Bài học

Ôn tập: từ rễ cây tới bữa ăn của một người leo núi

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng phối hợp được kiến thức về vận chuyển và quang hợp ở thực vật, cùng tiêu hoá, hô hấp, tuần hoàn, miễn dịch và cân bằng nội môi ở động vật, để giải các câu hỏi nhiều bước liên kết nhiều mạch trao đổi chất khác nhau, và hoàn thành một bộ câu hỏi hỗn hợp có tính thời gian.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này ôn lại sáu khoá đã học, tất cả cùng thuộc mạch trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng (same-grade bridge): trao đổi nước và khoáng ở thực vật, quang hợp và hô hấp ở thực vật, dinh dưỡng — tiêu hoá — hô hấp ở động vật, tuần hoàn, miễn dịch, và bài tiết — cân bằng nội môi. Không có khái niệm mới nào xuất hiện ở đây; việc của em là ghép chúng lại đúng cách khi đề bài trộn nhiều mạch trong cùng một câu hỏi, giống hệt một đề kiểm tra tổng hợp thật.

Khởi động

Một người chạy marathon giữa trưa nắng: ruột vẫn đang tiêu hoá bữa sáng, phổi tăng nhịp thở lấy oxygen, tim bơm máu nhanh hơn hẳn, tuyến mồ hôi hoạt động hết công suất, và hệ miễn dịch vẫn âm thầm làm việc dù không ai để ý. Sáu khoá em học rời rạc suốt học kì đều đang chạy song song trong đúng một cơ thể ấy.

Mạch thực vật: từ rễ tới hạt gạo trong kho

Nước và khoáng đi vào rễ theo hai cơ chế khác nhau — nước bằng thẩm thấu thụ động, khoáng phần lớn bằng vận chuyển chủ động tốn ATP — rồi đi lên theo mạch gỗ nhờ lực hút do thoát hơi nước là chính. Khí khổng là nút điều tiết trung tâm: mở ra để lấy CO2 cho quang hợp nhưng đồng thời làm mất nước qua thoát hơi; abscisic acid đóng khí khổng lại khi cây thiếu nước, đánh đổi quang hợp để giữ nước. Trong chu trình Calvin, RuBisCO cố định CO2 vào RuBP; khi khí khổng đóng bớt lúc trời nóng, RuBisCO dễ gắn nhầm oxygen thay vì CO2 — hô hấp sáng xảy ra, làm giảm hiệu suất quang hợp thực.

Mạch động vật: từ miệng tới thận

Thức ăn đi qua ống tiêu hoá, được hấp thụ ở ruột non nhờ diện tích bề mặt tăng gấp nhiều lần qua nếp gấp niêm mạc, lông ruột và lông cực nhỏ. Oxygen đi vào cơ thể qua bề mặt trao đổi khí — mang ở cá dùng dòng chảy ngược chiều, phổi ở thú dùng thông khí hai chiều, phổi và túi khí ở chim dùng thông khí một chiều — rồi được máu vận chuyển đi khắp cơ thể nhờ tim bơm, theo građien huyết áp giảm dần từ động mạch chủ tới tĩnh mạch chủ. Song song đó, hệ miễn dịch không đặc hiệu và đặc hiệu bảo vệ cơ thể khỏi mầm bệnh xâm nhập qua chính con đường tiêu hoá và hô hấp ấy; thận lọc máu, tái hấp thu, và bài tiết để giữ áp suất thẩm thấu và thể tích máu ổn định, khép lại vòng cân bằng nội môi.

Số liệu đã học ở bài Huyết áp và vận tốc máu — huyết áp giảm dần dọc hệ mạch để duy trì chiều dòng chảy một chiều trong hệ tuần hoàn kín.

Đường cong MINH HOẠ nguyên lí dòng chảy ngược chiều đã học ở bài Hô hấp ở cá, chim và thú, không phải số liệu đo đạc — nước và máu chảy ngược chiều nên oxygen trong nước luôn cao hơn trong máu tại mọi điểm, duy trì građien khuếch tán suốt chiều dài phiến mang.

Ví dụ

Một vườn rau gặp đợt nắng nóng kéo dài mười ngày

1
Một vườn rau ở đồng bằng gặp đợt nắng nóng đỉnh điểm kéo dài mười ngày, nhiệt độ buổi trưa vượt 38°C, độ ẩm không khí thấp, dù đất vẫn được tưới đủ nước. Hãy giải thích vì sao năng suất rau vẫn giảm, và cho biết việc tưới thêm nước có giải quyết hết vấn đề không.
2
Dù đất đủ nước, nhiệt độ cao và độ ẩm không khí thấp làm tốc độ thoát hơi nước qua khí khổng tăng mạnh; để hạn chế mất nước quá mức, khí khổng vẫn đóng bớt vào lúc nắng gắt nhất trong ngày (1).
3
Khí khổng đóng bớt ở (1) làm CO2 vào lá giảm; đồng thời nhiệt độ cao khiến RuBisCO dễ gắn nhầm oxygen thay vì CO2, hô hấp sáng tăng lên, làm giảm tốc độ tạo chất hữu cơ thực (2).
4
Tưới thêm nước chỉ giải quyết được phần thiếu nước ở đất, không giải quyết được nguyên nhân chính ở (1) và (2): khí khổng vẫn đóng bớt vì nhiệt độ và độ ẩm không khí bất lợi, chứ không chỉ vì thiếu nước trong đất. Do đó tưới thêm nước không khôi phục hoàn toàn năng suất.
5
Vậy năng suất giảm không phải vì cây thiếu nước ở rễ, mà vì nhiệt độ cao và độ ẩm không khí thấp buộc khí khổng đóng bớt để tự bảo vệ, kéo theo quang hợp giảm qua cơ chế hô hấp sáng — một hệ quả của cảm ứng (đóng khí khổng) tác động ngược lên trao đổi chất (quang hợp), đúng nguyên lí liên hệ giữa các quá trình sống đã học.

Ví dụ

Một người leo núi lên độ cao lớn trong vài ngày

1
Một người từ đồng bằng lên vùng núi cao khoảng 3000 m để leo núi trong vài ngày. Không khí ở độ cao này loãng hơn, áp suất riêng phần oxygen thấp hơn hẳn so với đồng bằng. Hãy mô tả các đáp ứng sinh lí của cơ thể theo đúng mô hình liên hệ ngược đã học.
2
Phổi vẫn hoạt động theo đúng bốn tiêu chí của bề mặt trao đổi khí hiệu quả (diện tích lớn, mỏng, ẩm, có lưu thông) nhưng áp suất riêng phần oxygen trong không khí thấp hơn khiến chênh lệch nồng độ giữa khí phế nang và máu giảm — mỗi nhịp thở lấy được ít oxygen hơn bình thường (1).
3
Để bù lại lượng oxygen ít hơn mỗi đơn vị máu mang được ở (1), tim tăng nhịp và tăng lưu lượng máu, đúng nguyên lí điều hoà tim mạch đã học (2).
4
Đây là một chuỗi liên hệ ngược hoàn chỉnh: thụ thể phát hiện nồng độ oxygen máu thấp, trung khu điều khiển ở hành não xử lí tín hiệu, bộ phận đáp ứng là tim và cơ hô hấp tăng hoạt động — đúng mô hình ba thành phần đã học ở bài cân bằng nội môi, chỉ khác đối tượng điều chỉnh là oxygen thay vì đường huyết hay thân nhiệt (3).
5
Vậy phản ứng của cơ thể khi lên núi cao không phải một cơ chế riêng biệt mới, mà là ứng dụng đúng ba khái niệm đã học — bốn tiêu chí bề mặt trao đổi khí ở (1), điều hoà tim mạch ở (2), và mô hình liên hệ ngược ba thành phần ở (3) — phối hợp lại để giữ đủ oxygen cho cơ thể trong điều kiện bất lợi.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp khi ôn tập tổng hợp là gộp chung "hô hấp ở thực vật" (hô hấp tế bào, xảy ra 24 giờ mỗi ngày ở mọi tế bào, không phụ thuộc ánh sáng) với "hô hấp" ở động vật (hô hấp ngoài — trao đổi khí qua bề mặt hô hấp). Hai khái niệm dùng chung một từ nhưng chỉ hai hiện tượng khác hẳn nhau — đề thi tổng hợp rất hay đặt bẫy ở điểm này.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Sáu khoá của mạch trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng đều xoay quanh cùng một câu hỏi: làm sao lấy đủ nguyên liệu, đủ năng lượng, và giữ môi trường trong cơ thể ổn định. Đề tổng hợp thường trộn hai, ba mạch trong cùng một câu hỏi — kỹ năng quan trọng nhất không phải nhớ từng khoá riêng, mà là nhận ra đâu là mạch nào khi chúng xuất hiện cùng lúc.

Bài tiếp theo chuyển sang ba mạch còn lại của năm học — cảm ứng, sinh trưởng và phát triển, sinh sản — trước khi cả khoá khép lại bằng một đề tổng hợp toàn năm.