Bài giảng Đa dạng sinh học - Bùi Trang Việt

Bùi Trang ViệtBộ môn Sinh lý thực vật, Khoa Sinh họcTrường ĐH KHTN TP. Hồ Chí Minh Ôn tập tuyển sinh cao học sinh học, 4-2012 (6 phần)  Phần 4. Đa dạng sinh học  Phần 5. Sinh học thực vậtTài liệu tham khảo  Tài liệu ôn tập Đa dạng sinh học  Sinh học tế bào  Sinh lý thực vật đại cươngPhần 4. Đa dạng sinh học1. Các khái niệm và nguồn gốc của sự sống2. Đa dạng sinh học ● Đa dạng của sinh vật nhân sơ ● Đa dạng của nguyên sinh vật ● Đa dạng ở thực vật ● Đa dạng ở nấm ● Đa dạng ở động vật Phần 4. Đa dạng sinh học 1. Các khái niệm và nguồn gốc của sự sống 1.1. Đa dạng sinh học  Thường chỉ sự đa dạng của các loài, nhưng cũng ở mọi mức độ tổ chức, từ gene tới hệ sinh thái.  Sản phẩm của gần 3,5 tỉ năm tiến hóa, cực kỳ phong phú, khó có thể biết hết mọi loài đã và hiện sống.  “Vũ điệu” sinh vật trong không gian và thời gian. Tính đa dạng lớn nhất thuộc về côn trùng (gần một triệu loài); hữu nhũ nhỏ nhất (hơn năm ngàn loài). Phần lớn các ngành động vật được tìm thấy trong đại dương. Virus (dạng sống đặc biệt), vi khuẩn, nấm và nguyên sinh vật khó xác định hơn động vật có xương sống và côn trùng.1.2. Các giới sinh vậtHệ thống 5 giới:* Monera (vi khuẩn, nhân sơ)* Protista (Nguyên sinh vật)* Plantae (Thực vật)* Fungi (Nấm)* Animalia (Động vật)Hai hệ thống gần đây hơn: Hệ thống sáu giới (six-kingdom system): như hệ thống năm giới, nhưng Monera (Prokaryota) được tách ra thành hai giới: vi khuẩn và vi khuẩn cổ.Thực vật bao gồm tảo lục, gọi chung là giới Thực vật xanh (Viridiplantae, green plant kingdom). Hệ thống ba liên giới (three-domain system): Vi khuẩn, Vi khuẩn cổ, và Nhân thực.Sáu giới Ba liên giới Vi khuẩn cổ khác biệt về trình tự base của tRNA và rRNA so với vi khuẩn, không nhất thiết “cổ” hơn vi khuẩn, và có liên hệ gần với sinh vật nhân thực hơn vi khuẩn. Giới Động vật (Animalia) Ngành Dây sống (Chordata) Lớp Hữu nhũ (Mammalia) Bộ Linh trưởng (Primates) Họ Hominidae Giống Homo Loài Homo sapiens 1.3. Sinh vật được xếp theo thứ bậc (7 bậc chính)• Loài (sinh học) gồm các thành viên có thể giao phối và sinh con có khả năng sinh sản. • Không có hai loài cùng tên (tên kép theo Linnaeus) 1.4. Cây phát sinh chủng loại (sơ đồ phân nhánh) minh họa mối liên hệ tiến hóa giữa các nhóm sinh vật Cây phát sinh chủng loại của 12 loài khỉ (dựa theo vẻ mặt, tiếng gọi, sự phân bố và protein máu). 1.5. Tương đồng và tương tự Trong phân loại học, cần tránh nhầm lẫn: • Tương đồng (homology) chỉ sự giống nhau về đặc điểm cấu trúc giữa các sinh vật có tổ tiên chung, như chi cá voi, cánh dơi, chân mèo và tay người... • Tương tự (analogy) chỉ sự giống nhau về chức năng của các cấu trúc có nguồn gốc tiến hóa rất khác nhau, như cánh chim và cánh côn trùng. Đa dạng sinh học giảm mạnh sau tuyệt diệt, nhưng bùng nổ sau đó. 1.6. Tuyệt diệt hàng loạt và đa dạng sinh học Đa dạng sinh học theo dòng thời gian địa chất (các mũi tên chỉ năm lần tuyệt diệt hàng loạt ). 1.7. Nguồn gốc của sự sống Trái đất có tuổi  4,54 tỉ năm,  3,8 tỉ năm trước, nhiệt độ đại dương giảm tới 49-88 0C,  3 ,8 - 2,5 tỉ năm trước, sự sống xuất hiện: khí quyển? bờ đại dương? ống thông thủy nhiệt?Miller-Urey (1953): C ở dạng CH4 trong hỗn hợp khí (cùng với H2 và NH3) tạo các acid amin.Các chất hữu cơ “tự sinh” từ các chất vô cơ, và các monomer liên kết để thành các polymer: polypeptide, polysacaride, polynucleotide.14Thành lập màng là bước quan trọng dẫn tới tế bào nguyên thủy (tế bào độc lập với môi trường xung quanh). Thuyết “bóng” (bubble hypothesis) do Oparin đề nghị vào những năm 1930: Sự sống phát sinh ở “bờ đại dương”, nơi phơi ra khí quyển, dễ sủi bọt (tạo các bóng) và bị tấn công bởi tia UV. Oparin gọi các bóng (hình cầu với màng phospholipid) chứa vật chất đậm đặc là protobiont. Giả thuyết được Urey ủng hộ, và khuyến khích Miller làm thí nghiệm. Sau Oparin, “bóng” được gọi bởi nhiều tên tùy thành phần hóa học và cấu trúc: microspheres, protocells, protobionts, micelles, liposomes, coacervates. 2.1. Đa dạng của sinh vật nhân sơ Sinh vật nhân sơ đông đảo và đơn giản nhất, được xem là xưa nhất trên Trái đất. Tế bào nhân sơ Đường kính 1-10 µm (tế bào nhân thực: 10-100 µm) với các bào quan : - Các màng nội (lõm vào trong) có chức năng hô hấp hay quang hợp. - Vùng giống nhân và plasmid (chứa DNA). - Ribosome. (Mesosome không có thật, chỉ do sự cố định hóa học)Sự đa dạng của vi khuẩn (1) Vi khuẩn thích nhiệt (có thể tới 85 0C).(2) Vi khuẩn Gram-dương có lượng G/C thấp.(3) Vi khuẩn Gram-dương có lượng G/C cao.(4) Sirochaetes dạng xoắn, sống trong nước.(5) Vi khuẩn lam (cyanobacteria) : Anabaena có khả năng cố định N, và Spirulina. (6) Chlamydiae vừa có đặc điểm vi khuẩn (nhạy với kháng sinh), vừa có đặc điểm virus (ký sinh bắt buộc trong tế bào chủ để tái bản).(7) Proteobacteria (Gram-âm, rất đa dạng, theo tên Proteus, vị thần hay thay đổi hình dạng): vi khuẩn đất, vi khuẩn S quang hợp, E. coli, Helicobacter Sự đa dạng của vi khuẩn cổ (1) Nhóm sinh methane, kỵ khí nghiêm ngặt (bị ngộ độc bởi những vết O2) (2) Nhóm thích điều kiện khắc nghiệt: mặn, nhiệt, pH rất acid hay rất kiềm, áp suất cao. (3) Nhóm tăng trưởng trong các môi trường bình thường như vi khuẩn.2.2. Sự đa dạng của nguyên sinh vật Sự tiến hóa của tế bào nhân thựcNội cộng sinh (*)Màng tự xếp nếp Hệ thống phân loại ba nhóm nguyên sinh vật (1) Động vật nguyên sinh (dị dưỡng): amip, Trypanosoma (gây bệnh buồn ngủ), Plasmodium (gây sốt rét), Paramecium. (2) Mốc nhầy như Dictyostellium. (3) Tảo (đơn bào và đa bào) quang hợp. Hệ thống phân loại sáu nhóm nguyên sinh vậtVị trí phân loại của nguyên sinh vật (1) Euglenozoa (tiếng Hy Lạp: eu, thực; glene, nhãn cầu; zoon, sinh vật) di chuyển nhờ roi, sống tự do hay ký sinh. Tiêu biểu là Euglena, đơn bào, sống trong nước ngọt, có hai roi, không bào co rút (điều hòa ), nướm nhạy sáng (cũng có ở tảo lục) giúp sinh vật quang hợp di chuyển về phía ánh sáng. (2) Alveolata (Plasmodium, Paramecium ...) với một alveoli (khoảng trống do các bóng dẹp bị nén chặt ) dưới màng nguyên sinh chất bảo vệ màng. (3) Stramenopila (nhiều thành viên có cấu trúc giống lông gắn trên roi, Latin: "stramen" = flagellum + "pilos" = hair) - Tảo nâu (đa bào): lục lạp với diệp lục tố bị che khuất bởi các sắc tố nâu và vàng. - Tảo silic (đơn bào): vỏ silica, lục lạp chứa diệp lục tố a và c và các carotenoid. - Mốc nước: không quang hợp, hoại sinh (sống trên xác bã) hay ký sinh. (4) Rhodophyta (tảo đỏ) có kích thước từ mức hiển vi tới rất lớn. (5) Chlorophyta và Streptophyta: hai nhóm tảo lục có lục lạp chứa diệp lục tố a và b và carotenoid, và dự trữ tinh bột (giống thực vật). Streptophyta và Chlorophyta họp thành giới Thực vật xanh (Virdiplantae), và thực vật trên đất liền là thành viên của Streptophyta.Cây phát sinh chủng loại mới (6) Choanoflagellida, Foraminifera và Mốc nhầy Choanoflagellida là tổ tiên chung của hải miên (bọt biển) và động vật. Foraminifera có vỏ cứng được tạo bởi các chất hữu cơ được làm rắn nhờ các hạt calcium carbonate, cát tạo nên các khối đá vôi lớn trên thế giới. Mốc nhầy sống trên gỗ hay chất hữu cơ mục nát. Mốc nhầy Dictyostellium có chu trình sống qua trạng thái “đa bào”. 2.3. Sự đa dạng ở thực vậtLịch sử tiến hóa° Cách nay 3-1,5 tỉ năm: Cyanobacteria (tảo lam) phủ lớp áo lục, tạo cuộc cách mạng oxygen, gây “nở hoa” ở ao, hồ và biển nhiệt đới. ° 700 triệu năm: xuất hiện sinh vật đa bào (tảo biển & động vật thân mềm).° 500 triệu năm: động vật, nấm và tảo đa bào còn sống trong nước; vài tảo (cùng nấm) bắt đầu tiến lên đất liền thành thực vật nguyên thủy. Chu trình sống theo kiểu luân phiên các thế hệ Xảy ra ở nhiều tảo biển và mọi thực vật: thế hệ thể giao tử (n) luân phiên với thế hệ thể bào tử (2n).Lợi ích tiến hóa: tạo hai cơ hội sinh sản.• Thể giao tử qua nguyên phân sinh giao tử (đực và cái). • Giao tử dung hợp cho hợp tử, bắt đầu thế hệ thể bào tử. Chu trình sống của tảo biển Ulva• Tế bào trong thể bào tử giảm phân cho bào tử (có roi). • Bào tử lắng xuống đáy và phát triển thành thể giao tử. Bốn nhóm thực vậtCooksonia: thực vật đơn giản nhất (hóa thạch 415 triệu năm tuổi): thân thẳng và phân nhánh, mạch sơ khai, chưa có lá, nhánh mang túi bào tử ở ngọn.Rêu có thể giao tử ưu thếChu trình sống của rêu(1) Giao tử (tinh trùng có roi & trứng) phát triển trong túi giao tử trên thể giao tử. (2) Thụ tinh (hợp tử vẫn trong túi giao tử)(3) Hợp tử thành thể bào tử trên thể giao tử. (4) Giảm phân, phóng thích bào tử.(5) Bào tử thành thể giao tử.Từ dương xỉ, thực vật có thể bào tử ưu thế.(3) Hợp tử phát triển thành thể bào tử.(4) Tế bào trong túi bào tử giảm phân, tạo bào tử.(5) Bào tử thành giao tử.Chu trình sống dương xỉ(1) Thể giao tử hình tim nhỏ cho trứng & tinh trùng có roi (như rêu).(2) Thụ tinh tạo hợp tử (trên thể giao tử).(3) Thụ phấn (4) Noãn cho giao tử cái chứa trứng(5) Ống phấn tăng trưởng tới trứng, phóng thích tinh trùng(6) Thụ tinh, hợp tử thành phôi (noãn thành hột). (7) Hột nảy mầm, phôi thành cây.Chu kỳ sống của thực vật hột trần (thông)(1) Nón cái mang noãn(2) Nón đực sản xuất hạt phấn• Phôi hay cây thông là thể bào tử; thế hệ thể giao tử trong nón• Hột rời nón  2 năm sau thụ phấn Hai thích ứng của thực vật hột trần (cây có nón như thông): • Hột = phôi + chất dự trữ + vỏ mỏng (không có trái) • Phấn hoa (theo gió và động vật) mang tế bào tạo tinh trùng không roi (không bơi trong nước) tới giao tử cái.Chu kỳ sống của cây hột kín(1) Giảm phân trong bao phấn tạo thể giao tử đực (hạt phấn)(2) Giảm phân trong noãn tạo thể giao tử cái mang trứng(3) Thụ phấn(4) Ống phấn tới trứng, thụ tinh (5) Hột từ noãn, hợp tử thành phôi (thể bào tử)(6) Trái từ (vách) bầu noãn(7) Hột nảy mầm, phôi thành câyHoa (phô trương nhất trong các giới) là thân rút ngắn với bốn bộ lá biến đổi: đài, hoa, nhị (mang bao phấn) và lá noãn (mang bầu noãn).Phôi và cây là thể bào tử; hoa (bầu noãn) thành trái, noãn thành hột, hợp từ thành phôi.Ba thích nghi của thực vật hột kín:(1) Lá rộng, dẹp: thu ánh sáng và CO2(2) Mạch có vách dày hơn thực vật hột trần(3) Có hoa & sinh sản nhanh: thụ tinh khoảng 12 giờ sau thụ phấn, tạo hột vài ngày tới vài tuần (hoàn tất chu trình sống trong mùa thuận lợi)Bốn thích nghi đánh dấu bốn dòng thực vật: (1) Túi giao tử bảo vệ giao tử và hợp tử khỏi khô (rêu)(2) Mô mạch (thực vật có mạch) (3) Hột (thực vật hột trần)(4) Hoa (thực vật hột kín: cây có hoa)2.4. Sự đa dạng ở nấmNấm (fungi):* Meo hay mốc (molds) (đa bào)* Nấm mũ (mushrooms) (đa bào)* Nấm men (yeasts) (đơn bào, có lẽ tiến hóa từ tổ tiên đa bào)Naám muõHeä sôïi moác treân laù muïcĐặc tính của nấm:• Sợi nấm có vách chitin, tiết enzyme thủy giải thực phẩm.• Không có tế bào mang roi.• Hệ sợi tăng trưởng nhanh phi thường (bổ sung 1 km sợi/ngày).Bốn nhóm nấm chính  Chytridiomycota: thủy sinh, túi bào tử có dạng chậu nhỏ (chytridion).  Zygomycota (nấm hợp tử) như mốc bánh mì, có túi bào tử tiếp hợp do sự dung hợp của hai túi giao tử (của hai sợi nấm khác nhau). Basidiomycota (nấm đảm) có cấu trúc sinh sản hữu tính gọi là đảm (basidium).  Ascomycota (nấm nang) có cấu trúc sinh sản gọi là nang trong thể quả: men bánh mì, Penicillium...Chu trình sống của nấm mũ(1) Nấm mũ: thể quả.(2) Vô số hợp tử (2n) ở mặt dưới mũ giảm phân cho bào tử (n).(3) Phóng thích bào tử.(4) Bào tử nảy mầm cho hệ sợi (n).(5) Hai sợi dung hợp cho hệ sợi lưỡng nhân.(6) Hệ sợi tăng trưởng, tạo thể quả lưỡng nhânNấm mũ: chu trình sống qua 3 giai đoạn 2n, n và lưỡng nhân; hợp tử giảm phân trực tiếp (không qua nguyên phân); phần lớn đời sống phái tính xảy ra dưới đất.Nấm men sinh sản đơn giản nhờ nguyên phân. Địa y (lichens)= liên kết cộng sinh nấm (thu chất dinh dưỡng) - tảo (quang hợp), có màu vàng hay đỏ, bám trên vách đáPhát triển trên đá, đường nứt, tăng xói mòn, mở đường cho thực vật (sinh vật tiên phong trên đất mới).• Nấm và tảo sinh sản độc lập, hữu tính hay vô tính, trước sự liên kết.• Địa y cũng sinh sản vô tính bằng cách phát tán các đơn vị sinh sản (vài sợi nấm với các tế bào tảo). Đặc tính của địa y: • Chịu băng giá, tạo thảm địa y trên các vùng băng vĩnh cửu rộng lớn ở bắc cực. • Chịu hạn: khử nước, ngừng quang hợp, nhưng sống còn gần như bất định và bộc phát khi gặp mưa. • Vài địa y ngàn năm tuổi (cạnh tranh với thực vật / nấm già nhất). • Sợ khí quyển ô nhiễm (lấy chất khoáng hòa tan trong giọt nước mưa)  Sự chết địa y là dấu hiệu ô nhiễm khí quyển. Thực vật và nấm thường liên kết để cùng vào đất liền (nấm thu chất khoáng, thực vật tạo đường), điều thiết yếu để tảo lục tiến hóa thành thực vật.MycorrhizaLiên kết nấm-rễ (mycorrhiza) thường gặp ở thực vật 2.5. Đa dạng ở động vật Sáu đặc tính căn bản của động vật  Dị dưỡng  Đa bào, tế bào không có vách và hợp thành mô  Có khả năng di chuyển  Rất đa dạng và có nhiều nơi ở khác nhau  Thường sinh sản hữu tính  Kiểu phát triển phôi đặc trưng qua các giai đoạn: - Morula: khối cầu đặc, - Blastula: khối cầu rỗng, và - Gastrula: túi rỗng do blastula xếp vào trong. Sau đó, sự tăng trưởng và di chuyển tế bào ở gastrula rất khác nhau ở các ngành động vật.5 lần phân nhánh (5 tiến bộ then chốt của tổ chức cơ thể): 1. Tiến hóa mô (phân biệt parazoa & eumetazoa)2. Tiến hóa cơ thể đối xứng hai bên. 3. Tiến hóa khoang 4. Tiến hóa miệng sinh sau5. Tiến hóa phân đoạn(di chuyển uyển chuyển,)Cây họ hàng truyền thốngSự “bùng nổ Cambri”Tính đa dạng phong phú của động vật tiến hóa rất nhanh qua các thời kỳ địa chất, bắt đầu từ kỷ Cambri (545-490 triệu năm trước).Sinh học phân tử: các thay đổi của cơ thể động vật gọi là “bùng nổ Cambri” do những thay đổi về vị trí và thời gian biểu hiện của các gen Hox, nhóm gen kiểm soát sự phát triển của các cơ quan phôi trong sự phát triển phôi. Đặc điểm chính của các nhóm động vật Parazoa (cận động vật)Hải miên (bọt biển, ngành Porifera): không mô, đa bào với vài kiểu tế bào phối hợp lỏng lẻo. RadiataGồm các sinh vật đối xứng tỏa tròn trong hai ngành: Cnidaria và Ctenophore. Động vật đối xứng hai bên không khoang Bilateria đơn giản nhất, thuộc về hai ngành: Giun dẹt và Giun vòi. Các động vật có khoang giảGồm ba ngành: Giun tròn (Nematoda), Rotifera và Cycliophora.Dịch lỏng di chuyển trong khoang giả (hệ tuần hoàn chưa rõ rệt), là “bộ xương thủy tĩnh” (tạo một áp suất thủy tĩnh).• Động vật không xương sống có khoangGồm năm ngành: thân mềm, giun đốt, lophophorate, chân khớp và da gai.• Động vật có dây sống (ngành Chordata) Gồm các động vật có dây sống không xương sống và các động vật có xương sống (ngành phụ Vertebrata).Dây sống mềm dẻo; sự dính của các cơ vào dây sống cho phép cử động dẻo dai hay bơi trong nước (tiến bộ then chốt dẫn tới động vật có xương sống có kích thước lớn thực sự). • Động vật có dây sống không xương sống, gồm các tunicate (đơn giản như các ống truyền nước vào, ra) và lancelet (dạng cá, dài vài cm) sống ở biển.• Động vật có xương sống đầu tiên tiến hóa trong các đại dương, cách nay chừng 470 triệu năm, là cá không hàm. • Hàm là một tiến bộ quan trọng, nên cá có hàm chiếm ưu thế trong đại dương. • Con cháu của cá có hàm là lưỡng cư sống thành công trên đất liền. • Lưỡng cư sinh ra các bò sát, và bò sát thay lưỡng cư chiếm ưu thế trên đất liền. Động vật có xương sống hiện nay (bảy lớp): Ba lớp cá sống trong nước (1) Cá không hàm (lớp Agnata) (2) Cá sụn (lớp Chondrichthyes, với các loài cá mập và cá đuối) (3) Cá xương (lớp Osteichthyes, gồm các loài cá ưu thế hiện nay) Bốn lớp động vật bốn chân trên đất liền (1) Lưỡng cư (lớp Amphibia) (2) Bò sát (lớp Reptilia) (3) Chim (lớp Aves) (4) Hữu nhũ (lớp Mammalia)Lưỡng cư: phác thảo rời môi trường nước. Bò sát (hiện sống: rùa, thằn lằn, rắn, tuatura và sấu): quyển sách hoàn thành, đặc biệt là khủng long. Trong triều đại 150 triệu năm của khủng long, hữu nhũ lớn nhất cũng không hơn một con mèo!Nhưng chừng 65 triệu năm trước, mọi khủng long biến mất và được thay bởi các hậu duệ hữu nhũ và chim. Liên hệ tiến hóa ở bò sát, và nguồn gốc tiến hóa của chim và hữu nhũ