Tiểu luận Tảo học

1 ĐẶT VẤN ĐỀ Vi tảo (Microalgae) là những thực vật bậc thấp, có khả năng quang tự dưỡng. Chúng có cấu trúc hết sức đa dạng: đơn bào, đa bào hay tập đoàn sống chủ yếu ở nước và phân biệt với nhau bởi các chất màu (diệp lục tố, các sắc tố) và các chất dự trữ. Đó chính là dấu hiệu hoá học để nhận biết trực tiếp bằng mắt thường hay dưới kính hiển vi quang học. Trong tự nhiên và đời sống con người, vai trò của vi tảo hết sức quan trọng vì chúng là mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái nước. Vi tảo giữ vai trò quan trọng trong việc cải tạo môi trường (đất và nước), làm sinh vật chỉ thị cho độ ô nhiễm của môi trường nước. Bên cạnh đó, vi tảo còn là nguyên liệu để tách chiết các hợp chất có giá trị dinh dưỡng và để chữa bệnh. Qua chuyên đề Tảo học, khi học xong chắc hẳn trong chúng ta có những suy nghĩ và tâm đắc nhất đối với môn học. Điều thú vị đối với những người yêu thích và quan tâm đến đến các lĩnh vực nghiên cứu vi tảo đều không thể không tìm hiểu và nghiên cứu hình thái cấu trúc vi tảo tuy rằng đây là một hướng nghiên cứu mang tính kinh điển. 2 NỘI DUNG Tảo học (Phycology) là khoa học nghiên cứu về tảo. Khi nghiên cứu về đặc điểm hình thái và hệ thống phân loại vi tảo. Điều đầu tiên nhận thấy rằng thành tựu của phân loại học luôn gắn bó với mức độ phát triển của khoa học kĩ thuật, đặc biệt là liên quan đến kính hiển vi, kính hiển vi quét, kính hiển vi điện tử và kĩ thuật sinh học phân tử. Tuy nhiên trên thế giới, phân loại tảo đi theo nhiều hệ thống khác nhau, những tri thức về tảo càng ngày càng được phát triển với các phương tiện nghiên cứu ngày một cao, không dừng ở mức độ nghiên cứu hình thái, cấu trúc trước kia mà đi sâu vào mức độ vi mô, phân tử. Để hiểu biết và sử dụng các loài vi tảo, các kiến thức của nhân loại phải lần lượt trải qua cách nhận diện phân biệt chúng, sắp xếp chúng vào hệ thống phân loại, các nghiên cứu về mối quan hệ tương hỗ giữa chúng với môi trường, cũng như các nghiên cứu về sinh học, sinh lí – sinh hoá nhằm điều khiển và sử dụng chúng. Người ta thường định nghĩa phân loại học là khoa học về sự đa dạng của sinh vật. Theo định nghĩa của Simpson (1961) phân loại học là nghiên cứu một cách khoa học các sinh vật khác nhau, sự đa dạng của chúng cũng như tất cả và từng mối quan hệ qua lại giữa chúng với nhau. Không có phân loại học, chúng ta không bao giờ hiểu được sự đa dạng của sự sống. Phân loại học là một nhánh của sinh học, là một trong các lĩnh vực cơ sở của khoa học. Như vậy, việc nghiên cứu hình thái và phân loại vi tảo là một điều đem lại thú vị cho chúng ta vì sự đa dạng về hình thái. Bên cạnh đó, song song với sự phát kiến của khoa học, tính hiện đại của kính hiển vi điện tử và các trang thiết bị công nghệ sinh học đã mở ra trong nghiên cứu về vi tảo hàng loạt sự thay đổi. Nhưng tiêu chí nghiên cứu dựa trên tiêu chí hình thái được xem là cơ sở cho các hướng nghiên cứu đến đặc tính sinh thái học, mối quan hệ giữa sự phát triển của chúng với yếu tố môi trường, nghiên cứu về đặc điểm sinh lí sinh hoá, các ứng dụng phục vụ đời sống con người. 3 Nếu sự phân loại Tảo ở các thế kỉ trước đây chủ yếu dựa trên hình thái cấu trúc tế bào, đặc điểm tế bào sinh sản và chu trình sinh sản của chúng thì ở thế kỉ XX bên cạnh những đặc điểm đó sự phát triển của khoa hoc đã cho phép đi sâu vào các lĩnh vực hình thái cá thể phát triển (morphogenese), phân loại các taxon bậc ngành theo các đặc điểm cấu trúc siêu hiển vi của roi (flagellum), của màng bao thể màu (thylakoid), các sản phẩm dự trữ dưới góc độ bản chất hoá học, thành phần chất màu (pigments) với các phổ màu khác nhau. Các chỉ tiêu sinh lí, sinh hoá (độc tố, hoạt chất) trong các hoạt động sống của các chi (genus), các loài đã trở thành những dấu hiệu và đặc điểm phân loại taxon ở mức độ loài và dưới loài. Mục đích của phân loại cuối cùng là để phân biệt được sự đa dạng của sinh giới và các nhà khoa học phải tìm cho mình một cách đi trong hoàn cảnh của mình. Chính vì vậy sự phân loại Tảo của trường phái Nga dựa trên đặc điểm hình thái, cấu trúc vỏ, tính chất chất màu (pigments), cấu trúc roi, đặc điểm tế bào sinh sản - trường phái này vẫn được trong không ít các công trình nghiên cứu về tảo ở Việt Nam. Trong những năm cuối của thế kỉ XX, các nhà sinh học đã cố gắng tìm kiếm các cơ chế đặc thù của các quá trình sinh học cơ bản nhất nhằm chi phối toàn bộ thế giới sinh vật. Đồng thời phát hiện ra nhóm sinh vật có tốc độ phát triển nhanh. Tảo – Algae là nhóm thực vật nằm trong sự chú ý đó vì chúng không chỉ có những cơ chế đặc thù mà còn có tốc độ sinh trưởng và phát triển cực kì nhanh. Hàng năm có khoảng 200 tỷ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên toàn thế giới trong số đó 170 – 180 tỷ tấn do tảo được tạo thành. Những điều ngày nay người ta đã biết và sẽ biết về cơ chế và sản phẩm của quá trình quang hợp là do nghiên cứu sinh lí tảo. nhờ các quá trình nghiên cứu hình thái và nghiên cứu tảo nuôi trong phòng thí nghiệm mà chúng ta biết được thành phần, sự hoạt động của nguyên sinh chất, nhu cầu dinh dưỡng của thực vật, sư lựa chọn các nguyên tố vai trò của Vitamine. Phản ứng với nguyên tố khí hiếm, sự cố định đạm và nhiều đặc điểm sinh lí khác (Prescott, 1969). Ngày nay, tảo còn có ý nghĩa kinh tế (là lương thực, sản phẩm thương nghiệp, xử lí ô nhiễm nước, hình thành các taxon, xử lí nước thải). Trong tương 4 lai sự phát triển của kĩ thuật hiển vi rộng rãi và kính hiển vi điện tử, các nhà Tảo học và Tế bào học sẽ sử dụng tảo nhiều hơn bao hết dùng làm đối tượng nghiên cứu tìm những thông tin sinh học cơ bản (Prescott, 1969). Trong một lĩnh vực khác mà ở đó sự hiểu biết về Tảo đóng vai trò hết sức quan trọng là Đầm hồ học và Đại dương học với những nghiên cứu hình thái và tác động của Tảo lên thành phần hoá học của nước và ngược lại. Sự hình thành các chất hữu cơ, thức ăn của cá tôm, những kí sinh làm chết cá tôm trực tiếp hoặc gián tiếp. Tảo là thức ăn được dùng trực tiếp cho con người, ở phương Tây được dùng trong các trang trại chăn nuôi. Cuối cùng Tảo còn có hại làm chết các gia cầm, gia súc, cá, thuỷ hải sản… bằng các chất độc hại tiết ra từ cơ thể chúng (Prescott, 1969). Trong tương lai y dược cũng như sự tìm kiếm trong y dược bao gồm cả việc nghiên cứu và thí nghiệm các tảo có thể xảy ra như việc tìm kiếm thuốc chữa bệnh ung thư, dị ứng, tảo chiết chất kháng sinh có thể thay thế Peniciline (Prescott, 1969). Trong tương lai sẽ có môn chữa bệnh dùng tảo (Algotherapia hay Phycotherapia) (Gorunov và cộng sự 1969). Không có tảo thì không có chu trình vật chất trong các thuỷ vực, không có nghề nuôi thuỷ sản, tảo không chỉ có tác dụng khép kín chu trình vật chất trong tự nhiên mà còn có tác dụng rút ngắn chu trình ấy và làm cho tốc độ vòng quay của chu trình này tăng lên. Tảo chiếm vị trí chủ chốt, nó nằm ở trái tim của thế giới sinh vật. Các nhà sinh học không bao giờ được quên chúng (Chadefaud et Emberger, 1960). Nhân loại đến với nhóm thực vật này tương đối muộn so với các nhóm sinh vật khác, đặc biệt là tảo nước ngọt. Tảo trở thành đối tượng của các cuộc thí nghiệm khoa học từ khi phát hiện và sử dụng rộng rãi kính hiển vi phức tạp. Các nhà sinh học đến với Tảo bằng sự làm quen hình thái vì chúng có vẻ đẹp đầy quyến rũ, tiếp đến là sự tìm hiểu cấu trúc, cách sinh sản nghiên cứu khảo cổ làm sáng tỏ chủng loại phát sinh từ đó ngày nay người ta đặc biệt chú ý đến nghiên cứu các đặc điểm sinh lí, sinh hoá và ứng dụng tảo trong nền kinh tế. 5 Dần dần những thí nghiệm về Tế bào học, sinh lí và sinh thái được tiến hành bổ sung cho chúng ta những kiến thức cần thiết. Từ những ý nghĩa về Tảo thông qua nghiên cứu hình thái, nghiên cứu sinh lí, sinh hoá Từ các hệ thống phân loại của các nhà nghiên cứu tiếp cận các loài vi tảo từ hình thái hình dạng, màu sắc như hệ thống của Harvey (1836) chia thành 4 ngành: Tảo Silic, tảo Lục, tảo Đỏ, tảo Nâu. Từ hình dạng màu sắc bên ngoài Smith (1933, 1950, 1962) dựa vào số lượng tế bào, sắc tố, roi, cấu trúc tế bào đã chia thành 8 ngành gồm: tảo Lục, tảo Mắt, tảo Vàng Ánh, tảo Nâu, tảo Giáp, tảo Lam, tảo Đỏ và Chloromonadophyta. Vanden Hoek (1980, 1994) dựa vào sắc tố, sản phẩm quang hợp, cấu trúc vách, cấu trúc roi, kiểu phân bào có tơ, màng bọc của lục lạp, sự liên hệ với lưới nội chất (CER) đã chia tảo thành 11 ngành. Lee ER (1999) dựa vào tế bào nhân sơ và nhân chuẩn chứa roi, sản phẩm dự trữ, kiểu phân chia tế bào chia tảo thành ngành tảo Lam (nhân sơ), tảo có nhân chuẩn, không có sự liên hệ lưới nội chất (CER) như: tảo Lục, tảo Đỏ, tảo Glaucophyta, Dinophyta, nhóm tảo nhân thực có CER như tảo Mắt, Cryptophyta, Heterokontophyta, Haptophyta. Graham LE (2000) dựa vào trình tự gen 18S chia tảo thành 9 ngành. Theo tài liệu Tảo học của Võ Hành (2007, NXB khoa học kĩ thuật Hà Nội) và các tài liệu phân loại vi tảo khác thì ở mỗi ngành tảo đều có hình thái cấu tạo đặc trưng khác nhau, từ các đặc điểm đặc trưng đó giúp cho người tìm hiểu và nghiên cứu về chúng cách nhận biết và phân loại chính xác từ đơn vị ngành đến loài và dưới loài dựa trên đặc điểm cấu tạo tế bào như: vách tế bào, cấu trúc roi, chất nhầy, sắc thể, hạt tạo bột, nhiễm sắc thể, …, dựa trên mức độ cấu trúc tản như: đơn bào, đa bào ở các dạng tập đoàn, sợi, ống. Ngoài ra khi phân loại người phân loại phải tìm hiểu kĩ về các hình thức sinh sản và chu trình sống của các loài vi tảo khác nhau để có cách đánh giá, phân loại chính xác các ngành, các loài khác nhau. Ví dụ: * Đặc điểm đặc trưng của ngành tảo Lam - tảo tiền nhân (Cyanophyta) cần quan tâm các đặc điểm: vách tế bào, có bao hay không có bao, 6 tế bào dạng sợi đơn bào hay tập đoàn, các tế bào dạng sợi thì các trichom ngăn cách thắt eo hay không, đặc điểm đầu tế bào cũng rất quan trọng để phân loại các loài, tế bào phân nhánh thật hay phân nhánh giả, có tế bào dị hình hay không và phải lưu ý đến điểm nút của nó để phân biệt với tế bào sinh dưỡng và bào tử nghỉ, đặc điểm sắc tố và vùng chất màu của tảo Lam cũng là một tiêu chí phân loại. bên cạnh đó hình thức sinh sản của tảo Lam là sinh sản vô tính khi quan sát trên kính hiển vi chúng ta cũng có thể phân biệt được như sinh sản bằng cách chia đôi tế bào sinh dưỡng, ở tảo sợi thường là sinh sản bằng đoạn trichom tách ra…Từ các đặc điểm đó dựa vào các hệ thông phân loại để phân loại đến bộ, chi, loài khác nhau. * Ở ngành Tảo đỏ (Rhodophyta) cần chú ý tế bào dạng đơn bào hay đa bào (lõi đơn trụ hay đa trụ), sắc tố tản, sản phẩm dự trữ là tinh bột thường cho màu tím khi tác dụng với KI (iotduakali), đặc điểm cầu nối giữa 2 tế bào, chu trình sống ở tảo đỏ thường là 2 pha hoặc ba pha, nguyên phân đóng, phân bào bằng khe cắt, đặc biệt là quá trình sinh sản là sinh sản hữu tính chuyên hoá cao. từ đó đi phân loại các lớp và các chi. * Ở ngành Heterokontophyta đây là một ngành lớn, mang tính tự nhiên cao, vách tế bào bằng silic đó là một đặc điểm khác với các ngành khác để phân loại. Trong cấu tạo siêu hiển vi có những đặc điểm khi phân loại cần chú ý: Các tế bào đều mang roi khác nhau, một roi dài có 2 hàng lông ở 2 bên dùng để bơi, roi ngắn không có lông dùng để lái và cảm thụ ánh sáng. Ngoài ra còn quan tâm đến cấu tạo của roi, điểm mắt, chất dự trữ,…Khi phân loại đến các bộ cần chú ý đến các đặc điểm như tập đoàn hay đơn bào, hình dạng tế bào. Chẳng hạn như tế bào hình lọ hoa sống tập đoàn dạng cây (chi Dinobryon), hay ở tảo Silic khi phân loại chúng ta cần quan tâm các đặc điểm vách tế bào, cách sắp xếp đường vân có thể là đối xứng toả tròn (Bộ Centrales) hay đối xứng 2 bên (bộ Pannales). Ngoài ra đặc điểm của rãnh sống, đường vân, số u lồi, vị trí rãnh sống, số lượng rãnh. Đặc điểm ở tảo Silic có hai hình thức sinh sản: sinh sản sinh dưỡng và sinh sản hữu tính là một tiêu chí dùng để phân loại. 7 * Ngành Dianophyta có hai roi không giống nhau khi phân loại cần chú ý đến các đặc điểm như: vành đai và vị trí của nó nằm trên vỏ, các tấm vỏ và cách sắp xếp, số lượng, hình dạng các tấm vỏ để từ đó lập công thức tấm vỏ từ đó mới phân loại được các loài thuộc ngành Dinophyta. * Để nhận biết ngành tảo Mắt cần dựa trên các tiêu chí như vách tế bào cứng, màu sắc thường là màu vàng nâu, trên đỉnh tế bào có cổ nhô lên, tế bào có 2 roi, sản phẩm dự trữ là hạt paramilon khó thay đổi dù hình dạng tế bào thay đổi… từ đó để phân biệt các loài khác nhau. * Ở ngành Chlorophyta là một ngành đa dạng nhất. Ba đặc điểm quan trong khi phân loại tảo Lục: Dựa trên cấu trúc tế bào màng roi, ở tảo lục giữa thân roi và chân roi là vùng chuyển tiếp dạng hình sao – là đặc điểm đặc trưng của Chlorophyta. Dựa vào quá trình nguyên phân (có thể là nguyên phân đóng hoặc nguyên phân mở) và phân bào. Ngoài ra một đặc điểm truyền thống, nguyên tắc cơ bản được sử dụng khi phân loại đó là đặc điểm cấu trúc hình thái của tản như: tản kiểu đơn bào có roi – monad (gặp ở Chlamydomonas), kiểu tập đoàn có roi (gặp ở Volvox, Gonium…), kiểu tập đoàn Palmelloid, kiểu Coccoid (ở Chlorococcum, Chlorella, Oocytis), kiểu sợi, kiểu bản, kiểu ống... 8 KẾT LUẬN Như vậy, nghiên cứu vi tảo từ trước đến nay dù đi sâu nghiên cứu về một lĩnh vực nào đó từ nghiên cứu sự đa dạng, ứng dụng vi tảo điều đầu tiên phải nghiên cứu hình thái vi tảo tức là dựa vào tiêu chí hình thái, từ hình thái bên ngoài đến cấu trúc siêu hiển vi, khi khoa học hiện đại phát triển vấn đề nghiên cứu vi tảo dưa trên trình tự phân tử ADN và ngày nay sự phối hợp giữa các tiêu chí có vai trò bổ trợ, đan xen nhau trong nghiên cứu. Ở một lĩnh vực nghiên cứu nào thì nghiên cứu hình thái và phân loại vi tảo giữ một vai trò quan trọng và từ đó sẽ phát triển các hướng nghiên cứ khác nhau về vi tảo đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vi tảo.