Mục lục bài họcĐang ở d09-b2
← IGCSE Biology
0/18 bài đã học xong
Chương 9 · Organisms and Their Environment, Human Influences and Biotechnology · Bài 2/2 của chương · bài 18/18 của IGCSE Biology

Human influences and biotechnology

Tác động của con người và công nghệ sinh học
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Eutrophication — follow every link

This is the sequence the exam asks for, and the mark scheme checks each step:

  1. fertiliser (or sewage) is washed off the land into a river or lake — leaching;
  2. the nitrates and phosphates make algae grow rapidly — an algal bloom;
  3. the algae at the surface block the light from plants below, so those plants die;
  4. decomposing bacteria feed on the dead plants and algae, and their numbers increase greatly;
  5. the bacteria respire aerobically, using up the dissolved oxygen in the water;
  6. fish and other aquatic animals die from lack of oxygen.

The step candidates most often leave out is step 5 — and it is the one that actually kills the fish. Blocking the light kills the plants; it is the bacteria using the oxygen that kills the animals.

Deforestation

  • less photosynthesis, so less $\ce{CO2}$ is removed from the air;
  • habitat loss, leading to extinction and reduced biodiversity;
  • soil erosion — roots no longer hold the soil, so rain washes it away;
  • increased flooding, because the trees no longer take up and hold water.

The enhanced greenhouse effect

Carbon dioxide and methane absorb heat radiated from the Earth's surface and re-radiate it back, warming the atmosphere. Human activity raises both: burning fossil fuels and deforestation raise $\ce{CO2}$; cattle and rice paddies raise methane.

Consequences include melting ice, rising sea levels, and changing climate patterns.

Conservation

Reasons to maintain biodiversity include: species may be sources of medicines or of genes for crop breeding; ecosystems provide services such as pollination; and there is an ethical case for not causing extinctions.

Methods include national parks, captive breeding programmes, seed banks, and controlling fishing by quotas and net mesh size.

Biotechnology: why microorganisms are used

  • they reproduce very rapidly;
  • they need simple, cheap nutrients — often industrial waste;
  • they can be grown at any time of year, in any country;
  • their genes can be modified relatively easily.

Yeast is used in bread-making (for the $\ce{CO2}$) and brewing (for the ethanol).

Biological washing powders contain enzymes: proteases to remove blood and food stains, lipases to remove grease. Because the enzymes work at low temperatures, less energy is needed to heat the water.

Genetic modification

The example to know is human insulin:

  1. the human insulin gene is cut out of a chromosome using restriction enzymes;
  2. a bacterial plasmid is cut with the same enzyme, so the ends match;
  3. the gene is joined into the plasmid using ligase;
  4. the plasmid is put into a bacterium, which is then grown in a fermenter;
  5. the bacteria make human insulin, which is extracted and purified.

The advantage: the insulin is identical to human insulin, produced in large amounts, and free of the ethical and allergy problems of insulin extracted from animals.

Giải thích tiếng Việt

Phú dưỡng — phải theo đủ từng mắt xích. Đây là chuỗi mà đề thi hỏi, và barem chấm từng bước:

  1. phân bón (hoặc nước thải) bị mưa rửa trôi từ đồng ruộng xuống sông hồ;
  2. nitrat và photphat làm tảo phát triển bùng nổ — hiện tượng nở hoa của tảo;
  3. tảo phủ kín mặt nước chặn ánh sáng của thực vật bên dưới, nên những cây đó chết;
  4. vi khuẩn phân giải ăn xác thực vật và xác tảo, và số lượng của chúng tăng vọt;
  5. vi khuẩn hô hấp hiếu khí, dùng hết oxy hoà tan trong nước;
  6. cá và các động vật thuỷ sinh chết vì thiếu oxy.

Bước hay bị bỏ nhất là bước 5 — và đó chính là bước thật sự giết cá. Việc chặn ánh sáng giết thực vật; chính vi khuẩn dùng hết oxy mới giết động vật.

Phá rừng.

  • ít quang hợp hơn, nên ít $\ce{CO2}$ được lấy khỏi không khí;
  • mất nơi ở, dẫn tới tuyệt chủng và giảm đa dạng sinh học;
  • xói mòn đất — rễ cây không còn giữ đất, nên mưa cuốn đất đi;
  • lũ lụt tăng, vì cây không còn hút và giữ nước.

Hiệu ứng nhà kính tăng cường. Cacbon đioxitmetan hấp thụ nhiệt bức xạ từ mặt đất rồi bức xạ ngược lại, làm khí quyển nóng lên. Hoạt động của con người làm tăng cả hai: đốt nhiên liệu hoá thạch và phá rừng làm tăng $\ce{CO2}$; chăn nuôi gia súcruộng lúa nước làm tăng metan.

Hậu quả gồm băng tan, mực nước biển dâng, và khí hậu thay đổi thất thường.

Bảo tồn. Lý do phải giữ đa dạng sinh học: các loài có thể là nguồn thuốc hoặc nguồn gen để chọn giống cây trồng; hệ sinh thái cung cấp những dịch vụ như thụ phấn; và có lý do đạo đức để không gây tuyệt chủng.

Biện pháp gồm vườn quốc gia, chương trình nhân giống trong điều kiện nuôi nhốt, ngân hàng hạt giống, và kiểm soát đánh bắt bằng hạn ngạchquy định kích thước mắt lưới.

Công nghệ sinh học — vì sao dùng vi sinh vật.

  • chúng sinh sản rất nhanh;
  • chúng cần nguồn dinh dưỡng đơn giản và rẻ — thường là phế phẩm công nghiệp;
  • nuôi được bất kỳ mùa nào, ở bất kỳ nước nào;
  • gen của chúng dễ được biến đổi.

Nấm men dùng trong làm bánh mì (lấy $\ce{CO2}$) và làm bia rượu (lấy etanol).

Bột giặt sinh học chứa enzim: proteaza để tẩy vết máu và thức ăn, lipaza để tẩy vết dầu mỡ. Vì enzim hoạt động được ở nhiệt độ thấp, việc giặt tốn ít năng lượng đun nước hơn.

Biến đổi gen. Ví dụ cần thuộc là insulin người:

  1. gen insulin của người được cắt ra khỏi nhiễm sắc thể bằng enzim cắt giới hạn;
  2. một plasmit của vi khuẩn được cắt bằng đúng loại enzim đó, để hai đầu khớp nhau;
  3. gen được nối vào plasmit bằng enzim ligaza;
  4. plasmit được đưa vào vi khuẩn, rồi vi khuẩn được nuôi trong nồi lên men;
  5. vi khuẩn sản xuất insulin người, sau đó được tách và tinh chế.

Ưu điểm: insulin thu được giống hệt insulin người, sản xuất được với lượng lớn, và không vướng vấn đề đạo đức hay dị ứng như insulin tách từ động vật.

Phú dưỡng: sáu mắt xích — bước 5 mới là bước giết cá 1. phân bón bị rửa trôi xuống nước 2. TẢO bùng nổ (nở hoa) 3. chặn ÁNH SÁNG → cây dưới CHẾT 4. VI KHUẨN phân giải tăng vọt 5. chúng HÔ HẤP → hết OXY hoà tan 6. CÁ CHẾT vì thiếu oxy Chặn ánh sáng giết THỰC VẬT. Vi khuẩn dùng hết oxy mới giết ĐỘNG VẬT. Bỏ bước 5 là bỏ đúng nguyên nhân cái chết của cá — barem chấm riêng mắt xích đó.
Nghịch lý đáng nhớ: tảo là sinh vật quang hợp và thải ra oxy, vậy mà kết cục lại là hồ cạn oxy. Nút thắt nằm ở bước 5 — vi khuẩn phân giải, không phải tảo, mới là thứ tiêu thụ hết oxy.
Ví dụ — phú dưỡng — nêu đủ sáu mắt xích

Một cánh đồng bón nhiều phân đạm nằm cạnh một hồ nước. Sau vài tuần, cá trong hồ chết hàng loạt. Giải thích chuỗi sự kiện đã xảy ra.

Giải.

Mắt xích 1 — phân bón bị rửa trôi. Mưa cuốn ion nitrat dư thừa từ đồng ruộng xuống hồ. Quá trình này gọi là rửa trôi.

Mắt xích 2 — tảo bùng nổ. Nitrat là chất khoáng mà tảo cần để tạo protein, và trước đó chính nó là yếu tố hạn chế sự phát triển của tảo. Khi được cấp dư thừa, tảo sinh sôi rất nhanh và phủ kín mặt nước — hiện tượng nở hoa của tảo.

Mắt xích 3 — thực vật dưới đáy chết. Lớp tảo dày ở mặt nước chặn ánh sáng không cho xuống dưới. Các cây thuỷ sinh bên dưới không quang hợp được nữa và chết.

Mắt xích 4 — vi khuẩn phân giải tăng vọt. Xác thực vật cùng với xác tảo (tảo cũng chết sau khi bùng nổ) trở thành nguồn thức ăn khổng lồ cho vi khuẩn phân giải, và số lượng chúng tăng lên rất nhanh.

Mắt xích 5 — oxy hoà tan cạn kiệt. Vi khuẩn hô hấp hiếu khí, và với số lượng khổng lồ như vậy chúng dùng hết oxy hoà tan trong nước.

Mắt xích 6 — cá chết. Cá và các động vật thuỷ sinh khác không còn đủ oxy để hô hấp, nên chết hàng loạt.

Vì sao mắt xích 5 là mắt xích không được bỏ. Nhiều bài làm dừng ở mắt xích 3 và kết luận “tảo chặn ánh sáng nên cá chết”. Câu đó sai về nhân quả.

Chặn ánh sáng giết thực vật, vì thực vật cần ánh sáng. Cá không cần ánh sáng để sống — nó chết vì thiếu oxy.

Và thứ tiêu thụ hết oxy không phải là tảo mà là vi khuẩn phân giải. Đây là nghịch lý đáng nhớ của cả chuỗi: tảo là sinh vật quang hợp và thải ra oxy, vậy mà kết cục lại là một cái hồ cạn oxy.

Ví dụ — sản xuất insulin người bằng vi khuẩn

Mô tả các bước dùng vi khuẩn biến đổi gen để sản xuất insulin người, và nêu hai ưu điểm so với việc tách insulin từ tuỵ động vật.

Giải.

Bước 1 — cắt gen ra. Gen insulin của người được cắt ra khỏi nhiễm sắc thể bằng enzim cắt giới hạn. Loại enzim này cắt ADN tại những trình tự bazơ xác định, để lại các đầu dính đặc trưng.

Bước 2 — cắt plasmit bằng đúng loại enzim đó. Một plasmit — vòng ADN nhỏ trong vi khuẩn — được cắt bằng cùng một enzim.

Chi tiết “cùng một enzim” là chi tiết ăn điểm: nó bảo đảm hai đầu cắt khớp nhau nên gen mới ghép vào được.

Bước 3 — nối gen vào plasmit. Enzim ligaza nối gen insulin vào chỗ vừa cắt trên plasmit, tạo thành ADN tái tổ hợp.

Bước 4 — đưa plasmit vào vi khuẩn. Plasmit được đưa trở lại vào vi khuẩn, và vi khuẩn đó được nuôi trong nồi lên men với điều kiện nhiệt độ, pH và dinh dưỡng tối ưu.

Bước 5 — thu sản phẩm. Vi khuẩn nhân lên rất nhanh, và mỗi con đều sản xuất insulin người. Insulin sau đó được tách ra và tinh chế.

Ưu điểm thứ nhất — insulin giống hệt của người. Insulin tách từ tuỵ bò hoặc lợn khác một chút về cấu trúc so với insulin người, nên một số bệnh nhân bị phản ứng dị ứng. Insulin do vi khuẩn tạo ra được mã hoá bởi chính gen người nên hoàn toàn giống.

Ưu điểm thứ hai — sản lượng lớn và rẻ. Vi khuẩn sinh sản rất nhanh và cần nguồn dinh dưỡng đơn giản, rẻ tiền. Nuôi được quanh năm ở bất kỳ đâu, và không phụ thuộc vào số lượng động vật bị giết mổ.

Ưu điểm thứ ba đáng nêu. Nó tránh được vấn đề đạo đức và tôn giáo — một số người ăn chay hoặc theo tôn giáo cấm dùng sản phẩm từ lợn hoặc bò.

Bẫy hay mất điểm — Giải thích phú dưỡng bằng câu “tảo che kín mặt nước nên cá chết ngạt”, hoặc “tảo dùng hết oxy”. Cả hai đều bỏ mất đúng mắt xích quan trọng nhất. Chặn ánh sáng đúng là gây chết, nhưng nó giết thực vật thuỷ sinh — thứ cần ánh sáng để quang hợp. Cá không cần ánh sáng để sống, nên việc mặt hồ bị che không trực tiếp làm gì nó. Cá chết vì thiếu oxy hoà tan, và thứ dùng hết oxy là vi khuẩn phân giải — chúng ăn xác thực vật cùng xác tảo, số lượng tăng vọt, và hô hấp hiếu khí ngốn sạch oxy trong nước. Nghịch lý đáng nhớ: tảo là sinh vật quang hợp và thải ra oxy, vậy mà kết cục lại là một cái hồ cạn oxy — chính vì nút thắt không nằm ở tảo. Barem chấm riêng mắt xích “vi khuẩn hô hấp dùng hết oxy”, nên bỏ nó là mất điểm dù kết luận cuối viết đúng.
Phải nhớ — Phú dưỡng có sáu mắt xích, và mắt xích giết cá là vi khuẩn phân giải hô hấp dùng hết oxy hoà tan — không phải việc tảo che ánh sáng. Phá rừng gây bốn hậu quả: ít quang hợp, mất nơi ở, xói mòn đất, lũ lụt. $\ce{CO2}$ và metan là hai khí nhà kính chính. Vi sinh vật được dùng trong công nghệ sinh học vì sinh sản nhanh, dinh dưỡng rẻ, nuôi được quanh năm, dễ biến đổi gen. Và quy trình làm insulin người phải nêu đúng: cắt gen và cắt plasmit bằng cùng một enzim, nối bằng ligaza.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Organisms and Their Environment, Human Influences and Biotechnology gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →