Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Mối quan hệ giữa quang hợp và hô hấp
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em so sánh đầy đủ quang hợp và hô hấp tế bào ở mức cơ chế, giải thích được vì sao hai quá trình không đơn thuần là đảo ngược của nhau, và xác định đúng chiều trao đổi khí ròng của cây vào các thời điểm khác nhau trong ngày.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở lớp 7, em đã lập bảng so sánh quang hợp và hô hấp tế bào theo năm tiêu chí — nguyên liệu, sản phẩm, chiều năng lượng, nơi diễn ra, thời gian diễn ra — và biết cả hai bổ sung nguyên liệu cho nhau (prior-grade review). Điều lớp 7 chưa đi sâu là mức cơ chế: hai quá trình có thực sự dùng chung một bộ máy sinh hoá chạy theo hai chiều ngược nhau không, hay chúng là hai hệ thống hoàn toàn tách biệt chỉ tình cờ bổ sung nhau về mặt nguyên liệu?
Khởi động
Nếu quang hợp và hô hấp tế bào đơn thuần là cùng một chuỗi phản ứng chạy theo hai chiều ngược nhau, một tế bào lá cây có lục lạp và ti thể lẽ ra chỉ cần MỘT bộ enzyme, chạy xuôi ban ngày và chạy ngược ban đêm là đủ. Thực tế tế bào lá cây có hẳn hai bộ máy hoàn toàn tách biệt. Vì sao tự nhiên lại "tốn kém" như vậy?
Kiến thức trọng tâm
Nhìn bề ngoài, hai quá trình đối lập nhau gần như hoàn hảo: quang hợp dùng nước và carbon dioxide để tạo glucose và oxygen, tích luỹ năng lượng ánh sáng vào liên kết hoá học; hô hấp tế bào dùng chính glucose và oxygen đó để tạo lại carbon dioxide và nước, giải phóng năng lượng đã tích luỹ trở lại thành ATP. Sản phẩm của quá trình này đúng là nguyên liệu của quá trình kia — đây là quan hệ bổ sung em đã học từ lớp 7.
Nhưng "bổ sung về nguyên liệu" không có nghĩa là "đảo ngược về cơ chế". Xét trước hết về vị trí: quang hợp diễn ra ở lục lạp, còn hô hấp diễn ra ở ti thể — hai bào quan hoàn toàn khác nhau, không hề dùng chung không gian phản ứng. Chất mang electron cũng tách biệt: pha sáng dùng NADPH, còn chuỗi truyền electron của hô hấp dùng NADH và FADH2 — ba chất mang khác nhau về cấu trúc hoá học, không thể hoán đổi cho nhau. Ngay cả bộ enzyme cũng không chung: RuBisCO cố định carbon ở chu trình Calvin hoàn toàn khác với bộ enzyme của đường phân và chu trình Krebs. Chạy một phản ứng enzyme "lùi lại" theo đúng nghĩa đen gần như không thể về mặt hoá học, nên tế bào tiến hoá ra hai hệ thống enzyme độc lập thay vì đảo ngược một hệ thống duy nhất.
Vì hai quá trình độc lập về cơ chế nhưng bổ sung về nguyên liệu, tốc độ tương đối giữa chúng quyết định chiều trao đổi khí ròng của cây với môi trường. Điểm mà tốc độ quang hợp đúng bằng tốc độ hô hấp gọi là điểm bù ánh sáng: tại đó, oxygen và carbon dioxide sinh ra từ quá trình này vừa đủ cho quá trình kia tiêu thụ, nên trao đổi khí ròng với môi trường bên ngoài bằng không. Dưới điểm bù, quang hợp yếu hơn hô hấp, cây thải carbon dioxide ròng ra ngoài; trên điểm bù, quang hợp mạnh hơn hô hấp, cây hấp thụ carbon dioxide ròng và thải oxygen ròng.
Áp dụng vào một ngày thực tế: ban đêm không có ánh sáng, quang hợp bằng không, chỉ còn hô hấp tế bào hoạt động — cây hấp thụ oxygen ròng và thải carbon dioxide ròng suốt đêm. Giữa trưa nắng mạnh, ánh sáng vượt xa điểm bù, quang hợp mạnh hơn hô hấp rất nhiều — cây thải oxygen ròng và hấp thụ carbon dioxide ròng. Vào lúc sáng sớm hay chiều tối, ánh sáng còn yếu và dao động quanh mức điểm bù — trao đổi khí ròng gần bằng không, hoặc đổi chiều liên tục tuỳ ánh sáng lúc đó mạnh hay yếu hơn điểm bù.
Bên trái điểm bù, hô hấp mạnh hơn quang hợp nên cây thải carbon dioxide ròng; bên phải điểm bù, quang hợp mạnh hơn nên cây hấp thụ carbon dioxide ròng.Chiều trao đổi khí ròng chỉ đổi hướng khi tốc độ quang hợp vượt qua hoặc tụt xuống dưới tốc độ hô hấp không đổi — đúng cơ chế điểm bù ánh sáng.
Ví dụ
Đọc chiều trao đổi khí tại một mức ánh sáng cụ thể
1
Dựa vào đồ thị điểm bù ánh sáng ở trên, tại mức ánh sáng bằng 20 đơn vị (nhỏ hơn điểm bù ở mức 30), cây đang trao đổi khí ròng theo chiều nào?
2
Tại mức ánh sáng 20, đường quang hợp ở khoảng giá trị 7, còn đường hô hấp không đổi ở mức 10 — tốc độ hô hấp đang lớn hơn tốc độ quang hợp.
3
Hô hấp tiêu thụ oxygen và thải carbon dioxide nhanh hơn tốc độ quang hợp tạo ra oxygen và tiêu thụ carbon dioxide, nên phần dư nghiêng về phía hô hấp.
4
Mức ánh sáng 20 nằm bên trái điểm bù ở mức 30, đúng vùng mà lý thuyết dự đoán cây thải carbon dioxide ròng.
5
Vậy tại mức ánh sáng này, cây đang hấp thụ oxygen ròng và thải carbon dioxide ròng ra môi trường, dù quang hợp vẫn đang diễn ra chứ không phải bằng không.
Ví dụ
Giải thích đường cong nồng độ CO2 trong nhà kính kín suốt 24 giờ (dạng đề kiểm tra)
1
Một nhà kính đóng kín hoàn toàn, đo nồng độ carbon dioxide bên trong liên tục suốt 24 giờ. Kết quả: nồng độ carbon dioxide cao nhất ngay trước bình minh, giảm dần suốt buổi sáng và đầu chiều, thấp nhất vào giữa chiều, rồi tăng dần trở lại qua đêm. Hãy giải thích hình dạng đường cong này.
2
Suốt đêm, chỉ hô hấp tế bào hoạt động, liên tục thải carbon dioxide vào không khí kín của nhà kính mà không có quang hợp nào tiêu thụ lại — carbon dioxide tích luỹ dần, đạt đỉnh ngay trước khi ánh sáng xuất hiện.
3
Khi ánh sáng xuất hiện và tăng dần, quang hợp bắt đầu và dần vượt qua tốc độ hô hấp không đổi, khiến carbon dioxide được tiêu thụ nhanh hơn tốc độ nó được thải ra — nồng độ carbon dioxide giảm dần.
4
Vào lúc ánh sáng mạnh nhất, quang hợp đạt tốc độ cao nhất trong ngày, vượt xa hô hấp — carbon dioxide bị tiêu thụ nhanh nhất, nên nồng độ carbon dioxide chạm mức thấp nhất đúng lúc đó.
5
Vậy đường cong phản ánh đúng chênh lệch tốc độ giữa quang hợp và hô hấp thay đổi theo ánh sáng suốt ngày đêm: carbon dioxide tích luỹ khi hô hấp thắng thế (đêm), và giảm khi quang hợp thắng thế (ban ngày, đặc biệt giữa trưa chiều).
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn dễ gặp nhất ở bài này là nghĩ quang hợp và hô hấp tế bào là cùng một chuỗi phản ứng, chỉ chạy ngược chiều nhau tuỳ ngày hay đêm. Thực ra hai quá trình dùng hai bào quan khác nhau, hai bộ chất mang electron khác nhau (NADPH so với NADH, FADH2), và hai bộ enzyme hoàn toàn tách biệt. Chúng bổ sung nguyên liệu cho nhau, nhưng không phải là một cỗ máy chạy hai chiều.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Quang hợp và hô hấp tế bào bổ sung nguyên liệu cho nhau nhưng độc lập về cơ chế: khác bào quan, khác chất mang electron (NADPH so với NADH, FADH2), khác bộ enzyme. Điểm bù ánh sáng là nơi hai tốc độ bằng nhau; ban đêm cây thải CO2 ròng, giữa trưa cây thải O2 ròng.
Bài ôn tập cuối khoá sẽ ghép lại toàn bộ sáu bài vừa học — ba giai đoạn hô hấp, lên men, hai pha quang hợp, yếu tố giới hạn, và mối quan hệ giữa chúng — thành một bức tranh thống nhất.
Ở lớp 7, em đã lập bảng so sánh quang hợp và hô hấp tế bào theo năm tiêu chí — nguyên liệu, sản phẩm, chiều năng lượng, nơi diễn ra, thời gian diễn ra — và biết cả hai bổ sung nguyên liệu cho nhau (prior-grade review). Điều lớp 7 chưa đi sâu là mức cơ chế: hai quá trình có thực sự dùng chung một bộ máy sinh hoá chạy theo hai chiều ngược nhau không, hay chúng là hai hệ thống hoàn toàn tách biệt chỉ tình cờ bổ sung nhau về mặt nguyên liệu?
Nhìn bề ngoài, hai quá trình đối lập nhau gần như hoàn hảo: quang hợp dùng nước và carbon dioxide để tạo glucose và oxygen, tích luỹ năng lượng ánh sáng vào liên kết hoá học; hô hấp tế bào dùng chính glucose và oxygen đó để tạo lại carbon dioxide và nước, giải phóng năng lượng đã tích luỹ trở lại thành ATP. Sản phẩm của quá trình này đúng là nguyên liệu của quá trình kia — đây là quan hệ bổ sung em đã học từ lớp 7.
Nhưng "bổ sung về nguyên liệu" không có nghĩa là "đảo ngược về cơ chế". Xét trước hết về vị trí: quang hợp diễn ra ở lục lạp, còn hô hấp diễn ra ở ti thể — hai bào quan hoàn toàn khác nhau, không hề dùng chung không gian phản ứng. Chất mang electron cũng tách biệt: pha sáng dùng NADPH, còn chuỗi truyền electron của hô hấp dùng NADH và FADH2 — ba chất mang khác nhau về cấu trúc hoá học, không thể hoán đổi cho nhau. Ngay cả bộ enzyme cũng không chung: RuBisCO cố định carbon ở chu trình Calvin hoàn toàn khác với bộ enzyme của đường phân và chu trình Krebs. Chạy một phản ứng enzyme "lùi lại" theo đúng nghĩa đen gần như không thể về mặt hoá học, nên tế bào tiến hoá ra hai hệ thống enzyme độc lập thay vì đảo ngược một hệ thống duy nhất.
Vì hai quá trình độc lập về cơ chế nhưng bổ sung về nguyên liệu, tốc độ tương đối giữa chúng quyết định chiều trao đổi khí ròng của cây với môi trường. Điểm mà tốc độ quang hợp đúng bằng tốc độ hô hấp gọi là điểm bù ánh sáng: tại đó, oxygen và carbon dioxide sinh ra từ quá trình này vừa đủ cho quá trình kia tiêu thụ, nên trao đổi khí ròng với môi trường bên ngoài bằng không. Dưới điểm bù, quang hợp yếu hơn hô hấp, cây thải carbon dioxide ròng ra ngoài; trên điểm bù, quang hợp mạnh hơn hô hấp, cây hấp thụ carbon dioxide ròng và thải oxygen ròng.
Áp dụng vào một ngày thực tế: ban đêm không có ánh sáng, quang hợp bằng không, chỉ còn hô hấp tế bào hoạt động — cây hấp thụ oxygen ròng và thải carbon dioxide ròng suốt đêm. Giữa trưa nắng mạnh, ánh sáng vượt xa điểm bù, quang hợp mạnh hơn hô hấp rất nhiều — cây thải oxygen ròng và hấp thụ carbon dioxide ròng. Vào lúc sáng sớm hay chiều tối, ánh sáng còn yếu và dao động quanh mức điểm bù — trao đổi khí ròng gần bằng không, hoặc đổi chiều liên tục tuỳ ánh sáng lúc đó mạnh hay yếu hơn điểm bù.
Nhầm lẫn dễ gặp nhất ở bài này là nghĩ quang hợp và hô hấp tế bào là cùng một chuỗi phản ứng, chỉ chạy ngược chiều nhau tuỳ ngày hay đêm. Thực ra hai quá trình dùng hai bào quan khác nhau, hai bộ chất mang electron khác nhau (NADPH so với NADH, FADH2), và hai bộ enzyme hoàn toàn tách biệt. Chúng bổ sung nguyên liệu cho nhau, nhưng không phải là một cỗ máy chạy hai chiều.