sinh học dai cuong

Các phản ứng hoá học lấy vật chất và năng lượng và chuyển hoá chúng thành các dạng khác nhau, sẽ được tìm hiểu kĩ trong phần 1 của quyển sách này.. Những đơn vị hóa học nhỏ nhất gọi là n

SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

Chương1: Lý thuyết tiến hoá đối với sinh học

Những con ếch quái thai, một đề tài rất thú vị đối với kế hoạch nghiên cứu của một sinh viên đại học! Đó là những gì mà Pieter Johnson-1 sinh viên năm thứ 2 của đại học

Stanford- đã suy nghĩ khi cậu ta gây ra sự chấn động trong giới khoa học cùng với

"pacific tree frogs" có những đôi chân quá khổ mọc ra từ cơ thể của chúng Những con ếch này được bắt ở một bờ ao nhỏ của một ngôi làng gần các mỏ thủy ngân cũ ở Almaden

về phía Nam của San Jose,California Các nhà khoa học trên thế giới đã báo cáo tình hình báo động về sự mất dần của rất nhiều loài ếch , có thể những con ếch "quái vật" này nắm giữ lời giải đáp vì sao có tình trạng rắc rối gặp phải ở các loài ếch trên thế giới Các nguyên nhân của tình trạng biến hình này có thể là các chất hoá học nông nghiệp hoặc các kim loại nặng trong những quả mìn Tuy nhiên nghiên cứu thư viện đã đề nghị các khả năng khác của Pieter

Pieter đã nghiên cứu 35 cái ao trong vùng các con ếch biến dạng này được phát hiện Cậu

ấy đã đếm số lượng ếch trong các ao và kiểm tra thành phần hoá học của nước 13 ao có

"Pacific tree frogs" , nhưng chỉ có 4 ao là có các con ếch biến dạng Pieter ngạc nhiên khi việc phân tích thành phần nước 4 ao này không phát hiện ra hàm lượng cao hơn của các thuốc trừ sâu,chất hoá học Công nghiệp, hay các kim loại nặng trong các ao có những con ếch biến dạng Và càng ngạc nhiên hơn,khi cậu ta chọn lựa những con ếch từ các ao này

và cho chúng đẻ trứng trong phòng thí nghiệm thì luôn thu được các con ếch bình

thường Điều khác biệt duy nhất mà cậu ta quan sát được giữa các ao là các ao có những con ếch biến dạng cũng có những con ốc sên nước ngọt

A Monster Phenemonon : Là sinh viên năm 2 đại học Stanford, Pieter Johnson nghiên cứu về những cái ao, nơi cư trú của “pacific tree frogs” ( Hyla regilla), để cố gắng phát

hiện ra lý do giải thích sự xuất hiện của hàng loạt con ếch bị biến dạng Vật được gắn vào như cái đuôi ở đây chính là 1 cái chân thêm.

Những con ốc sên nước ngọt là ổ của rất nhiều loại sống kí sinh Các loài sống kí sinh tham gia vào vòng đời phức tạp ở một số giai đoạn, mỗi loại trong số chúng đòi hỏi một động vật chủ đặc biệt Pieter tập trung vào khả năng có thể rằng một vài loại động vật kí sinh sử dụng các con ốc sên như vật trung gian, đã gây bệnh cho các con ếch và gây ra hiện tượng biến dạng Pieter đã tìm ra một loài thích hợp cho vòng đời này đó là một loài sâu béo nhỏ có tên là Ribeiroia , có mặt trong ao nơi mà các con ếch biến dạng được tìm thấy

Sau đó Pieter đã làm một thí nghiệm, cậu ta chọn các con ếch từ những vùng mà không

có các con ếch biến dạng và các con Ribeiroria Rồi ấp trứng tại phòng thí nghiệm trong các hộp có hoặc không có loài kí sinh Khi mà ở các hộp có loài kí sinh xuất hiện thì 85% các con ếch bị biến dạng Một thí nghiệm xa hơn nữa đã giải thích tại sao không phải tất

cả các ếch đều bị biến dạng: sự nhiễm bệnh phải xuất hiện trước khi một con nòng nọc bắt đầu mọc chân Khi mà các con nòng nọc đã mọc chân mà bị nhiễm bệnh thì chúng không bị biến dạng

Quá trình nghiên cứu của Pieter đã bắt đầu từ một câu hỏi được đặt ra bởi quan sát trong

tự nhiên Cậu ta tự đưa ra các câu trả lời, quan sát rồi làm hẹp lại danh sách các khả năng, sau đó thực hiện các thí nghiệm để kiểm tra trong những giả định thì điều nào là hợp lý nhất Những thí nghiệm đã giúp cậu ta đạt được một kết luận: các sự biến dạng là do loài Ribeiroia Sự nghiên cứu của Pieter là 1 ví dụ điển hình của việc áp dụng các phương pháp khoa học trong sinh học

Sinh học (biology) là môn học khoa học của những điều trong cuộc sống Các nhà sinh

học nghiên cứu từ cấp độ tế bào cho đến cấp độ toàn bộ hệ sinh thái Họ nghiên cứu các

sự kiện diễn ra trong 1 phần triệu giây cho đến các sự kiện kéo dài hàng triệu năm Các nhà sinh học đặt ra các dạng câu hỏi khác nhau và sử dụng rất nhiều các công cụ, nhưng

họ sử dụng các phương pháp khoa học khác nhau Kết quả mà họ thu được là hiểu được chức năng cơ thể ( và các bộ phận của cơ thể) , và sử dụng các hiểu biết đó để giải quyết các vấn đề trong cuộc sống Trong chương này, chúng tôi sẽ làm rõ hơn về những điều

mà một nhà sinh học thực hiện Đầu tiên, chúng tôi sẽ diễn tả các tính chất của những điều trong cuộc sống,các sự kiện tiến triển chính trong lịch sử cuộc sống của trái đất, và

sự tiến hoá đa dạng của cuộc sống Sau đó chúng tôi bàn tới các phương pháp mà các nhà sinh học sử dụng để nghiên cứu về chức năng của cuộc sống Và ở cuối chương, chúng tôi sẽ bàn về cách làm sao để những hiểu biết của các nhà sinh học có thể được sử dụng giúp cho giải quyết vấn đề cuộc sống của cộng đồng

Sự sống là gì?

Trước khi tìm hiểu về việc nghiên cứu sự sống, chúng ta cần thống nhất sự sống là gì Mặc dù tất cả chúng ta đều biết những dạng sự sống quanh ta hàng ngày, nhưng thật khó

để định nghĩa sự sống một cách rõ ràng Có một định nghĩa ngắn gọn về sự sống như

sau: một đơn vị có tính di truyền, có khả năng trao đổi chất, tái sinh (reproduction), và

tiến hóa (evolution) Phần lớn quyển sách này đề cập những đặc tính trên của sự sống và làm thế nào chúng phối hợp với nhau để giúp cơ thể sống sót và tái sinh( hình 1.1) Bản tóm tắt khái quát sau đây sẽ giúp cho các bạn nghiên cứu về các tính chất đó

1.1 Những mặt khác nhau của 1 đời sống: Sâu bướm, nhộng và bướm trưởng thành là những giai đoạn khác nhau trong 1 vòng đời của 1 con bướm chúa (Danaeus plexippus) Sâu bướm thu thập những nguyên liệu và năng lượng cần thiết để thực hiện hàng triệu các phản ứng chuyển hóa dẫn đến sự sinh trưởng và biến đổi, đầu tiên từ sâu bướm chuyển thành nhộng và cuối cùng thành bướm trưởng thành thích ứng cho việc sinh sản

và phát tán Sự biến đổi từ dạng này sang dạng khác được khởi sự từ các dấu hiệu từ bên trong cơ thể

Sự trao đổi chất bao gồm sự biến đổi vật chất và năng lượng

Trao đổi chất (metabolism): toàn bộ các hoạt động hoá học của cơ thể sống, bao gồm

hàng ngàn các phản ứng hoá học riêng lẻ Các phản ứng hoá học lấy vật chất và năng lượng và chuyển hoá chúng thành các dạng khác nhau, sẽ được tìm hiểu kĩ trong phần 1 của quyển sách này Để 1 cơ thể hoạt động, rất nhiều trong số các phản ứng xảy ra đồng thời, cần phải kết hợp với nhau Các gen thì quy định sự điều khiển này Bản chất của vật chất di truyền (gen) mà điều khiển các hiện tượng trong đời sống chỉ mới được hiểu rõ trong khoảng 100 năm trở lại đây Phần 2 của cuốn sách dành cho việc kể về câu chuyện của những khám phá về gen

Môi trường bên ngoài có thể thay đổi một cách chóng mặt và không hề báo trước khiến cho cơ thể không thể kiểm soát được Một cơ thể chỉ có thể bảo vệ được sức khoẻ nếu như môi trường bên trong còn đảm bảo được các điều kiện hoá lý Các cơ quan bảo vệ của cơ thể giữ không thay đổi theo điều kiện môi trường bên ngoài bằng cách điều chỉnh quá trình trao đổi chất cho phù hợp với sự thay đổi các điều kiện môi trường như nhiệt

độ, có hay không có ánh sáng mặt trời, hay có những tác nhân lạ bên trong cơ thể

Việc giữ vững sự ổn định tương đối các điều kiện bên trong cơ thể , giữ cho thân nhiệt ổn định, được gọi là tính nội cân bằng Sự điều chỉnh để cơ thể nội cân bằng thường xuyên

là không rõ ràng, bởi vì không thấy một sự biến đổi nào Tuy nhiên, ở một vài thời điểm trong cuộc sống, có nhiều cơ quan trả lời lại sự thay đổi điều kiện không phải bằng cách giữ vững tình trạng của chúng mà theo 1 cách thay đổi phần lớn tổ chức cấu tạo Một hình thức đầu tiên của sự thay đổi cấu trúc là sự phát triển của hình thức bào tử, một dạng bảo vệ tốt và là một hình thức vô hoạt trong các cơ thể phải chịu đựng điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một ví dụ điển hình về sự tiến hoá rất lâu về sau này là của các loài sâu bọ, như các loài bướm Để đáp ứng lại các dấu hiệu hoá học bên trong cơ thể, một con sâu bướm sẽ phát triển bên trong một con nhộng và rồi trở thành một con bướm trưởng thành

Sự sinh sản làm cuộc sống tiếp diễn liên tục và là nền tảng cho sự tiến hóa Sự sinh

sản khác nhau là một tính chất chính của cuộc sống Nếu không có quá trình sinh sản, cuộc sống sẽ nhanh chóng biến mất Sinh vật đơn bào đầu tiên sinh sản bằng hình thức nhân đôi vật chất di truyền của chúng sau đó phân tách thành hai Hai tế bào con giống nhau và giống hệt tế bào mẹ, ngoại trừ sự đột biến xảy ra trong quá trình nhân đôi Những lỗi đột biến đó dù hiếm, nhưng lại cung cấp các vật chất thô cho quá trình tiến hoá sinh học Sự phối hợp của quá trình sinh sản đơn giản cùng các lỗi trong việc nhân đôi vật

chất di truyền tạo nên sinh học tiến hoá, một sự thay đổi về thành phần gen của các quần

thể sinh vật trải qua thời gian

Sự đa dạng hóa cuộc sống một phần được điều khiển bởi môi trường vật lý Có những nơi lạnh và có những nơi nóng, cái lạnh và nóng có thể kéo một khoảng thời gian dài trong năm Ở một vài nơi (các đại dương, hồ, sông) thì ẩm ướt, một vài chỗ (các hoang mạc) thì luôn khô hạn Không một dạng sống đơn giản nào có thể hoạt động tốt trong mọi loại môi trường như vậy Thêm nữa, chính các dạng sống qui định sự đa dạng của chúng Một khi thực vật tiến hóa thì nó trở thành nguồn thức ăn cho các dạng sống khác Lần lượt các loài ăn thực vật sau đó lại trở thành thức ăn cho các loài sinh vật khác Và khi các dạng sống này chết đi, chúng lại tiếp tục là thức ăn cho các dạng sống khác Điểm khác nhau giữa các dạng sống cho phép chúng tồn tại trong các môi trường khác nhau và thích ứng

với các kiểu sống khác nhau mà ta gọi là sự thích nghi Sự đa dạng tuyệt vời của các

dạng sống làm cho sinh học trở thành một thứ khoa học hấp dẫn và Trái đất trở thành một nơi giàu có, phục vụ cho cuộc sống

Có một thời kì dài không có sự sống trên trái đất Sau đó là thời kì sống của các đơn bào, rồi đến sự sinh trưởng của các đa bào Nói một cách khác, tự nhiên và sự đa dạng các dạng sống khác nhau luôn thay đổi theo thời gian Việc nghiên cứu quá trình mà tạo nên

sự tiến hoá sinh học trên trái đất là một khoa học rất được chú trọng vào thế kỷ 19

Những quá trình đó sẽ được nói đến rõ nét hơn trong phần 4 của cuốn sách này Còn ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu một cách ngắn gọn làm sao có thể khám phá ra chúng

Tiến hóa sinh học

Những thay đổi qua hàng tỷ năm Khá lâu trước khi hiểu được cơ chế tiến hoá của sinh giới , nhiều người đã nhận thấy rằng sinh vật biến đổi theo thời gian và những cơ thể sống đã tiến hoá từ một loài nào đó ko còn tồn tại trên trái đất Vào năm 1760, nhà tự nhiên học người Pháp_Count George-Louis Leclerc de Buffon (1707-1788)_đã viết

“Lịch sử tự nhiên của muôn loài”, cuốn sách đã trình bày một cách rõ ràng về khả năng tiến hoá của sinh vật Buffon đã quan sát xương chi của tất cả các loài động vật có vú ông nhận thấy có sự tương đồng ở nhiều điểm (hình 1.2) Ông cũng lưu ý một điểm: có những loài động vật có vú, như heo chẳng hạn, chân chúng có những ngón chẳng bao giờ chạm đất, và không có tác dụng gì Buffon đã gặp khó khăn trong việc giải thích sự tồn tại của những ngón nhỏ vô ích này bởi quan niệm thông thường: Trái đất và tạo vật của nó được thượng đế tạo ra trong mối quan hệ với các dạng trước đó Để giải thích cho những quan sát của mình, Buffon giả thiết rằng xương chi của các động vật có vú có thể đã được thừa hưởng từ một tổ tiên chung Những con heo đó có thể có những ngón chân vô chức năng

vì chúng được thừa hưởng từ tổ tiên đã có những ngón chân với đầy đủ hình dạng và chức năng

Buffon đã không thể giải thích được những biến đổi diễn ra như thế nào nhưng một học trò của ông là Jean baptiste de Lamarck (1744-1829) đã đề xuất một cơ chế cho sự thay đổi Ông cho rằng: ”Một giống sinh vật có thể thay đổi dần dần qua nhiều thế hệ vì thế hệ con cháu được thừa hưởng những đặc tính đã trở nên phổ biến, các đặc tính này sẽ càng hoàn thiện hơn trong quá trình phát triển của sinh vật, ngược lại các đặc tính không được tiếp nhận sẽ thu nhỏ lại và trở nên kém phát triển” Ngày nay, các nhà khoa học không thừa nhận quá trình tiến hóa tuân theo cơ chế này Tuy nhiên Lamarck đã để lại một dấu

ấn quan trọng trong quá trình giải thích sự tiến hoá của sinh vật

Thuyết tiến hóa của Darwin

Năm 1858, theo xu hướng chung, các nhà sinh học nhanh chóng tiếp thu một lý thuyết tiến hóa mới được đề xuất độc lập bởi Charles Darwin và Alfred Russel Wallace Vào thời gian này, những nhà địa chất đã thu thập được những bằng chứng về sự tồn tại và thay đổi củaTrái đất qua hàng triệu năm, chứ không chỉ dừng lại ở vài ngàn năm như mọi người đã tưởng Các bạn sẽ học kỹ hơn về thuyết tiến hóa do chọn lọc tự nhiên ở chương

23, nhưng các bạn cần nắm được những ý cơ bản để có thể hiểu được nội dung của quyển sách này Lý thuyết của Darwin bao gồm 3 quan sát thực nghiệm và 1 kết luận ông rút ra

• Trong mỗi loài sinh vật, đều có sự khác nhau giữa các cá thể

• Con cháu giống bố mẹ vì chúng đã thừa hưởng những đặc tính của của bố mẹ mình

Từ những quan sát này Darwin đã rút ra kết luận: “Sự khác biệt giữa những cá thể ảnh hưởng lớn đến sự tồn tại và sinh sản của chúng Một vài điểm đặc trưng làm gia tăng sự thích nghi của chúng sẽ được truyền lại cho các thế hệ tiếp theo” Darwin gọi sự thành công trong phương thức tồn tại và phát triển khác nhau của những cá thể là Chọn lọc tự nhiên Ông gọi đó là ”sự truyền lại và thay đổi”

Những nhà sinh vật bắt đầu có sự thay đổi một chút về quan niệm chủ đạo so với 1 thế kỷ trước.Họ chấp nhận sự lâu dài của quá trình tiên hoá và thừa nhận rằng Chọn lọc tự nhiên

là 1 quá trình các sinh vật thích nghi với môi trường sống Để chấp nhận quan niệm này cần nhiều thời gian vì nó đòi hỏi phải từ bỏ nhiều quan niệm của thế giới quan buổi ban đầu

Trước Darwin, người ta xem thế giới là mới mẻ và cơ thể sinh vật khi được thượng đế tạo

ra đã có như dạng hiện thời Đến thời Darwin, thế giới được xem là đã cổ xưa, cả trái đất lẫn những cư dân của nó đều đã thay đổi theo thời gian Những dạng tổ tiên rất khác so với những dạng tồn tại ngày nay Những cơ thể sống tiến hóa những đặc điểm riêng của chúng vì với những đặc điểm này tổ tiên của chúng đã tồn tại và sinh sản tốt hơn với những đặc điểm khác

Những sự kiện trọng đại trong lịch sử sự sống trên trái đất

Lịch sử sự sống trên trái đất

Lịch sử sự sống trên trái đất được tóm lượt trong vòng lịch gồm 30 ngày theo hình 1.3 Những thay đổi trong hơn 4 tỷ năm qua là kết quả của các tiến trình tự nhiên mà chúng có thể được xác định và nghiên cứu bằng những phương pháp khoa học Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một số điểm thay đổi quan trọng nhất để nắm được tinh thần của quyển sách Sáu sự kiện tiến hoá trọng đại sau sẽ cung cấp cho chúng ta 1 khung thảo luận cả về

những đặc tính của sự sống và sự tiến hóa của các đặc tính này

Sự sống nảy sinh thông qua con đường tiến hóa hóa học

Sự sống đã bắt đầu từ những chất không có sự sống Tất cả thành phần, có sự sống hay không có sự sống đều do các thành phần hóa học cấu tạo thành Những đơn vị hóa học nhỏ nhất gọi là nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo thành phân tử (tính chất của các đơn vị

hóa học này được đề cập ở chương 2) Quá trình tiến hóa hoá học (chemical evolution)

làm xuất hiện sự sống đã diễn ra cách nay gần 4 tỷ năm, khi những tương tác của các hợp chất vô cơ tạo ra những phân tử có những tính chất đáng lưu ý Một số hóa chất liên quan

có thể có nguồn gốc ngoài Trái Đất, nhưng sự tiến hoá hoá học đãdiễn ra trên Trái Đất Những phân tử đơn giản này có thể tổng hợp thành những phân tử lớn, phức tạp hơn nhưng bền vững Vì chúng vừa phức tạp vừa bền vững nên những phân tử này có thể làm gia tăng về loại và số lượng phản ứng hoá học Một số loại phân tử lớn được tìm thấy trong các hệ thống sống; đặc tính và chức năng của các phân tử này sẽ được đề cập trong chương 3

Tiến hóa sinh học bắt đầu khi tế bào hình thành

Vào khoảng 3.8 tỷ năm trước, những hệ thống tương tác của phân tử được bao quanh trong những cái khoang Bên trong những đơn vị này_Tế bào_sự điều khiển được sử dụng khắp lối vào, duy trì và hủy diệt phân tử, như những phản ứng hoá học Nguồn gốc của những tế bào đánh dấu bước khởi đầu của sự tiến hoá sinh học Tế bào và màng tế bào là chủ đề của chương 4, 5

Những tế bào hấp thu năng lượng và tái tạo chính chúng_hai dấu hiệu cơ bản của sự sống_từ khi chúng tiến hoá Tế bào là đơn vị của sự sống Những thí nghiệm của Pasteur

và các nhà khoa học khác suốt thế kỷ 19 đã thuyết phục hầu hết các nhà khoa học rằng, dưới điều kiện hiện tại của trái đất, không thể tạo ra tế bào từ các hợp chất vô cơ được mà phải từ một tế bào khác

Trong 2 tỷ năm sau khi tế bào xuất hiện, tất cả cơ thể sinh vật là đơn bào (chỉ có một tế bào) Chúng ở dưới đại dương, nơi chúng được bảo vệ tránh khỏi những tia cực tím giết người Những tế bào đơn giản này gọi là prokaryotic cells, không có màng bao quanh

Quang hợp đã làm thay đổi tiến trình tiến hóa

Một sự kiện trọng đại đã xảy ra cách nay 2.5 tỷ năm: Sự Quang hợp_khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để trao đổi chất_xuất hiện Tất cả những tế bào phải thu những nguyên liệu thô và năng lượng cung cấp cho sự trao đổi chất Những tế bào quang hợp lấy nguyên liệu thô từ môi trường, nhưng năng lượng chúng thường sử dụng để quang hợp những nguyên tố lại đến từ mặt trời Những tế bào quang hợp đầu tiên có lẽ giống prokaryotes ngày nay được gọi là cyanobacteria (hình 1.4) Năng lượng giữ lấy quá trình hoạt động, chúng ta sẽ đề cập đến trong chương 8, nền tảng của tất cả sự sống ngày nay Khí oxy là một sản phẩm phụ trong quá trình quang hợp Quá trình quang hợp lại phát

triển một lần nữa, prokayotes quang hợp quá phong phú đến nỗi chúng tạo ra 1 lượng lớn oxy trong khí quyển Oxy chúng ta hít thở ngày nay sẽ không tồn tại nếu không có sự quang hợp Khi lần đầu tiên nó xuất hiện trong khí quyển, oxy đã đầu độc tất cả cơ thể sinh vật trên Trái đất Những prokaryotes_đã làm tăng sức chịu đựng với oxy_cũng đã xuất hiện thành công trong môi trường không có sinh vật và sinh sôi nảy nở trong điều kiện rất phong phú Với những prokaryotes, sự hiện diện của oxy đã mở ra một con đường tiến hoá mới Những phản ứng trao đổi chất dùng oxy, được gọi là aerobic

metabolism, có hiệu quả hơn anaerobic metabolism_phương thức mà những prokaryotes

đã dùng Aerobic metabolism đã làm cho tế bào phát triển lớn hơn, và nó trở thành

phương thức được dùng chung cho tất cả sinh vật trên trái đất

Trải qua thời gian dài, số lượng lớn oxy được tạo ra từ quá trình quang hợp có một hiệu quả khác Hình thành từ oxy (O2), ozon (O3) bắt đầu được tích lũy trong thượng tầng khí quyển Ozon từ từ hình thành một lớp dày đặc như cái khiên, cản lại gần hết các phóng xạ cực tím của mặt trời Cuối cùng (mặc dù chỉ trong 800 triệu năm tiến hoá) sự hiện diện của cái khiên đó đã giúp cho sinh vật có thể rời khỏi sự bảo vệ của đại dương mà lên bờ cho một dạng thứ sống mới

Tế bào với những khoang phức tạp bên trong

Thời gian trôi qua, nhiều tế bào prokaryotic đã phát triển to lớn đủ để tấn công, nhấn chìm và tiêu hoá được những cái nhỏ hơn Chúng trở thành những dã thú đầu tiên Thông thường thì những tế bào nhỏ bị phá hủy trong tế bào lớn, nhưng một số tế bào nhỏ lại có thể hòa nhập lâu dài trong hệ thống của những tế bào chủ Trong hình thức này, những tế bào với những khoang phức tạp, được gọi là eukaryotic cells, nảy sinh Vật chất di truyền của chúng được chứa đựng trong nhân (có màng nhân) và được tổ chức trong một đơn vị riêng rẽ Một số khoang khác có những mục đích khác, như quang hợp (hình 1.5)

Đa bào nảy sinh và tế bào trở nên chuyên hóa

Cho đến khoảng 1 tỷ năm trước, chỉ có cơ thể đơn bào (gồm có prokaryotic và

eukaryotic) tồn tại Hai bước ngoặt phát triển làm nên sự tiến hoá của sinh vật đa bào_Cơ thể sinh vật có thể chứa hơn 1 tế bào_:

Thứ nhất là khả năng thay đổi cấu trúc và chức năng của nó để đối đầu với thách

thức_môi trường thay đổi Điều đó đã được hoàn thành khi Prokaryotes tiến hoá khả năng

tự chuyển đổi chúng từ những tế bào lớn nhanh trong các mầm sống hoạt động không tích cực có thể tồn tại trong diều kiện khắc nghiệt của môi trường

Sự phát triển thứ hai cho phép những tế bào dính vào nhau sau khi chúng bị phân ra và hoạt động cùng nhau trong một hình thức liên hợp Cơ thể sinh vật bắt đầu bao gồm nhiều tế bào, các tế bào bắt đầu chuyên hoá Một số tế bào nào đó có thể chuyên hoá chức năng quang hợp Một số khác chuyên hoá chức năng vận chuyển nguyên liệu thô như nước và nitơ

Giới tính làm tăng tốc độ tiến hóa

Những cơ thể đơn bào đầu tiên sinh sản bằng cách phân đôi và những tế bào con giống hệt tế bào bố mẹ Nhưng sự sinh sản hữu tính_kết hợp những gene từ hai tế bào khác nhau trong một tế bào_xuất hiện sớm trong suốt sự tiến hoá của cuộc sống Những

Prokaryotes ban đầu tiến hành sex (ví dụ thay đổi vật liệu gene) và tái sinh (phân bào) vào thời điểm khác nhau Mặc dù ngày nay trong nhiều cơ thể đơn bào, sex và sinh sản xảy ra đồng thời

Sự phân chia nhân đơn giản_Nguyên phân_đã đủ cho sự sinh sản của sinh vật đơn bào,

và sự thay đổi của gene có thể xảy ra bất kỳ thời điểm nào Những cơ thể sinh vật bắt đầu

có nhiều tế bào, tuy nhiên một số tế bào chuyên hóa cho việc sinh dục Chỉ những tế bào sinh dục chuyên hoá, gọi là giao tử, có thể thay đổi gene, và đời sống sinh dục của những sinh vật đa bào trở nên phức tạp hơn Một phương pháp hoàn toàn mới để phân chia nhân

ra đời_giảm phân Một tiến trình rắc rối và phức tạp, giảm phân mở ra vô số khả năng cho sự tái kết hợp của gene giữa những giao tử

Sex làm tăng tốc độ của sự tiến hoá vì 1 cơ thể sinh vật-trao đổi thông tin di truyền với một cá thể khác-tạo ra một thế hệ con khác biệt rất nhiều về mặt di truyền với những cá thể được tạo ra từ nhưng cơ thể sinh vật sinh sản bằng cách phân bào nguyên nhiễm Một

số thế hệ con cháu này tồn tại và sinh sản tốt hơn những cá thể trong những môi trường khác Đó là sự khác biệt di truyền mà chọn lọc tự nhiên tiến hành

Cây tiến hóa của sự sống

Tât cả các loài trên trái đất ngày nay đều bắt nguần từ một tổ tiên chung, tổ tiên của chúng ta chính là các vi sinh vật đơn bào xuất hiện trên trái đất từ 4 tỷ năm về trước Nếu như những điều kiện trên trái đất không thay đổi thì ngay từ khi hình thành đến ngày nay chỉ có duy nhất một loài sinh vật tồn tại Nhưng vấn đề đặt ra là trên trái dất hiện nay có tới hàng triệu loài cùng sinh sống, mỗi loài trong chúng có nhưng đặc điểm khác nhau về mặt di truyền học

Tại sao lại có nhiều loài như vậy? Với điều kiện có sự bắt cặp ngẫu nhiên giữa các cá thể khác nhau trong quần thể để sản sinh ra các thế hệ con cháu, sự bắt cặp ngẫu nhiên này sẽ tạo ra sự khác biệt giữa con cái với cha mẹ, nhưng sự khác biệt này được tích lũy trong khoảng thời gian nhất định và sẽ tạo ra những thay đổi lớn của thế hệ con cháu so với tổ tiên của chúng, và chỉ những loài thích nghi được với sự thay đổi của điều kiện môi trường sống mới sống và tồn tại được Tuy nhiên, nếu trong một quần thể ban đầu có sự chia cách lẫn nhau để tạo thành hai nhóm khác nhau, các cá thể trong hai nhóm này trở lên bất thụ với nhau, tức là khi đó đã có sự khác nhau về mặt di truyền giữa các cá thể trong hai nhóm này, nếu điều này xẩy ra thì sẽ có sự hình thành loài mới Sự tách ra của

cả nhóm cá thể trong một quần thể này là nguyên nhân cơ bản nhất dẫn đến sự đa dạng của sinh vật trên trái đất ngày nay Vấn đề này sẽ được làm sáng tỏ trong chương 24 của quyển sách này

Đôi khi chúng ta cho rằng, sự đơn giản của các sinh vật nguyên thủy lại là một cấu trúc tốt để giúp cho chúng tồn tại, do khả năng thích nghi của chúng tốt hơn các sinh vật khác Nói tóm lại, tất cả các sinh vật còn tồn tại đến ngày nay đều là do khả năng thích ứng tốt của chúng đối với sự thay đổi của môi trường sống như mỏ của các loài chim thay đổi với những điều kiện sống và môi trường sống khác nhau, đại bàng thì có mỏ to khỏe để thích

hợp cới việc xé thịt và giết hại con mồi, chim dế thì có cái mỏ nhọn và dài đẻ chúng có thể băt được những con mồi trong bùn đất, và sự đa dạng về hình thể khác được thấy trong Hình 17 Sự đa dạng của các loài vi khuẩn, mà phần lớn trong số chúng có cấu tạo rất đơn giản, kiểu hình đơn giản này chứng minh rằng chúng có hiệu quả thích nghi tốt Trong quyển sách này chúng ta sử dụng mức độ đơn giản và phức tạp khác nhau trong cấu trúc để nói lên sự liên quan lẫn nhau của cả sinh vật, chúng ta sử dụng phân chia các đặc tính khác nhau của các nhóm sinh vật xuất hiện trước và các tiến hoá của các thế hệ sau này

Nhiều hơn 30 triệu loài sinh vật có thể sống trên trái đất ngày nay, còn có nhiều loài khác

đã từng tồn tại trên trái đất nhưng đến nay đã không còn tồn tại nữa Tính đa dạng của sinh giới ngày nay là kết quả của sự phân tách ra hàng triệu lần của quần thể sinh vật ban đầu Để hiểu về sự hình thành loài chúng ta có thể biểu diễn những sự kiện xẩy ra bằng cây tiến hoá, cây tiến hoá chỉ ra các cấp độ phân tách của các quần thể mà kết quả của sự hình thành loài mới (cây tiến hoá này có thể được thấy trong hình 18) Một cây tiến hoá với một thân ban đầu và ngày càng phân ra thành nhiều nhánh rất đa dạng, theo dấu vết của sự phân nhánh này dựa vào các thế hệ con cháu ta có thể biết được tổ tiên đã sinh ra chúng sống trong thời gian trước, cây tiến hoá cho chúng ta biết được mối liên hệ tiến hoá giữa loài và các nhóm của loài Những loài sinh vật có đặc điểm chung gần gũi với nhau được xếp thành một nhánh, những nhóm có những đặc điểm khác nhau được xếp thành các nhánh khác nhau Trong quyển sách này chúng ta chấp nhận quy ước thời gian

đi từ trái qua phải, như vậy đi về phía trái của cây là tổ tiên của các loài, và gốc của cây là

là tổ tiên chung của sự sống trên trái đất ngày nay

Mục đích của cây tiến hoá là xác định mối quan hệ tiến hoá giữa các loài trên trái đất ngày nay Đạt được mục đích này là nhờ các nhà sinh vật học đã nghiên cứu tập hợp đầy

đủ các thành viên của sự sống trên cây tiến hoá từ những vi trùng đến những động vật có

vú Từ dữ liệu của cây tiến hóa cho ta thấy được sự đa dạng của các nguồn Những hóa thạch của các sinh vật sống trước đây kể cho chúng ta ở đâu khi nào mà các vi sinh vật tổ tiên đã sống và những cái gì còn giống đến ngày nay Với kĩ thuật gen hiện đại như là kĩ thuật tái tổ hợp DNA chúng ta có thể xác định được nhiều gen của các loài khác nhau Nhờ công nghệ thông tin chúng ta có thể tập hợp được khối lượng lớn của các thông tin

di truyền Sáng kiến về cây tiến hóa là một trong những đề tài có tầm quan trọng nhất của sinh học hiện đại, nó làm mất ít nhất hai thập kỉ của nhiều nhà khoa học trên các lĩnh vực khác nhau, đó là nguyên nhân đẫn đến trong một thời gian dài sự hoàn thành đầy đủ nhiều loài trên trái đất chưa được mô tả

Cây tiến hoá sẽ là một khung thông tin trong sinh học cũng như bảng tuần hoàn cung cấp các thông tin cho hoá học và vật lý Sự tiến hoá sắp đặt tự do hơn nhiều triệu năm nay được nghiên cứu và phát triển Mỗi một sự sống mang một bộ gen nhất định, nó kiểm chứng cho sự chọn lọc của tự nhiên Các nhà khoa học có thể mở được những bí ẩn về di truyền này và nghiên cứu sâu hơn về các quá trình sản sinh ra chúng Mặc dù còn nhiều điều chưa được hoàn thành, các nhà sinh học đã đủ biết để lập ra cây tiến hoá tạm thời của sự sống, được chỉ ra trong Hình 18

Sinh vật thuộc hai nhóm sinh vật thời thái cổ và vi khuẩn là các sinh vật không có nhân Archaea và vi khuẩn cũng có mối liên hệ với nhau và chúng tồn tại từ rất sớm trong quá trình tiến hoá của sự sống, hai loài này sẽ đựoc mô tả kỹ trong chương 27 của quyển sách này Thành viên khác đó là sinh vật có nhân Eukarya, chúng là các tế bào có nhân hoàn chỉnh, Eukarya được chia ra làm 4 nhóm là: sinh vật nguyên sinh, thực vật, nấm và động vật Sinh vật nguyên sinh được giới thiệu ở chương 28, thực vật sẽ được giới thiệu ở chương 29 và chương 30, nấm ở chương 31 bao gồm nấm mốc, nấm lớn, nấm men và các sinh vật tương tự khác, đây là nguồn tài nguyên phong phú cho việc tổng hợp các phân tử sinh học bằng các chất sinh học khác Nấm có thể làm hỏng thực phẩm trong môi trường của chúng và sau đó chúng hấp thu các sản phẩm hỏng vào trong tế bào của chúng Chúng rất quan trọng trong quá trình phân hủy xác của các vật liệu sinh học và các sinh vật chết khác đóng góp quan trọng vào chu trình tuần hoàn vật chất của sự sống

Thành viên của giới động vật là các sinh vật dị dưỡng (heterotrophs), những loại này

chúng ăn vào bụng những thức ăn nhưng sự đồng hóa thức ăn diễn ra ở bên ngoài tế bào,

và sau đó chúng hấp thụ sản phẩm Động vật ăn nhiều nhóm khác nhau để thu được năng lượng thô và năng lượng cho tế bào hoạt động Giới này sẽ được giới thiệu ở chương 32,

33 và 34 Chúng ta sẽ thảo luận về mức độ quan trọng của các mức độ tổ chức sống trong chương 25 Chúng ta cần biết nhận diện tên sinh vật bằng tên la tinh, đầu tiên là tên của nhóm loài đó là các loài có tổ tiên chung, thứ hai là tên của loài Tránh sự nhầm lẫn, không nhiều hơn sự phối hợp của hai tên đó là tên của một loài Ví dụ tên khoa học của loài người là Homo sapiens trong đó homo là tên giống loại còn sapiens là tên loài của chúng ta

Sinh học là một môn khoa học

Để nghiên cứu sự đa dạng phong phú của sinh vật sống, các nhà sinh vật học đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau Quan sát trực tiếp bằng các giác quan là phương thức chính của nhiều nghiên cứu khoa học, ở những phương này các nhà khoa học sử dụng nhiều loại dụng cụ và máy móc để hỗ trợ các giác quan của con người Ví dụ, có thể dùng kính hiển vi để nghiên cứu các vật thể vô cùng nhỏ Hoặc để quan sát và phóng đại các vật thể ở xa , ta có thể dùng kính viễn vọng Để tìm hiểu các sự kiện đã diễn ra cách đây hàng triệu năm, các nhà khoa học dùng phương pháp phân tích phóng xạ của các nguyên

tố phóng xạ

Phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học

Bên cạnh sự trợ giúp của các dụng cụ nghiên cứu, phương pháp luận còn đóng một vai trò quan trọng giúp các nhà khoa học trả lời các câu hỏi về thế giới tự nhiên Phương pháp đặt giả thuyết - phỏng đoán là phương pháp khoa học được sử dụng nhiều nhất Phương pháp này giúp các nhà khoa học sửa đổi các kết luận của họ Phương pháp này gồm 5 bước :

1- Quan sát

2- Đặt câu hỏi

3- Đặt giả thuyết, giả thuyết có khuynh hướng trả lời các câu hỏi

4- Đưa ra phỏng đoán, dựa trên giả thuyết

5- Kiểm tra phán đoán bằng cách thêm vào những quan sát hoặc là làm thí

nghiệm

Nếu các kết quả đã qua kiểm tra củng cố giả thuyết ban đầu, thì nó sẽ làm sáng tỏ các phỏng đoán cũng như các thực nghiệm Nếu như các kết quả tiếp tục củng cố các thực nghiệm, độ tin cậy và độ chính xác được nâng cao, thì giả thuyết sẽ được xem như là học thuyết Nếu như các kết quả không làm sáng tỏ các giả thuyết, nó sẽ bị bác bỏ hay sẽ được sửa đổi để phù hợp với những thông tin mới Sau đó các phỏng đoán mới được đưa

ra và các kiểm chứng mới cũng sẽ được tiến hành

Giả thuyết được kiểm tra bằng hai cách

Kiểm tra giả thuyết rất đa dạng, nhưng có 2 loại chính sau đây: phương pháp kiểm tra thực nghiệm và phương pháp so sánh Nếu có thể, các nhà khoa học dùng thực nghiệm để kiểm tra phỏng đoán từ giả thuyết Những việc mà Pieter Jonhoson đã làm là lấy trứng của những con ếch trong phòng thí nghiệm Anh dự đoán rằng, nếu giả thuyết của mình là đúng (nghĩa là ký sinh trùng Riberoria gây ra biến dạng ếch), thì ếch khi sinh sống chung với loài sâu này sẽ gia tăng sự biến dạng, và ngược lại thì ếch không bị biến dạng Điểm

thuận lợi của kiểm chứng thực nghiệm là tất cả các nhân tố khác ngoài nhân tố kiểm

chứng là không thay đổi Nghĩa là, bất kỳ một yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến kết quả

(như nhiệt độ nước, độ pH trong thí nghiệm của Pieter) đều được kiểm soát Điểm mạnh nhất của thí nghiệm là có khả năng chứng minh được giả thuyết hay phỏng đoán từ thí nghiệm đó là sai

Nhưng có nhiều giả thuyết không thể kiểm tra bằng thực nghiệm Một số giả thuyết được kiểm tra bằng phỏng đoán từ những mô hình trong tự nhiên nếu như giả thuyết đó đúng

Dữ liệu thu thập sẽ quyết định những mô hình đấy có thực sự tồn tại trong tự nhiên hay không Sự giải quyết vấn đề này gọi là phương pháp so sánh Đây là phương pháp cơ bản của nhiều nhà khoa học trong 1 số lĩnh vực, như chiêm tinh học( astronomy ) Đây là cũng

là phương pháp so sánh mà các nhà sinh học thường dùng

Hình 1.9 mô tả 1 trong nhiều thí nghiệm các nhà khoa học đưa ra để kiểm tra giả thuyết của mình Một vài thử nghiệm khác cũng đưa cho cùng kết quả tương tự, trong khi 1 số khác lại cho thấy không có sự ảnh hưởng của tia UV-B, hoặc cho thấy những ảnh hưởng trái ngược của tia UV-B khi có sự có mặt của pH thấp

Một phần nhỏ chứng minh cho giả thuyết hiếm khi nào dẫn tới chấp nhận giả thuyết Tương tự, 1 chống đối riêng lẽ không thể bác bỏ giả thuyết Các kết quả không ủng hộ giả thuyết do nhiều nguyên nhân, một trong số đó là giả thuyết sai Ví dụ, 1 phỏng đoán sai có thể rút ra từ 1 giả thuyết không chính xác Hay 1 thí nghiệm dùng 1 sinh vật không thích hợp có thể đưa tới các kết quả sai lầm

Bưóc 1 : Quan sát

Quần thể lưỡng cư của các vi sinh vật như nhau, tức là thay đổi bất thường theo thời gian Trước khi chúng ta đưa ra quyết định về bất kỳ sự suy giảm nào khác với những quần thể bình thường, chúng ta cần phải phát hiện là chúng bất thường Để đánh sự biến đổi bất thường này, một nhóm các nhà khoa học trên thế giới đang tiến hành thu thập dữ liệu về

các quần thể lưỡng cư Dữ liệu của nhóm đã chứng minh rằng các quần thể lưỡng cư đang biến đổi nghiêm trọng ở một số nơi trên thế giới, đặc biệt là ở vùng Tây Bắc Mỹ , Trung Mỹ, Đông Bắc Úc, vịnh Amazon Các dữ liệu cuả các nhà khoa học cũng cho thấy rằng sự biến đổi ở vùng núi thì cao hơn ở vùng đất thấp Các nhà nghiên cứu cũng khám phá là không có dữ liệu biến đổi ở quần thể Châu Phi và Châu Á

Bước 2 : Đặt câu hỏi

Hai câu hỏi được đưa ra là: Tại sao nhóm lưỡng cư giảm mạnh hơn ở vùng cao? Tại sao

sự suy giảm chỉ xảy ra ở 1 số vùng mà không phải các vùng khác?

Bước 3 và bước 4 : lập giả thuyêt và phỏng đoán

Để phát triển giả thuyết cho câu hỏi đầu, trước tiên các nhà khoa học đã xác nhận rằng yếu tố môi trường có làm thay đổi độ cao Nhiệt độ giảm, lượng mưa tăng ở những vùng cao, và trong những vùng ôn đới, mật độ tia tử ngoại-B (UV-B) tăng khoảng 18% tương ứng khi độ cao tăng 1000m Một giả thuyết được đưa ra cho rằng sự suy giảm về số lượng của 1 số loài lưỡng cư là do sự gia tăng toàn cầu của tia UV-B, kết quả của việc giảm nồng độ của ozon khí quyển Nếu sự gia tăng mật độ tia UV-B gây ra những ảnh hưởng bất lợi đến số lượng loài lưỡng cư, chúng ta có thể đưa ra phỏng đoán rằng việc giảm tia UV-B ở các ao nơi trứng loài lưỡng cư được ấp và ấu trùng đang phát triển sẽ cải thiện được tỷ lệ sống sót của chúng

Bước 5 : kiểm tra giả thuyết

Giả thiết cho rằng việc tăng mật độ tia UV-B có thể làm giảm sút số lượng loài lưỡng cư

đã được kiểm tra bằng cách so sánh các phản xạ của các con nòng nọc của 2 loài ếch

sống ở vùng núi Australia Một loài Litoria verreauxii đã biến mất hoàn toàn khỏi vùng này; và loài còn lại thì Crinia signifera thì không Nguyên nhân là do ở vùng cao, các con

nòng nọc này sẽ phải chịu 1 lượng tia UV-B lớn hơn, và kinh nghiệm cho thấy rằng khả năng sống sót của loài L.verreauxii ít hơn loài C.signifera nếu phải chịu cùng 1 lượng

UV-B như nhau Theo như phỏng đoán, khi tiếp xúc với tia UV-B, các cá thể của loài C

signifera vẫn sống tốt, nhưng tất cả các cá thể loài L verreauxii đều chết trong vòng 2

tuần Nếu được nuôi trong 1 hồ lớn được bao bọc bởi những tấm lọc nhằm hạn chế bớt tia

UV, thì cá thể của cả 2 loài đều sống tốt Và kết quả thu được đã củng cố cho giả thuyết

mà các nhà khoa học đưa ra ban đầu

Nhiều giả thiết cũng được đưa ra nhằm xác định các nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm số lượng của loài lưỡng cư, bao gồm cả các ảnh hưởng do những biến động môi trường sống gây ra bởi con người Hai tác động rõ ràng nhất từ những biết đổi môi trường sống gây ra bởi loài người là sự ô nhiễm không khí trong khu đô thị, khu tăng trưởng công nghiệp, và thuốc trừ sâu sử dụng trong nông nghiệp

Theo giả thuyết về sự biến đổi môi trường thì sự thái hoá của các loài lưỡng cư có thể là

do môi trường chúng đang sống ô nhiễm hơn các môi trường ở vùng khác Giả thuyết này được kiểm tra bằng phương pháp so sánh Các nhà khoa học mở rộng nghiên cứu lên 8 loài lưỡng cư tại ban California Các loài được nghiên cứu bao gồm 4 loài ếch thuộc giống Rana, hai loài cóc và vài loài kỳ nhông Các khảo sát được dùng theo phương pháp thống kê (khảo sát và đếm) để nhận biết nơi nào các quần thể của 1 loài hiện diện hay vắng mặt tại hàng trăm điểm khảo sát ở khắp tiểu bang

Kết quả thống kê của ếch Rana aurora được trình bày ở hình 1.10

Bản đồ hình 1.10 cho thấy một xu thế rất rõ của R Aurora: các quần thể lưỡng cư hầu

như biến mất tại vùng thành thị và các vùng trồng trọt ô nhiễm cao, và hiện diện rất nhiều tại các vùng nông nghiệp tương đối sạch hơn Đây là thông tin căn bản nhất của phương pháp so sánh

Trong nghiên cứu này, sau khi đếm tỉ mỉ và so sánh với các dữ kiện tương tự khác có được từ 8 loài cho thấy rằng một vài loài biến mất tại các vùng ô nhiễm cao, tuy nhiên vẫn có những loài(như cóc) thì không bị ảnh hưởng Từ đó chúng ta có thể kết luận môi trường sống của con người không phải là nguyên nhân duy nhất của sự biến mất tất cả các loài Một vài nghiên cứu khác cũng nhấn mạnh một số giả thiết khác về sự biến mất của một số loài lưỡng cư Một vài bằng chứng cho thấy rằng khói từ các đám cháy rộng

có thể gây các ảnh hưởng bất lợi đến các loài lưỡng cư Sự thay đổi khí hậu đóng một vai trò cự kỳ quan trọng ở những vùng như vùng Trung Mỹ, nơi mà từ tiết ấm và khô suốt nhiều năm mùa gieo trồng có thể là nguyên nhân biến mất của loài cóc vàng Costa Rica

Và cũng theo Poeter Jonhson giải thích các sinh vật ký sinh cũng là một phần nguyên nhân của vấn đề

Mặt dầu việc tìm kiếm và thu thập thêm thông tin là rất quan trọng, nhưng với những quan sát và nghiên cứu trên đây đã cho ta thấy được không chỉ có một nguyên nhân dẫn đến tình trạng thoái hoá của các loài lưỡng cư

Phát hiện này không gây một ngạc nhiên nào bởi vì không có nơi nào trên trái đất mà điều kiện tự nhiên lại giống nhau hoàn toàn cả, và cũng không có loài lưỡng cư nào thích nghi giống loài nào Trong quá trình thích nghi với tự nhiên, lưỡng cư cũng giống như tất

cả các sinh vật khác Sự sống của chúng rất phức tạp và là sự tương tác giữa rất nhiều các nhân tố với nhau bao gồm cả sự tương tác giữa loài và loài

Một giải thích đơn giản đối với mọi vấn đề không thể đạt được sự đồng thuận và tin tưởng của tất cả mọi người Sự phức tạp này làm cho sinh học trở thành một bộ môn khoa học khá khó khăn để nghiên cứu Nhưng chính điều đó làm cho sinh học trở nên thu hút

và lý thú hơn

Không phải tất cả mọi điều tra đều là khoa học

Phương pháp nghiên cứu khoa học là công cụ mạnh nhất của loài người để tìm hiểu tự nhiên và tăng cường sự hiểu biết của mình đối với thế giới tự nhiên và các quy luật của

nó Sức mạnh của khoa học được đặt nền tảng trên các lý thuyết đã được kiểm chứng Quá trình này có khả năng tự điều chỉnh bởi vì nếu có bất cứ sai lầm nào trong quá trình thiết lập một học thuyết mới nó sẽ bị loại thải hoặc được thực hiện theo cách khác trong các thí nghiệm sau Thêm vào đó bởi vì các bước để thực hiện một thí nghiệm được trình bày một cách kỹ càng nên các nhà nghiên cứu đi sau sẽ dễ dàng kiểm chứng Bất kỳ sai sót hay sự thiếu trung thực nào cũng sẽ được nhanh chóng phát hiện Đó cũng là lý do tại sao khác với các nhà chính trị, các nhà khoa học trên thế giới luôn tin tưởng kết quả của nhau

Nếu hiểu rõ về phương pháp nghiên cứu khoa học ta có thể phân biệt rõ giữa khoa học và các lĩnh vực khác Nghệ thuật, âm nhạc và văn học những hoạt động nâng cao đời sống con người không phải là các bộ môn khoa học Chúng giúp chúng ta hiểu biết được những giá trị của cuộc sống Tôn giáo cũng không phải là một bộ môn khoa học Tôn giáo trao cho ta niềm tin và dìu dắt đời sống tâm linh chúng ta, thiết lập những giá trị nhân văn căn bản Thông tin khoa học tạo ra một tình huống mà các giá trị của tình huống

đó được thảo luận và thành lập Nhưng nó không thể nói cho chúng ta tình huống đó có giá trị như thế nào

Sự liên hệ giữa sinh học và xã hội

Các nghiên cứu về sinh học có quan hệ rất lâu dài và chặt chẽ với cuộc sống con người Nông nghiệp và dược phẩm là 2 lĩnh vực quan trọng nhất trong sinh học ứng dụng Con người đã nghiên cứu về nguyên nhân gây bệnh và các liệu pháp điều trị từ thời cổ đại Ngày nay với sự giải mã di truyền và khả năng thao tác trên gene của sinh vật, con người

có thể chữa trị được rất nhiều bệnh và sản xuất các sản phẩm nông sản khác Trong cùng thời gian này có rất nhiều vấn đề về đạo đức và xã hội nảy sinh Bao nhiêu và theo

phương thức nào chúng ta chuyển đổi gene của người và một số loài sinh vật khác? Có

vấn đề gì không khi ta thay thế các sinh vật truyền thống bằng các sinh vật biến đổi gene?

Độ an toàn của các sinh vật chuyển gene đối với môi trường và đối với con người?

Nguyên nhân khác để ta lưu tâm đến việc nghiên cứu sinh học là để hiểu rõ hơn về những tác động của con người lên thế giới tự nhiên Việc sử dụng các nguồn tài nguyên có thể hoặc không thể tái tạo đã gây nguy hiểm lên môi trường, nơi cung cấp sự sống cho tất cả chúng ta Những hoạt động của con người đã thay đổi khí hậu toàn cầu, nguyên nhân của

sự tuyệt chủng hàng loạt các loài, và kết quả là sự lây lan của những căn bệnh mới và biến thể nguy hiểm của các căn bệnh cũ Ví dụ như sự lây lan nhanh chóng của dịch SARS hay West Nile virus là do sự thuận tiện của các phương tiện giao thông Những hiểu biết về sinh học cần thiết cho việc nhận biết nguyên nhân của các thay đổi trên, cảnh báo xã hội đề phòng và đối phó với chúng, và khai thác sự đa dạng sinh thái của tự nhiên nhằm cung cấp hàng hoá và dịch vụ cho con người nhằm nâng cao cuộc sống con người

Các nhà khoa học còn giúp đỡ chính phủ trong việc thiết lập luật lệ và các quy tắc ứng xử trong xã hội để đối phó với vấn đề và thử thách ngày một nhiều Trong quá trình nghiên cứu cuốn sách này chúng ta sẽ được tiếp cận với các kiến thức về sinh học đủ để ta hiểu

rõ nếu các chính sách về sinh học được ban hành

Xuyên suốt cuốn sách này chóng ta sẽ trao đổi về sự kỳ thú trong nghiên cứu sinh vật và thấy được sự phong phú về phương thức nghiên cứu của các nhà sinh học để tìm hiểu về thế giới theo cách chúng ta nhận biết và cách thức hoạt động, chức năng của muôn loài

Động cơ lớn nhất của các nhà sinh học là sự nghi ngờ, tò mò Con người bị quyến rũ bởi

sự phong phú và vẻ đẹp của tự nhiên và muốn tìm hiểu nhiều hơn về các loài giúp loài người hiểu biết thêm về các loài sinh vật khác và sự tương tác giữa loài người với các loài sinh vật khác trong tự nhiên Lịch sử nghiên cứu cho thấy chỉ những người biết tò mò

và tìm hiểu thì mới có thể thành công Nói một cách khác, tò mò là thích nghi! Một

lượng lớn câu hỏi của chúng ta về thế giới vẫn chưa được trả lời, và những khám phá mới thường đặt ra nhiều câu hỏi mới nhiều hơn là những điều mà nó trả lời được Có nghĩa là

sự tò mò sẽ là động cơ quan trọng nhất để bạn có thể có những ý tưởng

Chương 2

Những phân tử nhỏ

Sao Hỏa ngày nay là một nơi lạnh lẽo và khô khốc, không thích hợp cho sự sống mà chúng ta biết, nhưng 3 tỉ năm trước nó đã từng là một nơi ấm và ẩm hơn Một vệ tinh thăm dò trên quỹ đạo trái đất gần đây đã chụp được một lòng hồ khô khổng lồ, kích thước bằng bang New Mexico và Texas gộp lại trên bề mặt sao Hoả Một vệ tinh do thám khác phát hiện thấy bằng chứng của nước nằm kẹt dưới bề mặt băng của vùng cực sao Hoả Những khám phá này của các nhà địa chất đã khơi dậy sự quan tâm của các nhà sinh học

vì nơi nào có nước là nơi đó có sự sống Có lý do vững chắc để tin rằng sự sống mà chúng ta biết không thể tồn tại mà không có nước

Động vật và thực vật sinh sống trên bề mặt trái đất phải phát triển những phương thức phức tạp để giữ nước, chiếm 70% trọng lượng cơ thể của chúng Các thủy sinh vật sống trong nước không cần các cơ chế giữ nước này, vì vậy các nhà sinh học kết luận rằng những cơ thể sống đầu tiên có nguồn gốc từ môi trường nước Môi trường nước này không nhất thiết phải là sông, hồ hay đại dương mà chúng ta thường nghĩ Các cơ thể sống đã được phát hiện ở những suối nước nóng ở nhiệt độ trên điểm sôi thông thường của nước, ở một hồ nằm dưới lớp băng của lục địa Antarctic Nam Cực, hoặc ở trong nước kẹt dưới bề mặt trái đất 2 dặm, hoặc trong vùng nước trên mặt nước biển 3 dặm, trong môi trường nước với độ acid hoặc độ mặn cực cao, hoặc thậm chí trong nước làm lạnh bộ phận bên trong của lò phản ứng hạt nhân

Với 20 nghìn tỉ thiên hà trong vũ trụ, mỗi thiên hà gồm 100 tỉ ngôi sao, vũ trụ có rất nhiều hành tinh, và nếu hệ mặt trời của chúng ta là điển hình của một thiên hà thì một vài trong số các hành tinh này có nước cần thiết cho sự sống Khi các nhà sinh vật suy tư về việc sự sống bắt đầu như thế nào từ những vật chất không sống thì sự chú ý của họ không chỉ vào sự hiện diện của nước mà còn những gì hòa tan trong đó

Một khám phá lớn của sinh học là những cơ thể sống được cấu tạo từ cùng những loại nguyên tố tạo nên phần không sống khổng lồ của vũ trụ Quan niệm mang tính cơ học này - rằng sự sống có nền tảng hóa học và tuân theo các định luật Hoá-Lý chung - chỉ mới có gần đây trong lịch sử loài người Khái niệm một "lực sự sống" là nguyên nhân tạo nên sự sống, khác với những lực khác trong Vật lý và Hóa học là một quan niệm phổ biến trong văn hóa Phương Tây cho đến thế kỷ 19, và nhiều người vẫn cho rằng có một lực như vậy Tuy nhiên hầu hết các nhà khoa học đều tin tưởng tuyệt đối vào quan niệm cơ học về sự sống, và nó là nền móng cho Y học và Nông nghiệp

Trước khi mô tả các nguyên tố hóa học được sắp xếp như thế nào trong sinh vật sống, chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm Hóa học cơ bản Trước tiên chúng ta sẽ nói về các thành phần của vật chất: nguyên tử Chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại nguyên tử, đặc tính của chúng và khả năng chúng có thể kết hợp với các nguyên tử khác Sau đó chúng ta sẽ xem xét vật chất biến đổi như thế nào Ngoài những thay đổi vè trạng thái (từ rắn sang lỏng sang khí), các chất còn thay đổi, biến đổi về cả thành phần lẫn tính chất đặc trưng Tiếp đó chúng ta sẽ mô tả cấu trúc và tính chất của nước và mối quan hệ của nó với các axít và bazơ Chúng ta sẽ kết thúc chương bằng việc xem xét các nhóm nguyên tử đặc trưng đóng góp những tính chất đặc thù cho những phân tử lớn hơn mà chúng là một thành phần, và đó sẽ là chủ đề của chương 3

Một thung lũng Lớn hơn trên bề mặt sao Hoả: Bức ảnh màu nhân tạo này cho thấy màu xanh lục là phần đáy khô còn lại của một cái hồ khổng lồ đã từng tồn tại trên sao Hoả Cũng như sông Colorado tạo nên Thung lũng lớn, các dòng nước từ hồ này có lẽ đã tạo nên cái thung lũng sâu hàng dặm mà trên ảnh chính

là đường xanh lục mỏng nằm ngay ở phía Bắc của lòng hồ

Nước và nguồn gốc hoá học của sự sống

Các nhà thiên văn học tin rằng hệ mặt trời của chúng ta bắt đầu hình thành quãng 4,6 tỉ năm về trước khi một ngôi sao nổ tung sau đó suy sụp tạo nên mặt trời, và khoảng 500 vật thể gọi là các tiểu hành tinh va chạm với nhau để tạo nên các hành tinh bên trong, trong đó có trái đất Những dấu hiệu hóa học đầu tiên chỉ ra rằng sự tồn tại của sự sống cách đây 4 tỉ năm Như vậy mất đến 600 triệu năm, mà trong khung thời gian địa lý gọi là Hadean (xuất phát từ Hades - có tính địa phủ - không có sự sống) để các điều kiện hóa học trên trái đất trở nên vừa đúng thích hợp cho sự sống Một điều kiện quan trọng trong

số này là sự tồn tại của nước

Trái đất cổ xưa có lẽ có rất nhiều nước trong không khí Nhưng do hành tinh mới hình thành rất nóng nên nước này bay hơi và thoát vào không gian Khi Trái đất nguội đi nước

có thể lưu lại trên bề mặt của nó, nhưng nước này từ đâu mà ra? Một quan điểm hiện nay cho rằng các sao chổi -những đám bụi và băng thiếu cấu trúc quay quanh quỹ đạo mặt trời từ khi các hành tinh được tạo ra - liên tục va vào Trái đất và mang không chỉ nước

mà còn các thành phần hóa học khác của sự sống, ví dụ Nitơ Khi trái đất nguội, các hóa chất từ các tảng đá hòa tan vào nước và các phản ứng hóa học đơn giản diễn ra Một số các phản ứng này lẽ ra có khả năng tạo nên sự sống, nhưng những tác động bởi những sao chổi khổng lồ và những thiên thạch sẽ tạo ra đủ năng lượng để làm sôi các đại dương đang hình thành, vì vậy sẽ phá hủy bất kỳ sự sống đầu tiên nào Những tác động quy mô lớn này dần đi vào ổn định, và sự sống chiếm lĩnh khoảng 3,8 đến 4 triệu năm trước đây Thời kỳ Hadean tiền sự sống chấm dứt (Hình 2.1) Thời kỳ Archean (tiền Cambrian) bắt đầu, và từ đó đến nay sự sống tồn tại trên trái đất

Trong chương 3 chúng ta sẽ quay lại câu hỏi làm thế nào sự sống đầu tiên có thể xuất hiện từ những chất vô tri vô giác Nhưng trước khi làm điều đó chúng ta cần hiểu hóa học

của sự sống đòi hỏi những gì Giống như phần còn lại của thế giới vật chất, các vật sống được tạo nên từ nguyên tử và phân tử

Hình 2.1 Trục thời gian địa chất Kỷ Hadean bao gồm thời gian từ lúc hình thành trái

đất (khoảng 4,6 tỉ năm trước) cho đến khi sự sống đầu tiên xuất hiện (khoảng 3,8 tỉ năm trước) Trong giai đoạn kỷ Hadean các điều kiện hóa học thay đổi tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống, và sự sống có thể chiếm lĩnh trái đất một khi các trận mưa sao chổi và thiên thạch chấm dứt

Nguyên tử : Thành phần của vật chất

Hơn một nghìn tỉ nguyên tử có thể đặt đủ vào dấu chấm ở cuối câu này Mỗi nguyên tử

được cấu tạo từ một nhân và chuyển động xung quanh nó là một hoặc một số electron

(Hình 2.2) Nhân chứa một hoặc một số proton và một hoặc một số neutron Nguyên tử

và các cấu tử của nó có thể tích và khối lượng, hai tính chất của mọi vật chất Khối lượng

đo lượng vật hiện diện; khối lượng càng lớn thì lượng vật chất càng lớn

Khối lượng của proton có chức năng là một đơn vị đo chuẩn: đơn vị khối lượng nguyên

tử hay dalton (đặt tên theo nhà hóa học người Anh John Dalton) Một proton hay neutron

có khối lượng khoảng 1 dalton (Da), tương đương với 1,7.10-24 gram

(0,0000000000000000000000017g) Khối lượng một electron khoảng 9.10-28 g (0,0005 Da) Vì khối lượng của một electron không đáng kể so với khối lượng của một proton hay một neutron, người ta thường bỏ qua sự đóng góp của electron vào khối lượng

nguyên tử khi tính toán Tuy nhiên chính electron mới quyết định cách các nguyên tử tương tác với nhau trong các phản ứng hóa học, và chúng ta sẽ bàn nhiều về vấn đề này

sau trong chương này

Hình 2.2: Ngyên tử helium

Mỗi proton tích điện dương, được định nghĩa là +1 đơn vị tích điện Một electron có điện tích âm bằng và trái dấu với điện tích của proton; vì vậy điện tích của electron là -1 đơn

vị Neutron, đúng như tên nó phản ảnh, không tích điện vì vậy điện tích của nó là 0 đơn

vị Các điện tích trái dấu (+/-) thì hút nhau còn các điện tích cùng dấu (+/+ hay -/-) thì đẩy nhau Các nguyên tử đều trung hòa về điện: Số lượng proton trong một nguyên tử bằng với số lượng electron

Một nguyên tố được cấu tạo nên chỉ từ một loại nguyên tử

Một nguyên tố là một chất tinh khiết chỉ chứa một loại nguyên tử Nguyên tố Hydrô chỉ chứa một loại nguyên tử hydrô; nguyên tố sắt chỉ chứa các nguyên tử sắt Nguyên tử của mỗi nguyên tố có những đặc tính hoặc tính chất nhất định phân biệt chúng với các

nguyên tử của nguyên tố khác Hơn 100 nguyên tố tìm thấy trong vũ trụ được sắp xếp trong bảng tuần hoàn (Hình 2.3) Các nguyên tố này được tìm thấy với trữ lượng khác nhau Các ngôi sao có rất nhiều Hydrô và Hêli Đất của trái đất và ở những hành tinh gần

đó chứa gần một nửa là Oxy, 28% silicon, 8% nhôm, 2-5% cho mỗi một nguyên tố Natri, Magiê, Kali, Canxi và sắt và chưa một lượng ít hơn nhiều các nguyên tố khác

Khoảng 98% trọng lượng của mọi cơ thể sống (vi khuẩn, củ cải hay con người) đều được tạo nên từ chỉ sáu nguyên tố: Carbon, hydro, Nitơ, oxy, phốt pho và lưu huỳnh Hóa tính của sáu nguyên tố này sẽ là mối quan tâm hàng đầu của chúng ta ở đây, nhưng các

nguyên tố khác không phải không quan trọng Ví dụ Na và K quan trọng đối với chức năng thần kinh; Ca có thể hoạt động như một tín hiệu sinh học; iod là thành phần của một loại hormone quan trọng; và cây cần Magiê như một phần của lục sắc tố (chlorophyll) và

molybdenum để chuyển hóa N vào các hợp chất sinh học có ích

Hình 2.3: Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học các nguyên tố được xắp xếp theo đặt tính vật lý và hóa học 1-92 là các nguyên tố tự nhiên, các nguyên tố từ 93 trở về sau được tạo ra trong phòng thí nghiệm

Số lượng proton quyết định loại nguyên tố

Một nguyên tố được phân biệt với một nguyên tố khác bằng số lượng proton ở mỗi nguyên tử của nó Con số này không bao giờ thay đổi và được gọi là số nguyên tử Một

nguyên tử Heli có 2 proton và một nguyên tử oxy có 8 proton; như vậy số nguyên tử của hai nguyên tố này lần lượt là 2 và 8

Cùng với một số lượng proton xác định, mỗi nguyên tố ngoại trừ Hydro có một hoặc một vài neutron trong nhân của nó Số khối của một nguyên tử là tổng số proton và neutron trong nhân của nó Nhân của Heli chứa 2 proton và 2 neutron; oxy có 8 proton và 8 neutron Vì vậy Heli có số khối là 4 và oxy có số khối là 17 Số khối có thể coi là trọng lượng của nguyên tử tính theo đơn vị Dalton

Mỗi nguyên tố có ký hiệu hóa học gồm một hoặc hai chữ cái riêng Ví dụ H là ký hiệu của Hydrô, He là ký hiệu của Heli và O là ký hiệu của Oxy Một số ký hiệu có nguồn gốc

từ các ngôn ngữ khác: Fe (từ tiếng Latin ferrum) ký hiệu cho sắt, Na (Latin là natrium) ký hiệu cho Natri, và W (Tiếng Đức, Wolfram) ký hiệu cho Von-fram

Trong các sách, ngay trước ký hiệu cho một nguyên tố, số nguyên tử được viết ở phía dưới bên trái và số khối được viết ở phía trên bên trái Vì vậy hydro, carbon và oxy được

viết lần lượt như sau H1, C12

6, O16

8,

Các đồng vị khác nhau về số neutron

Các nguyên tố có thể có nhiều hơn một dạng nguyên tử Các đồng vị của cùng một

nguyên tố đều có cùng một số proton xác định nhưng khác nhau về số neutron trong nhân nguyên tử

Trong tự nhiên nhiều nguyên tố tồn tại ở nhiều dạng đồng vị Các đồng vị của Hydro ở Hình 2.4 có các tên riêng, nhưng đồng vị của hầu hết các nguyên tố không có tên riêng

Ví dụ đồng vị trong tự nhiên của Carbon là 12C, 13Cvà 14C(được đề cập dưới tên gọi

Carbon 12, Carbon 13 và Carbon 14) Hầu hết nguyên tử Carbon đều là 12C, khoảng 1,1%

là 13C và chỉ một phần rất nhỏ là 14C Một khối lượng nguyên tử của một nguyên tố, tức

trọng lượng nguyên tử * là trung bình số khối của một mẫu đại diện các nguyên tử của nguyên tố đó, với tất cả các đồng vị theo tỉ lệ của chúng thường gặp Do đó trọng lượng nguyên tử của Carbon được tính là 12,011

Một số đồng vị, gọi là đồng vị phóng xạ, không bền và tự phát ra năng lượng dưới dạng

các phóng xạ α (alpha), β (beta) hay γ (gamma) từ nhân nguyên tử Sự phân rã phóng xạ như vậy biến nguyên tử ban đầu thành một nguyên tử khác, thường là một nguyên tố khác Ví vụ carbon-14 mất một hạt β (thật ra là một electron) để tạo nên 14N Các nhà Sinh vật và Vật lý có thể kết hợp các đồng vị phóng xạ vào các nguyên tử và sử dụng phóng xạ phát ra như một dấu hiệu để xác định vị trí của những phân tử này hoặc xác định những thay đổi mà phân tử này đang trải qua trong cơ thể (Hình 2.5) Ba đồng vị phóng xạ được sử dụng phổ biến theo cách này là 1H (tritium), 14C (carbon-14) và 32P (phốtpho 32) Ngoài những ứng dụng này các đồng vị phóng xạ còn được sử dụng để định tuổi các hóa thạch (xem chương 22)

Mặc dù đồng vị phóng xạ có ích cho các thí nghiệm và trong Y học, chỉ một liều thấp phóng xạ của chúng có khả năng hủy hoại tế bào và các phân tử Chúng ta biết rất rõ các

tác dụng tàn phá của các vũ khí hạt nhân cũng như những lo ngại về sự hủy hoại các sinh vật từ các đồng vị sử dụng trong nhà máy điện hạt nhân Trong Y học, phóng xạ γ từ 60Co (Cobalt 60) được sử dụng để phá hủy hoặc giết các tế bào ung thư

Trong khi bàn về các đồng vị và tính phóng xạ, chúng ta đã tập trung vào hạt nhân

nguyên tử, nhưng nhân không đóng vai trò trực tiếp trong khả năng kết hợp của nguyên

tử với các nguyên tử khác Khả năng này được quyết định bởi số lượng và sự phân bố của các electron Trong các phần tiếp theo chúng ta sẽ mô tả một ố tính chất và cách thức hoạt động hóa học của electrons

Cách thức hoạt động của electron quyết định liên kết hóa học

Khi xem xét các nguyên tử, các nhà sinh học chủ yếu quan tâm đến electrons vì cách thức hoạt động của electron giải thích những biến đổi hóa học xảy ra như thế nào trong tế bào sống Những biến đổi này, gọi là phản ứng hóa học hay đơn giản là phản ứng, là những thay đổi trong thành phần của chất Số electron đặc trưng trong mỗi nguyên tử của một nguyên tố quyêt định cách các nguyên tử của nó phản ứng với các nguyên tử khác Mọi phản ứng hóa học liên quan đến sự thay đổi về mối quan hệ giữa các electron với nhau

Vị trí của một electron trong một nguyên tử tại một thời điểm bât kỳ là không thể xác định Chúng ta chỉ có thể mô tả một khoảng không gian trong nguyên tử trong đó electron

có khả năng có mặt Vùng không gian nơi electron được tìm thấy ít nhất 90% số lần chính là orbital của electron (Hình 2.6) Trong một nguyên tử, một orbital nhất định có thể được chiếm lĩnh bởi nhiều nhất là hai electron Vì vậy bất kỳ nguyên tử nào lớn hơn Heli (số nguyên tử là 2) phải có các electron trong hai orbital trở lên Như hình 2.6 cho thấy, các orbital khác nhau có các dạng & hướng đặc trưng trong không gian Các orbital lại tạo nên một loạt các lớp vỏ điện tử, hay mức năng lượng quanh hạt nhân (Hình 2.7) > Lớp vỏ điện tử trong cùng chỉ có một orbital, gọi là orbital s Hydro (1H) có một electron trong lớp vỏ đầu tiên; Heli (2He) có hai Tất cả nguyên tố khác có hai electron ở lớp vỏ thứ nhất cũng như các electron trong các lớp vỏ khác

> Lớp vỏ thứ hai được tạo nên bởi bốn orbital (một orbital s và ba orbital p) và vì vậy có thể giữ tới tám electron

Các orbital s chứa đầy electron trước và các electron của chúng có mức năng lượng thấp nhất Các vỏ tiếp theo có số các orbital khác nhau, nhưng lớp vỏ ngoài cùng nhất thường chỉ chứa tám electron Trong bất kỳ nguyên tử nào, lớp vỏ điện tử ngoài cùng quyết định cách các nguyên tử kết hợp với các nguyên tử khác - tức hóa tính của nguyên tử Khi một lớp vỏ ngoài cùng tạo bởi bốn orbital chứa tám electron sẽ không có electron nào không cặp đôi (xem Hình 2.7) Một nguyên tử như vậy bền vững và sẽ không phản ứng với các nguyên tử khác Các ví dụ về các nguyên tố bền vững là Heli, Neon và Argon

Các nguyên tử có hoạt tính tìm cách đạt tới trạng thái bền vững không có electron không cặp đôi ở lớp vỏ ngoài cùng Chúng đạt được sự bền vững này bằng cách chia xẻ electron với các nguyên tử khác, hoặc bằng cách cho hoặc nhận một hoặc một vài electron Trong

cả hai trường hợp các nguyên tử được liên kết với nhau Những liên kết như vậy tạo ra tổ hợp bền vững giữa các nguyên tử gọi là phân tử

Một phân tử là hai hoặc nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học Xu hướng đạt được tám điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của các nguyên tử trong các phân tử bền vững được biết dưới tên gọi quy tắc "bát tử" Nhiều nguyên tử có ý nghĩa sinh học, ví dụ carbon (C) và nitơ (N) tuân theo quy tắc bát tử Tuy nhiên một số nguyên tử có ý nghĩa sinh học không tuân theo quy tắc này Hyđro (H) là một ví dụ dễ thấy nhất, đạt tới trạng thái cân bằng khi chỉ có hai electron chiếm lớp vỏ duy nhất của nó

Các liên kết hoá học : Sự kết nối các nguyên tử

Liên kết hoá học là một dạng lực hấp dẫn kết nối hai nguyên tử để hình thành một phân

tử Có một số loại liên kết hoá học (bảng 2.1), ở phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về liên kết hoá học cộng hoá trị là kết quả của việc dùng chung các điện tử Sau đó chúng ta sẽ xem xét các loại tương tác khác như: liên kết Hyđro, là một loại liên kết yếu nhưng vô cùng quan trọng trong sinh học Cuối cùng chúng ta xét đến liên kết ion được hình thành khi nguyên tử mất đi hoặc nhận thêm điện tử

Các liên kết cộng hoá trị : dựa trên các cặp điện tử dùng chung Khi hai nguyên tử đạt

được số điện tử ổn định ở lớp vỏ ngoài của chúng bằng cáchđưa ra một hay nhiều cặp điện tử dùng chung., liên kết cộng hoá trị được hình thành Xem xét hai nguyên tử Hyđro

ở gần nhau, mỗi nguyên tử có một điện tử độc thân ở ngoài vỏ Mỗi hạt nhân mang điện tích dương hút các điện tử độc thân của các ngyên tử khác nhưng lực hút này được cân bằng bởi lực hút của hạt nhân nguyên tử của chính điện tử đó.Do đó hai điện tử độc thân

đã được hai ngyên tử dùng chung, lấp đầy lớp vỏ ngoài của cả hai nguyên tử đó.Như vậy chúng được nối với nhau bằng liên kết cộng hoá trị và một phân tử khí Hyđro (H2)được tạo thành

Một phân tử được tạo thành từ hơn một loại nguyên tử đựoc gọi là một hợp chất Một công thức phân tử sử dụng các kí hiệu hoá học để biểu diễn các nguyên tử khác nhau trong một hợp chất , các chỉ số viết phía dưới chỉ số nguyên tử mỗi loại trong phân tử Ví

dụ công thức của đường mía saccarozo là C12H22O11 Mỗi hợp chất có phân tử lượng (khối lượng phân tử) là tổng nguyên tử lượng của tất cả các nguyên tử trong phân tử.Nhìn vào bảng tuần hoàn bạn có thể tính được khối lượng phân tử của đường mía là 342 Khối lương phân tử thường liên quan đến kích thước phân tử.(hình 2.9)

Một nguyên tử cacbon có 6 điện tử ở lớp vỏ; 2 điện tử lấp đầy lớp vỏ bên trong và 4 điện

tử ở lớp vỏ ngoài.Lớp vỏ ngoài này có thể chứa được 8 điện tử, Cacbon có thể dùng chung điện tử với 4 nguyên tử khác … Nó có thể hình thành 4 liên kết cộng hoá trị Khi một nguyên tử cacbon phản ứng với 4 nguyênt ử Hyđro, phân tử Metan được hình thành (Hình 2.10a) Nhờ có các điện tử dùng chung lớp vỏ ngoài của nguyên tử cacbon trong phân tử Metan được lấp đầy với 8 điện tử, và lớp vỏ ngoài của mổi nguyênt ử Hyđro cũng được lấp đầy 4 liên kết cộng hoá trị - mỗi liên kết chứa 1 cặp điện tử dùng chung , cùng tạo nên phân tử Metan Bảng 2.2 chỉ ra các liên kết công hoá trị của một số nguyên

tố có ý nghĩa sinh học quan trọng

Định hướng liên kết cộng hóa trị

Các liên kết cộng hoá trị là các liên kết mạnh Năng lượng nhiệt mà các phân tử sinh học thông thường có ở nhiệt độ cơ thể nhỏ hơn 1% năng lượng cần thiết để phá vỡ các liên kết cộng hoá trị Vì vậy với hầu hết các phân tử sinh học,liên kết cộng hoá trị làm cho chúng trở nên khá bền vững Điều này có nghĩa là cấu trúc ba chiều và không gian chúng chiếm giữ khá ổn định Một đặc tính thứ hai của liên kết cộng hoá trị : đối với một cặp nguyên tử, liên kết cộng hoá trị giữa chúng luôn giống nhau về độ dài, góc, hướng liên kết bất chấp chúng nằm trong phân tử lớn hay nhỏ Ví dụ như 4 orbitals được lấp đầy quanh hạt nhân Cacbon của phân tử Metan, bản thân chúng đóng góp các không gian để các nguyên tử Hyđro liên kết được định hướng vào các góc của 1 khối tứ diện đều với Cacbon là tâm của khối tứ diện đó Cấu trúc 3 chiều của Cacbon và Hyđro cũng tương tự

như vậy trong đại phân tử Protein phức tạp Đặc điểm này của liên kết cộng hoá trị giúp chúng ta có thể dự đoán được các cấu trúc sinh học

Mặc dù sự định hướng của các orbital và hình dạng của các phân tử khác nhau phụ thuộc vào từng loại nguyên tử có liên quan và chúng liên kết với nhau như thế nào, cũng cần phải nhớ rằng tất cả các phân tử đều chiếm giữ không gian và có cấu trúc 3 chiều Hình dạng của phân tử góp phần tạo nên chức năng sinh học của chúng, chúng ta sẽ nghiên cứu

ở chương 3

2.2 Khả năng tạo liên kết cộng hoá trị của một số nguyên tố sinh học quan trọng

Ngyên tố: Số liên kết cộng hoá trị thông thường

Các điện tử dùng chung không cân bằng

Nếu hai nguyên tử của một nguyên tố liên kết cộng hoá trị với nhau chúng cùng chia sẻ

cặp điện tử ở trạng thái cân bằng.Tuy nhiên khi hai nguyên tử là hai nguyên tố khác nhau không còn sự cân bằng nữa Một hạt nhân có thể tác động lực hút tĩnh điện lớn hơn vào cặp điện tử làm chocặp diệ tử này có xu hướng gần hơn với nguyên tử chứa hạt nhân đó Lực hút của nguyên tử tác động lên các điên tử được biểu hiện bằng độ âm điện cúa nguyên tử đó Nó phụ thuộc vào số điện tích dương của hạt nhân ( trong nhân có càng nhiều proton thì điện tích dương càng lớn và hút điện tử càng mạnh ) và khoảng cách từ hạt nhân đến các điện tử (khoảng cách càng gấn ái lực càng lớn) Hai nguyên tử càng gần nhau về độ âm điện cặp điện tử dùng chung càng ở dễ ở vị trí cân bằng Bảng 2.3 chỉ ra

độ âm điện của một số nguyên tố quan trọng trong sinh học.Từ bảng đó ta thấy hai nguyên t ử Oxy đều có độ âm điện là 3.5 sẽ chia sẻ cặp điện tử cân bằng, hình thành liên kết cộng hoá trị không phân cực Tương tự như vậy với hai nguyên tử Hyđro (2.1)

2.3 Độ âm điện của một số nguyên tố sinh học

Nguyên tố : Độ âm điện

Nhưng khi Hyđro liên kết với Oxy để hình thành nước các điện tử ở vị trí không cân bằng : chúng có xu hướng gần với Oxy hơn vì Oxy có độ âm địên lớn hơn Ở đay liên kết cộng hoá trị phân cực được tạo thành.(hình 2.11) Vì các điện tử được chia sẻ không đều , nên Oxy trong liên kết Hyđro – Oxy gần như mang điện tích âm ( kí hiệu là δ- , đọc là

“delta trừ” nghĩa là đơn vị điện tích từng phần) Hyđro coi như mang điện tích dương (δ+).Liên kết này phân cực các điệ tích trái dấu tập trng ở hai đầu (2 cực) của liên kết điệ tích từng phần tạo ra từ liên kết cộng hoá trị phân cực làm cho phân tử phân cực hay xuất hiện cac vùng phân cực trong các đại phân tử.Liên kết phân cực gây ảnh hưởng lớn đến

sự tương tác giữa các phân tử chứa chúng Liên kết Hyđro có thể hình thành giữa các nguyên tử trong liên kết cộng hoá trị có cực Trong nước lỏng, nguyên tử Oxy mang điện tích âm (δ-) của 1 phân tử nước sẽ hút các nguyên tử Hyđro mang điện tích dương (δ+) của phân tử nước khác ( do các điện tích âm hút các điện tích dương) Liên kết như vậy được gọi là liên kết Hyđro Liên kết Hyđro không chỉ tồn tại giữa các phân tử nước Chúng có thể hình thành giữa một nguyên tử có độ âm điện lớn và một nguyên tử Hyđro liên kết cộng hoá trị với một nguyên tử có độ âm điện lớn khác(hình 2.12) Liên kết Hyđro là một liến kết yếu nó chỉ bằng 1/10 (10%) của liên kết cộng hoá trị giữa 1 nguyên

tử Hyđro và 1 nguyên tử Oxy.(xem bảng 2.1) Tuy nhiên khi nhiều liên kết Hyđro được hình thành nó trớ nên bền vững và có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của các chất Sau chương này chúng ta sẽ thấy được các liên kết Hyđro trong phân tử nước tạo ra rất nhiều đặc tính làm cho nước trở nên không thể thiếu trong cơ thể sống Liên kết Hyđro cung đóng một vai trò quan trọng kiểm soát và duy trì dạng ba chiều của các đại phân tử như ADN và các Protein(xem chương 3)

Liên kết ion hình thành từ lực hút điện tử Khi 1 nguyên tử có độ âm điện lớn hơn

nhiều so với nguyên tử tương tác với nó, xảy ra sự chuyển rời của một hay nhiều điện tử.Xem xét hai nguyên tử Natr ( độ âm điện 0.9) và Clo (3.1) Một nguyên tử Natri chỉ có

1 điện tử ở lớp vỏ ngoài ; điều kiên này không bền Một nguyên tử Clo có 7 điện tử ở lớp

vỏ ngoài - trạng thái này cũng không bền Do độ âm điện của các nguyên tố này rất chênh lệch nhau,một vài điện tử trong liên kết sẽ tiến đến rất gần hạt nhân Clo đến mức mà trong thực tế đã là sự chuyển rời hoàn toàn điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.(hình 2.13) Tương tác giữa Natri và Clo làm cho các nguyên tử ở trạng thái bền vững hơn Đó là liên kết Ion.Ion là các tiểu phần mang điên tích được tạo thành khi nguyên tử mất đi hay nhận thêm một hay nhiều điện tử - Ion Natri (Na+) có điện tích +1 vì nó có số lượng điện tử ít hơn 1 so với số proton Lớp vỏ ngoài của Natri đựợc lấp đầy với 8 điện

tử để ion ở trạng thái bền vững Các ion mang điện tích dương được gọi là các cation - Ion Clo (Cl-)có điện tích là -1 vì nó có số điện tử nhiều hơn 1 so với số proton Thêm vào

1 điện tử ,Cl- có lớp vỏ bến vững với 8 điện tử Các ion mang điện tích âm được gọi là các anion Một số nguyên tố tạo thành ion mang điện tích lớn khi bị mất hoặc nhận thêm hơn 1 điện tử.Ví dụ : ion Ca2+(ion canxi được tạo ra từ nguyên tử Canxi bị mất hai điện tử) và ion Mg2+ (ion magiê).Hai nguyên tố quan trọng trong sinh học trong đó mối nguyên tố có 2 loại ion bền là :sắt với Fe2+ ( ion Sắt II) và Fe3+ (ion sắt III); đồng với Cu+

(ion đồng I) và Cu2+ (ion đồng II) Các nhóm nguyên tử liên kết cộng hoá trị mang điện tích được gọi là các ion phức Ví dụ như NH4+(ion amoni), SO42-(ion sunphat), và PO43-

(ion photphat)

Điện tích từ các ion phát ra theo mọi hướng Khi được hình thành các ion thường ở dạng bền vững.chúng không bị mất đi hay nhận them các điện tích nữa Các ion hình thành liên kết bền thường là dạng rắn như Natri Clorua (NaCl) và Kali Photphat (K3PO4)

Liên kết ion là liên kết được hình thành do lực hút tĩnh điện giữa hai ion có điện tích trái dấu Natri Clorua - loại muối ăn quen thuộc với chúng ta- các cation va anion liên kết với nhau bằng liên kết ion Trong chất rắn, liên kết ion rất mạnh vì các ion tương tác rất chặt chẽ với nhau Tuy nhiên khi các ion này được phân tán vào nước khoảng cách giữa chúng lớn hơn lực liên kết giữa chúng giảm đi rất nhiều Trong môi trường tế bào lực ion nhỏ bằng 1/10 lực liên kết cộng hoá trị không phân cực.(xem bảng 2.1) Không có gì ngạc nhiên, khi các ion với một hay nhiều đơn vị điện tích có thể tương tác với các phân tử phân cực cũng như với các ion khác Tương tác như vậy đựoc tạo ra khi muối hay một ion rắn náo đó tan trong nước :các phân tử nước tạo thành lớp vỏ bao quanh mỗi ion và chia tách chúng ra (hình 2.14) Liên kết Hyđro mà chúng ta đã mô tả cũng là một loại liên kết ion bởi vì nó được hình thành từ lực hút tĩnh điện Tuy nhiên nó yếu hơn nhiều so với liên kết ion vì nó hình thành từ các điện tích thành phần (δ+ và δ-) nhỏ hơn các điện tích đơn vị toàn phần (+1 hoặc -1)

Các chất phân cực và không phân cực tương tác với nhau

“Giống nhau thì bám nhau” là một ngạn ngữ cổ và nó được thể hiện đúng nhất trong các phân tử phân cực và không phân cực, vốn có xu hướng tương tác với "đồng loại" của chúng Cũng như các phân tử nước tương tác với nhau qua liên kết hydro do sự phân cực tạo ra, bất kỳ phân tử phân cực nào sẽ tương tác với các phân tử phân cực khác bằng lực hấp dẫn yếu (δ+ đến δ-)trong các liên kết hydro Nếu một phân tử phân cực tương tác với nước theo cách này thì chúng được gọi là các phân tử ưa nước (“ái nước”) Thế còn các phân tử không phân cực thì sao? Ví dụ Cacbon (độ âm điện 2.5) hình thành liên kết không phân cực với Hyđro (độ âm điện 2.1) Phân tử Hyđrocacbon được tạo thành - tức một phân tử chỉ chứa các nguyên tử Hyđro và Cacbon - là một phân tử không phân cực,

và trong nước chúng có xu hướng co cụm với các phân tử không phân cực khác thay vì với các phân tử nước phân cực Những phân tử như vậy được biết dưới tên gọi các phân

tử kị nước (“ghét nước”), và tương tác giữa chúng gọi là tương tác kị nước Một điều quan trọng là các chất kị nước không thực sự “ghét” nước ; chúng có thể hình thành các tương tác yếu với nước (nhớ lại độ âm điện của Cacbon và Hyđro không bằng nhau chính xác) Nhưng các tương tác này yếu hơn nhiều so với liên kếtHyđro giữa các phân tử nước, vì vậy các chất không phân cực sống rất tách biệt Các tương tác yếu giữa các chất không phân cực được tăng cường bởi lực Van der Waals, sinh ra khi hai phân tử không phân cực ở rất gần nhau Những tương tác ngắn ngủi này là kết quả của sự biến thiên ngẫu nhiên trong sự phân bố electron trong phân tử, tạo ra sự phân phối các điện tích trái dấu ở hai phân tử nằm cạnh nhau Mặc dù chỉ một liên kết Van de Waals thì rất ngắn ngủi

và yếu ở mọi vị trí, nhưng tổng của rất nhiều các tương tác như vậy trên toàn bộ cấu trúc một phân tử không phân cực lớn có thể tạo ra một lực hấp dẫn rất lớn Lực Van de Waals rất quan trọng trong việc duy trì cấu trúc của rất nhiều hợp chất sinh học quan trọng

Các phản ứng hóa học : Nguyên tử đổi bạn

Một phản ứng hóa học xảy ra khi nguyên tử kết nối hay làm thay đổi liên kết của chất đồng tham gia phản ứng Xét phản ứng cháy xảy ra trong ngọn lửa của propane Khi propane (C3H8) phản ứng với khí oxi (O2), nguyên tử carbon sẽ liên kết với oxy thay vì với nguyên tử hydrô, và nguyên tử hydrô sẽ liên kết với oxy thay vì với carbon (Hình 2.15) Khi những nguyên tử cộng hóa trị thay đổi liên kết của các chất tham gia, thành phần của phản ứng thay đổi, propane và khí oxy trở thành khí carbonic và nước Phản ứng hóa học này có thể được biểu diễn bằng phản ứng sau:

C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O + năng lượng

Hình 2.14: Trong phản ứng này, propane và oxy là những chất tham gia phản ứng, và carbon dioxide và nước là những sản phẩm tạo thành Trong trường hợp này, phản ứng là hoàn toàn: tất cả propane và oxy được sử dụng hết để tạo thành 2 sản phẩm trên Hướng mũi tên chỉ chiều của phản ứng Chỉ số đứng trước mỗi phân tử dùng để cân bằng phản ứng và đồng thời chỉ số lượng phân tử đã được sử dụng hay tạo thành

Trong phản ứng này, cũng như trong tất cả các phản ứng hóa học khác, vấn đề không phải là tạo thành hay phân hủy chất gì Mà vấn để chính là: tổng số phân tử carbon bên vế trái của phương trình phản ứng bằng với tổng số carbon có bên vế phải Tuy nhiên, có 1 sản phẩm khác cũng được tạo thành sau phản ứng: đó là năng lượng Nhiệt và quang của

lò phản ứng chứng tỏ rằng phản ứng của propane và oxy giải phóng 1 lượng năng lượng lớn Năng lượng được định nghĩa như là khả năng làm việc, nhưng trên phương diện trực giác, nó cũng có thể được xem như khả năng để thay đổi Các phản ứng hóa học không tạo ra hay tiêu tốn năng lượng, nhưng thay đổi năng lượng luôn đi kèm với phản ứng hóa học

Trong phản ứng giữa propane và oxy, năng lượng giải phóng ra nhiệt và quang đã có sẵn trong các chất tham gia phản ứng từ trước dưới 1 dạng khác, được gọi là năng lượng hóa học tiềm tàng Trong 1 vài phản ứng hóa học, năng lượng phải được cung cấp từ môi trường (ví dụ, 1 vài chất chỉ sẽ phản ứng khi được đốt nóng), và 1 số nguồn cung cấp năng lượng này được trữ dưới dưới dạng năng lượng hóa học tiềm tàng trong các liên kết được hình thành trong sản phẩm

Chúng ta có thể đo được năng lượng trong các phản ứng phản ứng hóa học bằng cách sử dụng đơn vị gọi là calorie (cal) 1 calorie là 1 lượng nhiệt cần để tăng nhiệt độ của 1gram nước tinh khiết lên 1 độ: từ 14,5oC lên 15,5oC Một đơn vị năng lượng khác cũng thường được sử dụng nữa là Joule (J) Khi ta so sánh năng lượng với nhau, ta luôn so sánh joules với joules hay calories với calories Hai đơn vị này có thể chuyển đổi qua lại: 1J =

0,233cal, và 1cal = 4,184j Ví dụ: 486 cal = 2,033J, hay 2.033 kJ Mặc dù được định nghĩa là năng lượng nhiệt, nhưng 2 đơn vị calorie và joule còn được dùng để đo bất kỳ dạng năng lượng nào – cơ năng, điện năng, hay hóa năng

Nhiều phản ứng sinh học cũng giống như sự cháy của propane Thay vì nhiên liệu là propane, thì nhiên liệu ở đây là đường glucose và phản ứng diễn ra qua nhiều bước trung gian, những bước này sẽ giữ lại năng lượng giải phóng từ glucose để cung cấp cho tế bào

sử dụng Nhưng sản phẩm của các phản ứng sinh học cũng tương tự như trong phản ứng hóa học: đều tạo thành carbon dioxide và nước Những phản ứng này là chìa khóa của nguồn gốc các loài từ các phân tử đơn giản Chúng ta sẽ giới thiệu và thảo luận về các thay đổi của năng lượng, các phản ứng oxi hóa – khử, và nhiều dạng khác của các phản ứng hóa học thông dụng trong hệ thống sống trong phần sau

Nước : cấu trúc và các tính chất

Nước, cũng giống như các vật chất khác, có thể tồn tại ở 3 thể: rắn, lỏng, khí Nước ở thể lỏng là môi trường bắt nguồn sự sống trên trái đất, và trong nước thì sự sống đã phát triển

nên từ những tỉ năm đầu tiên Trong đoạn này, chúng ta sẽ tìm hiểu tại sao cấu trúc và tương tác giữa các phân tử nước lạI làm nước trở thành nhân tố chính của cuộc sống

Nước có cấu trúc và tính chất đặc biệt duy nhất

Phân tử nước H2O, có một nét đặc trưng duy nhất Như chúng ta đã đề câp ở đoạn trước thì nước là một phân tử phân cực do các liên kết hydrogen Thêm nữa, hình dạng của phân tử nước là tứ diện Bốn cặp điện tử nằm ngoài lớp vỏ liên kết với một điện tử của phân tử nước khác, và tạo nên cấu trúc tứ diện

Nét đặc trưng hoá học đó giải thích một vài tính chất đặc biệt của nước, như khả năng của nước đã nổi trên mặt nước, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đóng băng của nước , khả năng của nước bảo quản nóng và khả năng nhỏ giọt của nước Các tính chất này được nói đên chi tiết ngay sau đây

2.16 Hydrogen Bonds Hold Water Molecules Together Hydrogen bonding exists between the molecules of water in both its liquid and solid states

• Băng trôi: Ở trạng thái rắn, phân tử nước riêng biệt được giử tạI các vị trí do các liên kết hydrogen, tạo ra cấu trúc rắn và tinh thể trong đó một phân tử nước liên kết vớI 4 phân tử nước khác ( hình 2.16a) Mặc dù các phân tử được giữ vững chắc tạI chỗ, nhưng nó vẫn không nhồI nhét một cách chặt chẽ như ở trạng thái lỏng ( hình 2.16b) Nói cách khác, nước đá không nặng bằng nước ở thể lỏng, vì thế đá có thể nổi trên nước

Nếu đá được tạo thành trong nước, gíống như tất cả các phân tử rắn khác khi biến thành thể lỏng, các biển và hồ nước có thể đóng băng từ phia trên, trở thành khối nước rắn trong mùa đông và tiêu diệt tất cả vi sinh vật sống trong đó Khi mà toàn bộ mặt biển bị đóng băng, nhiệt độ của nó có thể giảm xuông dưới nhiệt độ điểm đóng băng Tuy nhiên, bởi vì đá thì nổi trên nước nên hình dạng của nó có một lớp bảo vệ trên bề mặt biển, giảm nhiệt độ nước chảy vào không khí lạnh ở phía trên Vì vây, các loài cá, thực vật và các cơ thể sống khác trong biển không bị ảnh hưởng bởI nhiệt độ thấp hơn 0°C, nhiệt độ đóng

băng của nước Phát hiện gần đây về nước lỏng ở phái dưới băng cực trên sao Hoả cho phép suy đoán là cuộc sống có thể tồn tạI trong môi trường đó

• Sự nóng chảy và đóng băng:Nước là máy điều tiết khi nhiệt độ thay đổi So sánh giữa các thể khác nhau có cùng thể tích, thì phần tử nước đá cần có một năng lượng lớn để có thể tan chảy Để tan chảy 1mol (6,02x1023 nguyên tử, số lượng chuẩn, xem trang 28) nước cần cung cấp một năng lượng 5,9 kj Giá trị này khá cao vì cần cắt đứt liên kết hydrogen để nước chuyển từ thể rắn sang lỏng Quá trình ngược lại là đóng băng, một phần lớn năng lượng bị mất đi khi mà nước chuyển từ thể lỏng sang rắn

• Sự lưu kho nóng: nước góp phần cho sự ổn đinh nhiệt một cách đáng kinh ngạc ở trong các đại dưong và các hồ nước lớn trong nhiều năm trời Sự thay đổi nhiệt độ

ở các vùng ven biển cũng được điều hoà bởi một lượng lớn nước Thực ra nước giúp cho việc thay đổi ít nhất nhiệt độ khí quyển trên trái đất

• Sự điều hoà này là do nước có nhiệt dung lớn Tỉ nhiệt của một chất được tính bằng năng lượng nhiệt cần thiết để làm 1g chất đó tăng thêm 1°C Sự tăng nhiệt

độ của nước lỏng cần một lượng nhiệt lớn để phá vỡ liên kết hydrogen So sánh với các phân tử nhỏ chất lỏng khác thì nước có tỉ nhiệt lớn nhất

• Sự bay hơi và làm mát: Nước có nhiệt hóa hơi cao, có nghĩa là cần lượng nhiệt lớn để nước có thể chuyển nước từ trạng thái lỏng sang khí (qúa trình bay hơi) Một lần nữa, phần lớn năng lượng là để cắt liên kết hydrogen của nước Lượng nhiệt này cần được hấp thu từ môi trường tiếp xúc với nước Như vậy thì sự bay hơi có tác dụng làm mát môi trường như lá cây, rừng, hay toàn bộ các vùng đất rộng lớn Hiệu ứng này giải thích tại sao mà con người lại đổ mồ hôi ra ngoài da,

nó diễn ra khi nhiệt độ cơ thể tăng cao

• Sự dính kết và sức căng bề mặt: Trong nước ở thể lỏng, mỗI phân tử nước đơn có khả năng tự do dao động Các liên kết hydrogen giữa các phân tử liên tục được hình thành và phá vỡ Nói cách khác, nước lỏng có một cấu trúc năng động Kết quả là mỗI một phân tử nước hình thành nên 3,4 liên kết hydrogen với các phân tử khác Số lượng đó thường là không nhiều ở nước đá, nhưng nó cũng khá cao Liên kết hydrogen giải thích sự dính kết cao của nước lỏng Cường độ dính kết cho phép một cách giới hạn sự căng ra của cột nước từ gốc cây đến lá có khi đến hàng trăm mét

Khi nước bay hơi từ lá cây Toàn bộ cột nước di chuyển lên trên để đẩy các phân tử lên cao

Nước cũng có sức căng bề mặt lớn, điều đó có nghĩa là bề mặt của nước lỏng tiếp xúc với không khí thì khó đâm thủng được màng nước Các phân tử nước ở lớp bề măt này liên kết với các phân tử ở lớp dưới nhờ liên kết hydrogen Sức căng bề mặt của nước cho phép dụng cụ chứa nước có thể chứa nước ở một mức nhất định phiá trên mặt dụng cụ mà không bị tràn ra, và điều đó cho phép các động vật nhỏ đi trên mặt nước (hình 2.17)

2.17 Surface Tension Water striders “skate” along, supported by the surface tension of the water that is their home

Nước - Dung môi của cuộc sống

Cơ thể sinh vật có tới 70% là nước., Ngoại trừ các vật liệu như là xương có chứa rất it nước, thì các bộ phận khác trong cơ thể đều chứa rất nhiều nước Nhiều phản ứng phân giải cơ chất trong cơ thể phải được thực hiện trong môi trường nước Một quá trình hoà tan khi một chất(chất tan) vào một chất lỏng (dung môi) như là nước thì tạo thành một dung dịch Nhiêu phân tử quan trọng trong hệ thống sinh học là có cực,như các phân tử protein, đường vv nên chúng cũng có thể hoà tan trong nước Phân tích phẩn ứng trong dung dịch nước có thể được chia làm hai hướng:

-phân tích định tính giúp ta xác định được thành phần các cháttan trong dung môi và những chất do phản ứng hoá học trong dung môi tạo ra Phân tích định tính là một vấn đề đuợc đề cập nhiều trong vài chương tới

-Phân tích định lượng đo nồng độ, hoặc là khôi lượng của một chất trong khối lượng của dung dịch Theo những thông tin mà ta đo được có thể định luợng được chất hoá học chúng ta cần kiểm tra

Quy tắc để định lượng trong sinh học cũng như trong hoá học là nộng độ phân tử gam, một phân tử gam là khối lượng của một ion hay hợp chất ( tính bằng gram) khối lượng phân tử đánh giá mức độ của phân tử Ví dụ một phân tử đường có công thức là (C12 H22 O11 ) thì có khối lượng là 342 gram

Mục đích khác của phân tích khối lựợng đó là nghiên cứu con số chính xác của các phân

tử trong dung dịch Nhưng nó không thể xác định khối lượng của các phân tử một các trức tiếp, Thay vào đó, hoá học sử dụng hằng số trung gian để tính khối lượng của của các chất từ số phân tử chứa trong chất đó Hằng số này gọi là hằng số Avogadro bằng 6.02 1023 là số phân tử chứa một phân tử gam chất Một phân tử có giá tị được chấp nhận là 12 gram, ta có thể hiểu theo cách này thì khi một bác sĩ tiêm một nồng độ phân tử gam xác định vào máu của bệnh nhân, thì bằng phương pháp tính toán thô, có thể tính