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
Nguyên tố đa lượng và vi lượng
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em phân loại được một nguyên tố hoá học bất kỳ trong cơ thể sống thành đa lượng hay vi lượng dựa trên tỉ lệ khối lượng, và giải thích vì sao một nguyên tố chỉ chiếm lượng cực nhỏ vẫn có thể quyết định sự sống còn của cả cơ thể.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở môn Khoa học tự nhiên các lớp dưới, em đã biết vật chất được cấu tạo từ các nguyên tố hoá học, mỗi nguyên tố có kí hiệu riêng và tính chất hoá học riêng (prior-grade review). Sinh học 10 dùng lại chính nền hoá học đó, nhưng đặt câu hỏi khác: trong khoảng một trăm nguyên tố tồn tại trong tự nhiên, cơ thể sống thực sự cần bao nhiêu, và tại sao chỉ vài nguyên tố lại chiếm gần hết khối lượng cơ thể trong khi những nguyên tố khác chỉ có mặt với lượng vết.
Khởi động
Muối iodine bán ở siêu thị chỉ bổ sung một lượng iodine cực nhỏ so với khối lượng cơ thể em — tính theo phần trăm gần như không đáng kể. Vậy tại sao thiếu đúng nguyên tố lượng vết ấy lại gây ra bệnh bướu cổ, một bệnh lý rõ ràng và nghiêm trọng?
Kiến thức trọng tâm
Cơ thể sống được cấu tạo từ khoảng 25 nguyên tố hoá học trong tổng số hơn một trăm nguyên tố đã biết. Theo SGK Sinh học 10, dựa vào tỉ lệ phần trăm khối lượng chất khô của cơ thể, các nguyên tố được chia thành hai nhóm. Nguyên tố đa lượng chiếm tỉ lệ lớn hơn 0,01% khối lượng chất khô, gồm carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur, calcium, kali — đây là nhóm xây dựng nên các đại phân tử hữu cơ và cấu trúc chính của tế bào. Nguyên tố vi lượng chiếm tỉ lệ nhỏ hơn 0,01% khối lượng chất khô, gồm sắt, iodine, kẽm, đồng, mangan, molybdenum — lượng cần thiết rất ít nhưng không thể thay thế.
Bốn nguyên tố carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen chiếm khoảng 96% khối lượng cơ thể sống, phần còn lại thuộc về các nguyên tố đa lượng khác và toàn bộ nhóm vi lượng cộng lại. Trong bốn nguyên tố này, carbon giữ vai trò trung tâm vì mỗi nguyên tử carbon có 4 electron lớp ngoài cùng, tạo được 4 liên kết cộng hoá trị cùng lúc. Nhờ đặc điểm đó, carbon có thể liên kết với chính nó thành mạch thẳng, mạch nhánh hoặc vòng, rồi liên kết thêm với hydrogen, oxygen, nitrogen để tạo ra bộ khung đa dạng cho mọi đại phân tử sinh học — carbohydrate, lipid, protein, nucleic acid đều dựng trên một bộ khung carbon như vậy.
Theo SGK Sinh học 10: oxygen, carbon, hydrogen, nitrogen cộng lại chiếm khoảng 96% khối lượng cơ thể; 4% còn lại là các nguyên tố đa lượng khác (calcium, phosphorus, kali...) và toàn bộ nhóm vi lượng.
Nguyên tố vi lượng có lượng ít nhưng vai trò không hề nhỏ, vì phần lớn chúng hoạt động như thành phần bắt buộc của một phân tử chức năng cụ thể chứ không phải vật liệu xây dựng số lượng lớn. Sắt là thành phần của hemoglobin trong hồng cầu, trực tiếp giữ và vận chuyển oxygen — thiếu sắt làm giảm khả năng tổng hợp hemoglobin, dẫn đến thiếu máu. Iodine là thành phần bắt buộc của hormone tuyến giáp — thiếu iodine khiến tuyến giáp phải phình to để cố gắng bù đắp, gây bệnh bướu cổ. Ở thực vật, nitrogen là thành phần của diệp lục và protein; đất thiếu nitrogen khiến lá chuyển vàng và cây còi cọc dù đủ nước, đủ ánh sáng. Ba ví dụ này cho thấy một quy luật chung: vai trò sinh học của một nguyên tố không tỉ lệ thuận với khối lượng của nó trong cơ thể.
Ranh giới phân loại là 0,01% khối lượng chất khô — trên ngưỡng này là đa lượng, dưới ngưỡng này là vi lượng.
Ví dụ
Giải thích một ca thiếu máu do thiếu sắt
1
Một bệnh nhân xét nghiệm máu cho thấy nồng độ hemoglobin thấp bất thường và được chẩn đoán thiếu máu do thiếu sắt. Vì sao thiếu một nguyên tố vi lượng — chiếm tỉ lệ khối lượng rất nhỏ trong cơ thể — lại gây ra một bệnh lý ảnh hưởng đến toàn thân?
2
Sắt (Fe) là nguyên tố vi lượng, nhưng là thành phần bắt buộc cấu tạo nên hemoglobin — phân tử protein trong hồng cầu chuyên vận chuyển oxygen từ phổi tới các mô.
3
Thiếu Fe làm giảm lượng hemoglobin được tổng hợp, tức là giảm khả năng vận chuyển oxygen của máu, dù số lượng hồng cầu có thể vẫn còn tương đối bình thường.
4
Triệu chứng mệt mỏi, da xanh xao ở bệnh nhân thiếu máu khớp đúng với việc các mô trong cơ thể không nhận đủ oxygen để hô hấp tế bào.
5
Vậy dù Fe chỉ chiếm một tỉ lệ khối lượng cực nhỏ, vai trò của nó trong hemoglobin không thể thay thế bằng nguyên tố khác — đây là lý do một nguyên tố vi lượng vẫn có thể quyết định sức khoẻ của toàn cơ thể.
Ví dụ
Chẩn đoán nguyên tố thiếu hụt từ triệu chứng (dạng đề kiểm tra)
1
Ba trường hợp sau đây đều có biểu hiện bất thường: (1) một bệnh nhân bị bướu cổ, tuyến giáp phình to; (2) một ruộng ngô có lá chuyển vàng, cây thấp còi dù đất đủ ẩm và đủ ánh sáng; (3) một bệnh nhân xét nghiệm máu cho thấy hemoglobin thấp, da xanh xao, hay mệt. Với mỗi trường hợp, xác định nguyên tố nhiều khả năng bị thiếu và giải thích.
2
Bướu cổ là dấu hiệu đặc trưng của thiếu iodine — nguyên tố bắt buộc để tổng hợp hormone tuyến giáp; tuyến giáp phình to là phản ứng cố bù đắp khi không đủ nguyên liệu tổng hợp hormone.
3
Ở thực vật, nitrogen là thành phần của diệp lục và protein; thiếu nitrogen khiến lá không tổng hợp đủ diệp lục nên chuyển vàng, đồng thời thiếu protein cho sinh trưởng nên cây còi cọc — dù các điều kiện khác (nước, ánh sáng) đã đủ.
4
Hemoglobin thấp, mệt mỏi, da xanh xao là dấu hiệu thiếu sắt (Fe) — nguyên tố cấu tạo hemoglobin, giống hệt cơ chế đã phân tích ở ví dụ trước. (1)
5
Cả ba trường hợp đều đúng nguyên tắc chung: triệu chứng xuất hiện ở đúng cơ quan/quá trình mà nguyên tố thiếu hụt đảm nhiệm vai trò, khớp với kết luận (1) và với vai trò của iodine, nitrogen đã nêu ở trên.
6
Vậy: trường hợp (1) thiếu iodine, trường hợp (2) thiếu nitrogen, trường hợp (3) thiếu sắt — mỗi chẩn đoán đều dựa trên việc nối đúng triệu chứng với vai trò sinh học đặc thù của nguyên tố đó.
Sai lầm thường gặp
Nhiều học sinh nghĩ nguyên tố vi lượng 'không quan trọng bằng' nguyên tố đa lượng vì tỉ lệ khối lượng nhỏ hơn hẳn. Cách hiểu này sai: đa lượng và vi lượng chỉ phân loại theo khối lượng, không phân loại theo mức độ quan trọng. Một nguyên tố đa lượng như carbon quan trọng vì nó là vật liệu xây dựng số lượng lớn; một nguyên tố vi lượng như sắt hay iodine quan trọng vì nó là mảnh ghép không thể thay thế trong một phân tử chức năng cụ thể — thiếu đi, dù chỉ một lượng rất nhỏ, cả hệ thống liên quan ngừng hoạt động.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Đa lượng (trên 0,01% khối lượng chất khô: C, H, O, N, P, S, Ca, K...) và vi lượng (dưới 0,01%: Fe, I, Zn, Cu, Mn, Mo...) chỉ phân loại theo tỉ lệ khối lượng, không phân loại theo mức độ quan trọng. Carbon là nguyên tố trung tâm nhờ 4 liên kết cộng hoá trị; nguyên tố vi lượng thường là thành phần không thể thay thế của một phân tử chức năng.
Bài tiếp theo đi sâu vào một phân tử mà cơ thể sống cần với khối lượng lớn hơn bất kỳ đại phân tử nào khác: nước.
Ở môn Khoa học tự nhiên các lớp dưới, em đã biết vật chất được cấu tạo từ các nguyên tố hoá học, mỗi nguyên tố có kí hiệu riêng và tính chất hoá học riêng (prior-grade review). Sinh học 10 dùng lại chính nền hoá học đó, nhưng đặt câu hỏi khác: trong khoảng một trăm nguyên tố tồn tại trong tự nhiên, cơ thể sống thực sự cần bao nhiêu, và tại sao chỉ vài nguyên tố lại chiếm gần hết khối lượng cơ thể trong khi những nguyên tố khác chỉ có mặt với lượng vết.
Cơ thể sống được cấu tạo từ khoảng 25 nguyên tố hoá học trong tổng số hơn một trăm nguyên tố đã biết. Theo SGK Sinh học 10, dựa vào tỉ lệ phần trăm khối lượng chất khô của cơ thể, các nguyên tố được chia thành hai nhóm. Nguyên tố đa lượng chiếm tỉ lệ lớn hơn 0,01% khối lượng chất khô, gồm carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur, calcium, kali — đây là nhóm xây dựng nên các đại phân tử hữu cơ và cấu trúc chính của tế bào. Nguyên tố vi lượng chiếm tỉ lệ nhỏ hơn 0,01% khối lượng chất khô, gồm sắt, iodine, kẽm, đồng, mangan, molybdenum — lượng cần thiết rất ít nhưng không thể thay thế.
Bốn nguyên tố carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen chiếm khoảng 96% khối lượng cơ thể sống, phần còn lại thuộc về các nguyên tố đa lượng khác và toàn bộ nhóm vi lượng cộng lại. Trong bốn nguyên tố này, carbon giữ vai trò trung tâm vì mỗi nguyên tử carbon có 4 electron lớp ngoài cùng, tạo được 4 liên kết cộng hoá trị cùng lúc. Nhờ đặc điểm đó, carbon có thể liên kết với chính nó thành mạch thẳng, mạch nhánh hoặc vòng, rồi liên kết thêm với hydrogen, oxygen, nitrogen để tạo ra bộ khung đa dạng cho mọi đại phân tử sinh học — carbohydrate, lipid, protein, nucleic acid đều dựng trên một bộ khung carbon như vậy.
Nguyên tố vi lượng có lượng ít nhưng vai trò không hề nhỏ, vì phần lớn chúng hoạt động như thành phần bắt buộc của một phân tử chức năng cụ thể chứ không phải vật liệu xây dựng số lượng lớn. Sắt là thành phần của hemoglobin trong hồng cầu, trực tiếp giữ và vận chuyển oxygen — thiếu sắt làm giảm khả năng tổng hợp hemoglobin, dẫn đến thiếu máu. Iodine là thành phần bắt buộc của hormone tuyến giáp — thiếu iodine khiến tuyến giáp phải phình to để cố gắng bù đắp, gây bệnh bướu cổ. Ở thực vật, nitrogen là thành phần của diệp lục và protein; đất thiếu nitrogen khiến lá chuyển vàng và cây còi cọc dù đủ nước, đủ ánh sáng. Ba ví dụ này cho thấy một quy luật chung: vai trò sinh học của một nguyên tố không tỉ lệ thuận với khối lượng của nó trong cơ thể.
Nhiều học sinh nghĩ nguyên tố vi lượng 'không quan trọng bằng' nguyên tố đa lượng vì tỉ lệ khối lượng nhỏ hơn hẳn. Cách hiểu này sai: đa lượng và vi lượng chỉ phân loại theo khối lượng, không phân loại theo mức độ quan trọng. Một nguyên tố đa lượng như carbon quan trọng vì nó là vật liệu xây dựng số lượng lớn; một nguyên tố vi lượng như sắt hay iodine quan trọng vì nó là mảnh ghép không thể thay thế trong một phân tử chức năng cụ thể — thiếu đi, dù chỉ một lượng rất nhỏ, cả hệ thống liên quan ngừng hoạt động.