Mục lục bài họcĐang ở d04-b1
Gas Exchange and Transport
What every gas exchange surface has in common
Diffusion is fast only over very short distances, so every efficient exchange surface shows the same four features: a very large total surface area, a wall that is thin (often one cell thick), a moist lining in which gases dissolve, and a mechanism for maintaining a steep concentration gradient — usually a dense blood supply plus ventilation. In mammals, hundreds of millions of alveoli provide the area; in fish, stacks of gill lamellae do the same job with counter-current flow, in which water and blood move in opposite directions so that a gradient is maintained along the entire length of the lamella.
Transport in plants
Xylem is dead, hollow tissue that carries water upwards under tension. Evaporation from mesophyll cell walls lowers the water potential in the leaf; because water molecules are held together by cohesion, this pull is transmitted down a continuous column all the way to the roots. This is the cohesion-tension theory: water is pulled from above, not pushed from below.
Phloem is living tissue and works differently. Sugars are actively loaded at a source, lowering water potential so water enters by osmosis and raises hydrostatic pressure; sap then flows to a sink where sugars are unloaded. Because sources and sinks change with the season, phloem transport can run in either direction.
Circulation in animals
Fish have a single circulation: blood passes through the heart once per circuit and loses pressure crossing the gill capillaries. Mammals and birds have a double circulation, so blood returning from the lungs is re-pressurised by the heart before being sent to the body. The higher pressure and flow rate support a high metabolic rate.
Mọi bề mặt trao đổi khí đều có chung bốn đặc điểm
Khuếch tán chỉ nhanh trên quãng đường rất ngắn, nên mọi bề mặt trao đổi hiệu quả đều hội đủ bốn thứ: diện tích tổng rất lớn, thành mỏng (thường một lớp tế bào), bề mặt ẩm để khí hoà tan được, và một cơ chế giữ cho gradient nồng độ luôn dốc — thường là mạng mao mạch dày cộng với thông khí.
Ở thú, hàng trăm triệu alveoli lo phần diện tích. Ở cá, các phiến mang làm cùng việc đó bằng counter-current flow: nước và máu chảy ngược chiều nhau, nhờ đó chênh lệch nồng độ được duy trì trên suốt chiều dài phiến mang. Nếu hai dòng chảy cùng chiều, chúng sẽ cân bằng ở khoảng giữa và nửa sau của phiến mang không trao đổi được gì nữa.
Vận chuyển ở thực vật
Xylem là mô chết, rỗng, dẫn nước đi lên trong trạng thái căng (tension). Nước bay hơi từ thành tế bào mesophyll làm thế nước trong lá tụt xuống; vì các phân tử nước dính nhau bằng cohesion, lực kéo đó truyền xuống dọc một cột nước liên tục tới tận rễ. Đó là cohesion-tension theory: nước bị kéo từ trên, không phải bị đẩy từ dưới. Điểm cần nhớ: xylem không tiêu tốn ATP, vì nó đã chết.
Phloem thì sống và hoạt động theo cơ chế khác hẳn. Đường được nạp chủ động vào ống rây ở source, làm thế nước ở đó giảm nên nước thẩm thấu vào và đẩy áp suất thuỷ tĩnh lên; dịch chảy tới sink rồi đường được dỡ xuống. Vì source và sink thay đổi theo mùa, dòng phloem chạy được cả hai chiều — mùa hè lá là source, đầu xuân thì rễ mới là source còn chồi non là sink.
Tuần hoàn ở động vật
Cá có single circulation: máu qua tim một lần mỗi vòng và tụt áp khi len qua mao mạch mang. Thú và chim có double circulation, nên máu từ phổi về được tim nén lại trước khi bơm đi nuôi cơ thể. Áp suất và lưu lượng cao hơn là điều kiện cho tốc độ chuyển hoá cao.
Ở mang cá, nước và máu chảy ngược chiều nhau. Giả sử thay bằng dòng cùng chiều thì mức bão hoà tối đa của máu bị chặn ở khoảng bao nhiêu, và vì sao?
Với dòng cùng chiều, mức bão hoà bị chặn ở khoảng $50\%$.
Lý do. Khi nước và máu đi song song cùng hướng, chênh lệch nồng độ lớn nhất nằm ở điểm xuất phát rồi thu hẹp dần: máu nhận oxy nên nồng độ tăng, nước mất oxy nên nồng độ giảm. Hai đường tiến lại gần nhau và gặp nhau ở một mức trung gian — đó là điểm cân bằng.
Từ điểm đó trở đi, chênh lệch bằng không nên không còn khuếch tán nữa. Toàn bộ phần phiến mang phía sau bị lãng phí. Vì mỗi bên đóng góp một nửa vào điểm gặp, mức cân bằng nằm ở khoảng giữa, tức chừng $50\%$.
Với dòng ngược chiều thì khác hẳn. Máu gần bão hoà nhất gặp nước mới vào, còn giàu oxy nhất; máu nghèo nhất gặp nước sắp ra, đã bị lấy gần hết oxy nhưng vẫn còn nhiều hơn máu. Ở mọi điểm dọc phiến mang đều còn một chênh lệch, nên khuếch tán diễn ra trên toàn bộ chiều dài và máu lấy được tới $80\%$.
Điểm rút ra: cân bằng là điểm dừng của khuếch tán, không phải mục tiêu. Mọi hệ trao đổi hiệu quả đều được thiết kế để tránh đạt cân bằng càng lâu càng tốt.
Từ số liệu potometer của chương này, hai nghiệm thức "bọc túi" ($0.4$) và "trong tối" ($0.3$) cho kết quả gần bằng nhau. Giải thích vì sao cơ chế của chúng lại hoàn toàn khác nhau.
Hai con số gần nhau nhưng đến từ hai chỗ khác hẳn trong cùng một quá trình. Hãy hình dung thoát hơi nước như nước chảy qua một cái cửa: tốc độ phụ thuộc vào độ dốc đẩy nước đi và vào độ mở của cửa.
Bọc túi tác động lên độ dốc. Túi giữ hơi nước thoát ra lại nên không khí quanh lá nhanh chóng gần bão hoà. Thế nước bên ngoài lúc này gần bằng bên trong lá, chênh lệch gần biến mất. Lỗ khí vẫn mở bình thường — cây vẫn có ánh sáng, guard cell vẫn trương — nhưng không còn động lực nào đẩy hơi nước ra.
Bóng tối tác động lên độ mở của cửa. Không có ánh sáng thì guard cell ngừng bơm ion vào, mất nước bằng thẩm thấu, xẹp xuống và lỗ khí đóng lại. Không khí bên ngoài vẫn khô như đối chứng ($50\%$ ẩm), gradient vẫn dốc — nhưng cửa đã đóng.
Cách phân biệt bằng thực nghiệm. Đặt cả hai nghiệm thức trước một cái quạt. Cây bọc túi sẽ không tăng tốc độ nhiều vì túi vẫn giữ không khí bão hoà bên trong; cây trong tối cũng không tăng, nhưng vì lý do khác — cửa đóng. Còn nếu chiếu sáng cây trong tối thì tốc độ vọt lên ngay, trong khi chiếu sáng cây bọc túi thì gần như không đổi. Đó là phép thử tách bạch hai cơ chế.
Vì sao cột "trong tối" không về $0$: vẫn còn một lượng nhỏ hơi nước thoát qua lớp cutin, con đường không phụ thuộc vào lỗ khí.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme B3–B4 — Organisms and Adaptation gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.