Mục lục bài họcĐang ở d06-b2
Defence Against Disease and Ecosystem Interactions
Layers of defence
The first line is physical and chemical barriers: skin, mucus, cilia, stomach acid, lysozyme in tears. If a pathogen gets past, innate immunity responds within minutes, the same way to every pathogen: phagocytes engulf and digest microbes, and inflammation brings more blood to the site. Adaptive immunity is slower but specific and remembers.
Antigens, antibodies and clonal selection
An antigen is any molecule recognised as foreign; an antibody is a Y-shaped protein whose variable region binds one antigen only. In clonal selection, the body already carries an enormous variety of B lymphocytes, each with a different receptor, made before the pathogen ever arrives. The antigen selects the few cells that already match, and those cells divide into plasma cells that secrete antibody and memory cells that persist. This is why the secondary response is faster, larger and longer lasting than the primary response.
Active, passive, vaccination and resistance
- Active immunity — the body makes its own antibodies and memory cells, after infection or after vaccination. Slow to start, long lasting.
- Passive immunity — ready-made antibodies are received, across the placenta or in breast milk or by injection. Immediate, but no memory cells, so it fades.
- Herd immunity — once the vaccinated proportion exceeds $1-\dfrac{1}{R_0}$, chains of transmission break and even unvaccinated people are protected indirectly.
- Antibiotic resistance — mutation creates resistant bacteria before the antibiotic is used; the antibiotic then selects them. Resistance spreads further by plasmid transfer.
Populations and interactions
A population introduced to a new area shows a sigmoid growth curve: a lag phase, an exponential phase, a transitional phase, then a plateau at the carrying capacity set by limiting resources. Predator and prey populations cycle out of phase, the predator peak following the prey peak. Intraspecific competition is within one species and is the main density-dependent brake; interspecific competition is between species, and two species with an identical niche cannot coexist indefinitely. Other interactions are mutualism (both gain), parasitism (one gains, the host loses) and commensalism (one gains, the other is unaffected). Communities change over time by succession, and a keystone species has an effect out of all proportion to its abundance. Climate change shifts species ranges polewards and to higher altitudes, and species that cannot move fast enough decline.
Ba lớp phòng thủ, xếp theo tốc độ
Lớp thứ nhất là physical and chemical barrier: da, chất nhầy, lông chuyển, axit dạ dày, lysozyme trong nước mắt. Vượt được lớp này thì gặp innate immunity (miễn dịch bẩm sinh) — đáp ứng trong vài phút và giống nhau với mọi tác nhân: thực bào nuốt và tiêu hoá vi khuẩn, viêm kéo thêm máu tới ổ nhiễm. Cuối cùng là adaptive immunity (miễn dịch thích ứng): chậm hơn nhưng đặc hiệu và có trí nhớ.
Antigen, antibody và clonal selection
Antigen là phân tử bị nhận là lạ; antibody là protein hình chữ Y có vùng biến đổi chỉ gắn được đúng một antigen. Điểm dễ hiểu sai nhất nằm ở clonal selection (chọn lọc dòng): cơ thể đã có sẵn vô số B lymphocyte, mỗi tế bào mang một receptor khác nhau, tạo ra trước khi mầm bệnh xuất hiện. Antigen không "dạy" tế bào làm kháng thể — nó chỉ chọn vài tế bào vốn đã khớp, rồi những tế bào ấy nhân lên thành plasma cell tiết kháng thể và memory cell tồn tại lâu dài. Chính kho memory cell là lý do secondary response nhanh hơn, cao hơn và bền hơn primary response.
Active, passive, vaccination, herd immunity và kháng kháng sinh
- Active immunity — cơ thể tự làm kháng thể và memory cell, sau khi nhiễm bệnh hoặc sau vaccination. Khởi động chậm nhưng bền.
- Passive immunity — nhận kháng thể làm sẵn: qua nhau thai, qua sữa mẹ, hoặc tiêm huyết thanh. Có tác dụng ngay nhưng không có memory cell nên tắt dần.
- Herd immunity (miễn dịch cộng đồng) — khi tỉ lệ tiêm vượt $1-\dfrac{1}{R_0}$ thì chuỗi lây bị đứt và cả người chưa tiêm cũng được bảo vệ gián tiếp, không phải nhờ kháng thể của chính họ.
- Antibiotic resistance — đột biến tạo ra vi khuẩn kháng thuốc trước khi dùng thuốc; kháng sinh chỉ làm nhiệm vụ chọn lọc chúng. Gen kháng còn lan ngang bằng plasmid, kể cả giữa các loài khác nhau.
Quần thể và các kiểu tương tác
Quần thể vào vùng đất mới cho sigmoid growth curve hình chữ S: pha lag, pha exponential, pha chuyển tiếp, rồi nằm ngang ở carrying capacity (sức chứa) do tài nguyên hạn chế quy định. Quần thể predator và prey dao động lệch pha, đỉnh của thú săn mồi luôn đi sau đỉnh của con mồi.
- Intraspecific competition — cạnh tranh trong cùng loài, là cái phanh phụ thuộc mật độ mạnh nhất vì các cá thể cần hệt một thứ.
- Interspecific competition — cạnh tranh khác loài; hai loài có niche (ổ sinh thái) trùng khít không thể cùng tồn tại lâu dài.
- Mutualism đôi bên cùng lợi; parasitism một bên lợi và vật chủ hại; commensalism một bên lợi, bên kia không ảnh hưởng.
Succession (diễn thế) là chuỗi thay đổi có hướng của quần xã theo thời gian, mỗi giai đoạn tự làm thay đổi môi trường theo cách có lợi cho giai đoạn sau. Keystone species là loài có ảnh hưởng lớn hơn hẳn so với sinh khối của nó — mất nó là cả cấu trúc quần xã đổ. Biến đổi khí hậu đẩy vùng phân bố của loài về phía cực và lên cao hơn; loài nào di chuyển không kịp, hoặc bị chặn bởi biển và đô thị, thì suy giảm.
Dựa vào đồ thị kháng thể ở bài này. Một phụ huynh hỏi: "Tiêm một mũi là xong rồi, sao còn phải tiêm mũi nhắc?" Dùng đúng số liệu đọc được từ hình để trả lời, và nói rõ mũi nhắc khác một liều huyết thanh chứa kháng thể sẵn ở chỗ nào.
Bước 1 — trích số liệu, không nói chung chung. Sau mũi 1, kháng thể mất khoảng $8$ ngày mới bắt đầu tăng đáng kể, chỉ lên tới đỉnh $10$ đơn vị, rồi tới ngày $42$ đã tụt về khoảng $1$ đơn vị. Một mũi duy nhất để lại nồng độ kháng thể rất thấp.
Bước 2 — so với sau mũi 2. Độ trễ rút từ $8$ ngày xuống còn khoảng $3$ ngày, và đỉnh nhảy từ $10$ lên $800$ đơn vị. Trên trục log, đó là chênh lệch gấp 80 lần. Nếu mầm bệnh thật xâm nhập, hai chỉ số này quyết định người đó có kịp chặn nó trước khi phát bệnh hay không.
Bước 3 — quy về một cơ chế. Cả hai thay đổi đều do memory cell. Ở lần đầu, cơ thể phải chờ antigen tìm gặp đúng vài B lymphocyte có receptor khớp trong hàng triệu tế bào, rồi mới nhân dòng — đó là toàn bộ khoảng lặng $8$ ngày. Lần thứ hai, memory cell đặc hiệu đã có sẵn với số lượng lớn nên bỏ qua được bước tìm kiếm và chuyển thẳng thành plasma cell tiết kháng thể.
Bước 4 — mũi nhắc khác huyết thanh ở chỗ nào. Mũi nhắc là active immunity: nó chứa antigen, buộc cơ thể tự làm kháng thể và tự tích thêm memory cell, nên tác dụng chậm vài ngày nhưng kéo dài nhiều năm. Huyết thanh chứa kháng thể làm sẵn là passive immunity: có tác dụng gần như tức thì, nhưng không tạo memory cell nào, và kháng thể nhận vào bị phân giải sau vài tuần là hết. Vì thế huyết thanh dùng khi đã phơi nhiễm và cần cứu ngay, còn vaccine dùng để phòng lâu dài.
Câu trả lời gọn cho phụ huynh: mũi 1 dạy cơ thể nhận mặt mầm bệnh, mũi 2 mới nâng mức bảo vệ lên gấp hàng chục lần và giữ được lâu.
Dựa vào đồ thị predator–prey ở bài này. Một học sinh nhìn hình rồi kết luận: "Thú săn mồi là đường có đỉnh ở năm $16$, vì loài nào đông hơn thì đi săn hiệu quả hơn." Chỉ ra hai lỗi trong câu đó, rồi dự đoán chuyện gì xảy ra với cả hai đường nếu người ta săn bắt hết thú săn mồi ở năm $20$.
Lỗi thứ nhất — nhận nhầm đường. Đường có đỉnh ở năm $16$ là con mồi, không phải thú săn mồi. Có hai dấu hiệu độc lập để nhận ra: nó có biên độ lớn hơn hẳn (dao động giữa khoảng $18$ và $72$ nghìn), và nó luôn đạt đỉnh trước. Đường thú săn mồi đạt đỉnh ở năm $18{,}5$, tức sau $2{,}5$ năm. Nguyên tắc chung: nhân đi trước quả, mà con mồi là nguyên nhân còn thú săn mồi là hệ quả.
Lỗi thứ hai — đọc nhầm thang trục. Câu "loài nào đông hơn" cũng sai vì hai đường dùng hai trục khác nhau. Trục trái tới $80$ nghìn cho con mồi, trục phải chỉ tới $16$ nghìn cho thú săn mồi. Hai đường vẽ cao gần bằng nhau trên giấy nhưng thực tế con mồi đông gấp khoảng năm lần.
Dự đoán khi mất hết thú săn mồi ở năm 20. Giai đoạn đầu, con mồi tăng vọt vì áp lực săn mồi biến mất, và nó tăng theo kiểu exponential chứ không còn dao động — vòng negative feedback đã bị cắt đứt một nửa.
Nhưng nó không tăng mãi. Con mồi sẽ chạm carrying capacity do thức ăn và nơi ở quy định. Nếu tăng quá nhanh, quần thể còn có thể vọt lên trên sức chứa rồi sụp mạnh vì phá kiệt nguồn thức ăn, sau đó ổn định ở mức thấp hơn.
Ý cần viết để lấy điểm cao: nếu thú săn mồi là keystone species thì hậu quả không dừng ở một loài. Con mồi bùng phát sẽ gặm trụi thảm thực vật, kéo theo các loài khác cùng phụ thuộc thảm thực vật đó suy giảm — mất một loài mà đổ cả cấu trúc quần xã. Thí nghiệm sói ở Yellowstone là ví dụ được trích dẫn nhiều nhất cho chuỗi hệ quả này.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme C3–C4 — Homeostasis, Defence and Ecosystem Interactions 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.