng bội từ tế bào trưởng thành → trứng không nhân → phân chia thành phôi → cấy vào cơ thể mẹ nhận.