Tài liệu Hướng dẫn học và ôn tập sinh học 11

Nguyễn Viết Tuấn-Trường THPT Nam Đàn 1 Hướng dẫn học và ôn tập sinh học 11 Chương I. Chuyển hoá vật chất và năng lượng A. Chuyển hoá vật chất và năng lượng ở thực vật A1 .Trao đổi nước ở thực vật I. Mục tiêu Học xong phần A1 học sinh phải: - Trình bày được các dạng nước trong cây và vai trò của nó đối với đời sống của cây. - Mô tả được quá trình hấp thụ nước ở rễ, quá trình vận chuyển nước ở thân, quá trình thoát hơi nước ở lá và mối liên quan giữa các quá trình này với các điều kiện môi trường. - Giải thích được cơ chế của các động lực: động lực đẩy của rễ, động lực trung gian của thân, động lực hút của lá. - Trình bày được cơ sở khoa học của việc tưới nước hợp lí cho cây trồng. - Xây dựng tư duy logic về mối liên quan chặt chẽ giữa cấu trúc và chức năng của cơ thể thực vật. II. Tóm tắt nội dung Nước là yếu tố quan trọng bậc nhất đối với tất cả các cơ thể sống. Nước quyết định sự phân bố thực vật trên trái đất . Thực vật không thể sống thiếu nước. Chỉ cần giảm 30% hàm lượng nước trong tế bào là đã gây ra sự kìm hãm đáng kể những chức năng sinh lý quan trọng của cơ thể và ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng, phát triển của toàn cây. Trao đổi nước ở thực vật bao gồm quá trình hấp thụ nước ở rễ, quá trình vận chuyển nước từ rễ lên lá, quá trình thoát hơi nước từ lá ra ngoài không khí Ba quá trình này, trong điều kiện bình thường, hoạt động nhịp nhàng, liên tục, liên hệ khăng khít với nhau, tạo nên trạng thái cân bằng nước cần thiết cho sự sống của thực vật. 1. Các dạng nước trong cây và vai trò của nó - Nước tự do - Nước liên kết Vai trò: Nước tự do vẫn giữ được tính chất vật lý, hoá học và sinh học của nước nên có các vai trò sau : làm dung môi, hạ nhiệt độ bề mặt bay hơi, tham gia vào các phản ứng hoá học, tạo độ nhớt thích hợp của chất nguyên sinh cho các quá trình trao đổi chất. Nước liên kết chỉ còn giữ được vai trò cấu trúc của chất nguyên sinh và thể hiện tính chống chịu của tế bào. 2. Quá trình hấp thụ nước ở rễ Thực vật thuỷ sinh hấp thụ nước từ môi trường xung quanh qua bề mặt các tế bào biểu bì của toàn cây. Thực vật trên cạn hấp thụ nước từ đất qua bề mặt tế bào biểu bì của rễ, trong đó chủ yếu qua các tế bào biểu bì đã phát triển thành lông hút. Quá trình hấp thụ nước ở rễ xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: * Giai đoạn nước từ đất vào lông hút Để hấp thụ nước, tế bào lông hút có ba đặc điểm cấu tạo và sinh lí phù hợp với chức năng nhận nước từ đất: - Thành tế bào mỏng, không thấm cutin - Chỉ có một không bào trung tâm lớn - áp suất thẩm thấu rất cao do hoạt động hô hấp của rễ mạnh Vì vậy các dạng nước tự do và dạng nước liên kết không chặt từ đất được lông hút hấp thụ một cách dễ dàng nhờ sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu (từ áp suất thẩm thấu thấp đến áp suất thẩm thâu cao), hay nói một cách khác, nhờ sự chênh lệch về thế nước(từ thế nước cao đến thế nước thấp). * Giai đoạn nước từ lông hút vào mạch gỗ (mạch xilem) của rễ Sau khi vào tế bào lông hút, nước chuyển vận một chiều qua các tế bào vỏ, nội bì vào mạch gỗ của rễ do sự chênh lệch sức hút nước theo hướng tăng dần từ ngoài vào trong giữa các tế bào. Có hai con đường vận chuyển nước từ lông hút vào mạch gỗ: - Qua thành tế bào và các gian bào đến dải Caspary (Con đường vô bào - Apoplats ) - Qua phần nguyên sinh chất và không bào (Con đường tế bào - Symplats ) * Giai đoạn nước bị đẩy từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân Nước bị đẩy từ rễ lên thân do một lực đẩy gọi là áp suất rễ. Có hai hiện tượng minh hoạ áp suất rễ: Hiện tượng rỉ nhựa và hiện tượng ứ giọt. Úp cây trong chuông thuỷ kín, sau một đêm, ta sẽ thấy các giọt nước ứ ra ở mép lá qua thuỷ khổng. Như vậy mặc dù không khí trong chuông thuỷ tinh đã bão hoà hơi nước, nước vẫn bị đẩy từ mạch gỗ của rễ lên lá và không thoát được thành hơi nên ứ thành các giọt. 3. Quá trình vận chuyển nước ở thân * Đặc điểm của con đường vận chuyển nước từ rễ lên lá Nước được chuyển từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của lá. Con đường này dài (có thể tình bằng mét) và nước vận chuyển chủ yếu qua mạch dẫn do lực đẩy của rễ, lực hút của lá và không bị cản trở, nên nước được vận chuyển với vận tốc lớn. * Điều kiện để nước có thể vận chuyển ở con đường này: Đó là tính liên tục của cột nước, nghĩa là không có bọt khí trong cột nước. * Cơ chế đảm bảo sự vận chuyển của cột nước: Lực cố kết giữa các phân tử H2O phải lớn cùng với lực bám của các phân tử H2O với thành mạch phaỉ thắng được lực trướng (trọng lượng cột nước). 4. Quá trình thoát hơi nước ở lá Cần nắm vững ý nghĩa của quá trình thoát hơi nước ở lá trên cơ sở các số liệu sau: Trong 1000 gam nước cây hấp thụ qua rễ thì 990 gam nước thoát ra ngoài không khí qua lá dưới dạng hơi. Đó là quá trình thoát hơi nước . Macximôp - nhà Sinh lý thực vật người Nga đã viết: "thoát hơi nước là tai hoạ tất yếu của cây". 4.1. Con đường thoát hơi nước ở lá: Có hai con đường thoát hơi nước ở lá: a) Con đường qua khí khổng: - Vận tốc lớn . - Được điều chỉnh bằng việc đóng, mở khí khổng. b) Con đường qua bề mặt lá - qua cutin : - Vận tốc nhỏ . - Không được điều chỉnh. 4.2. Thoát hơi nước qua khí khổng: Mặc dù diện tích lỗ khí của toàn bộ khí khổng chỉ gần bằng 1% diện tích của lá, nhưng lượng nước thoát ra khỏi khí khổng lại lớn hơn lượng nước thoát qua bề mặt lá nhiều lần. Chú ý giải thích điều đó. 4.3. Các phản ứng đóng mở khí khổng: Quan sát sự đóng mở khí khổng, thấy rằng: Nếu chuyển cây từ trong tối ra ngoài sáng thì khí khổng mở và ngược lại. Như vậy rõ ràng là ánh sáng là nguyên nhân gây nên việc đóng mở khí khổng. Đó chính là phản ứng mở quang chủ động. Tuy nhiên một số cây khi thiếu nước (bị hạn) khí khổng cũng đóng lại để tránh sự thoát hơi nước, mặc dù cây vẫn ở ngoài sáng - đó là phản ứng đóng thuỷ chủ động. Trong trường hợp này axit apxixic (ABA) tăng lên là nguyên nhân gây ra việc đóng khí khổng. Ngoài ra có một số cây sống trong điều kiện thiếu nước (cây xương rồng, các cây mọng nước ở sa mạc) để tiết kiệm nước đến mức tối đa, khí khổng đóng hoàn toàn vào ban ngày, chỉ khi mặt trời lặn, khí khổng mới mở. Rõ ràng là: Quá trình thoát hơi nước ở lá đã tạo ra một lực hút rất lớn, kéo cột nước từ rễ lên lá. Tất nhiên cột nước này phải đảm bảo tính liên tục và tính liên tục này chỉ có thể có được khi quá trình vận chuyển nước ở thân hoạt động. Rõ ràng là một sự phối hợp hoạt động của ba quá trình này đã đưa được các phân tử nước từ đất vào rễ cây và sau đó nước được đưa lên tận ngọn cây, mặc dù cây có thể cao tới vài ba mét đến hàng trăm mét. 5. Cơ sở khoa học của việc tưới nước hợp lý cho cây trồng 5.1.Cân bằng nước và vấn đề hạn của cây trồng Cân bằng nước được hiểu như sự tương quan giữa quá trình hấp thụ nước và quá trình thoát hơi nước. Khi sự mất nước được bù lại bằng sự nhận nước đến mức cây bão hoà nước thì đó là trạng thái cân bằng nước dương, khi có sự thiếu hụt n ước trong cây thì đó là trạng thái cân bằng nước âm. ở trạng thái này cây bắt đầu thiếu nước và gọi là cây bị hạn. Vấn đề đặt ra bây giờ là phải tưới nước cho cây trồng. 5.2. Tưới nước hợp lí cho cây trồng: Để có một chế độ nước thích hợp tạo điều kiện tốt cho sinh trưởng và đạt năng suất cao của cây trồng cần phải thực hiện việc tưới nước một cách hợp lý cho chúng. Vậy thế nào là tưới nước hợp lý? Đó là việc trả lời và thực hiện cùng một lúc ba vấn đề sau: - Khi nào cần tưới nước? - Lượng nước cần tưới là bao nhiêu? - Cách tưới như thế nào? Vấn đề khi nào cần tưới nước, khoa học hiện đại ngày nay căn cứ vào các chỉ tiêu sinh lý của chế độ nước của cây trồng như : sức hút nước của lá, nồng độ hay áp suất thẩm thấu của dịch tế bào, trạng thái của khí khổng, cường độ hô hấp của lá... về lượng nước tưới phải căn cứ vào nhu cầu nước của từng loài cây, tính chất vật lý, hoá học của từng loại đất và các điều kiện môi trường cụ thể . Vấn đề cuối cùng là cách tưới nước . Vấn đề này cũng phụ thuộc vào các nhóm cây trồng khách nhau .Ví dụ: Đối với lúa n ước thì có thể tưới ngập nước còn đối với các cây trồng cạn thì nói chung cần tưới đạt 80% ẩm dung toàn phần của đất . Cách tưới nước còn phụ thuộc vào các loại đất . Ví dụ: Đối với đất cát phải tưới nhiều lần, đối với đất mặn phải t ưới nhiều nước hơn nhu cầu nước của cây, III. Câu hỏi và bài tập III. 1. Câu hỏi ôn tập Câu 1. Nêu các dạng nước trong cây và vai trò của các dạng nước trong đời sống của cây? Câu 2. Đặc điểm cấu trúc và sinh lí của lông hút liên quan đến quá trình hấp thụ nước? Câu 3. Nêu hai con đường hấp thụ nước ở rễ và vai trò của vòng đai Caspari? Câu 4. Hiểu thế nào là áp suất rễ và áp suất rễ được biểu hiện bằng các hiện tượng nào? Mô tả các hiện tượng đó . Câu 5. Nêu ý nghĩa của quá trình thoát hơi nước ở lá? III. 2. Bài tập trắc nghiệm Bài 1. Trong điều kiện nào sau đây thì sức căng trương nước ( T ) tăng: A. Đưa cây vào trong tối B. Đưa cây ra ngoài sáng C. Tưới nước cho cây D. Bón phân cho cây Bài 2. Nơi cuối cùng nước và các chất hoà tan phải đi qua trước khi vào hệ thống mạch dẫn: A. Khí khổng B. Tế bào nội bì C. Tế bào lông hút D. Tế bào biểu bì Bài 3. Một nhà Sinh học đã phát hiện ra rằng ở những thực vật đột biến không có khả năng hình thành chất tạo vòng đai Caspari thì những thực vật đó: A. không có khả năng cố định Nitơ B. không có khả năng vận chuyển nước hoặc các chất khoáng lên lá C. có khả năng tạo áp suất cao ở rễ so với các cây khác D. không có khả năng kiểm tra lượng nước và các chất khoáng hấp thụ Bài 4. Mùa hè gió mạnh thường làm gẫy nhiều cây hơn mùa đông A. vì mùa hè nước trong cây ít làm cho cành giòn hơnA B. vì mùa đông nước trong cây ít làm cành cứng hơnB C. vì mùa hè cây rụng nhiều láC D. vì mùa đông cây rụng lá, do nhiệt độ thấp cây không lấy được nước Bài 5. Dung dịch trong mạch rây ( floem ) gồm 10 - 20% chất hoà tan . Đó là chất nào trong các chất sau đây: A. Tinh bột B. Protein C. ATP D. Sacarôzơ IV. Hướng dẫn trả lời câu hỏi và bài tập III. 1. Câu hỏi ôn tập Câu 1. Nêu được hai dạng nước: nước tự do, nước liên kết và phân biệt được đặc điểm tự do, đặc điểm liên kết của hai dạng nước. Từ đó nêu vai trò của dạng nước tự do với đầy đủ vai trò của nước ở dạng phân tử, trong khi đó nước liên kết chỉ còn vai trò cấu trúc. Câu 2. Nêu 3 đặc điểm cấu trúc và sinh lí của lông hút: - Thành tế bào mỏng, không thấm cutin - Chỉ có một không bào trung tâm lớn chiếm gần hết thể tích tế bào - Áp suất thẩm thấu của tế bào lông hút rất lớn vì hoạt động hô hấp luôn luôn cao. Câu 3. Nêu được hai con đường vận chuyển nước từ lông hút vào mạch gỗ của rễ: con đường vô bào và con đường tế bào. Nêu những ưu điểm và nhược điểm của mỗi con đường: - con đường vô bào: nhận được nhiều nước, nhưng lượng nước và các chất khoáng hoà tan không được điều chỉnh và kiểm tra - con đường tế bào thì ngược lại. Từ việc phân tích trên dẫn ra vòng đai Caspari nằm trên con đường vô bào ở tế bào nội bì nhằm khắc phục nhược điểm của con đường này. Câu 4. Áp suất rễ là lực đẩy nước từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân. Ap suất rễ được biểu hiện bằng hai hiện tượngA: rỉ nhựa và ứ giọt. Mô tả hai hiện tượng này (xem SGK). Câu 5. Gợi ý trả lời: Thoát hơi nước ở lá sẽ: - Giảm nhiệt độ bề mặt lá - Lấy được CO2 phục vụ cho quá trình quang hợp - Tạo lực hút nước từ rễ lên thân III. 2. Bài tập trắc nghiệm Câu 1. A Câu 2. B Câu 3. D Câu 4. D Câu 5. D C A2. Trao đổi chất khoáng và nitơ ở thực vật I. Mục tiêu Học xong phần A2 học sinh phải: - Trình bày được các cơ chế hấp thụ chất khoáng - Giải thích được vai trò của các nguyên tố khoáng trong đời sống thực vật - Mô tả được các quá trình trao đổi nitơ trong đất, trong cây. - Giải thích được mối liên quan giữa quá trình hô hấp với quá trình trao đổi khoáng và nitơ. II. Tóm tắt nội dung 1. Sự hấp thụ các nguyên tố khoáng : Các chất khoáng ở trong đất thường tồn tại dưới dạng hoà tan và phân ly thành các ion mang điện tích dương (cation) và ion mang điện tích âm (anion) Các nguyên tố khoáng thường được hấp thụ vào cây dưới dạng ion qua hệ thống rễ là chủ yếu. Có hai cách hấp thụ các ion khoáng ở rễ: * Cách bị động : - Các ion khoáng khuyếch tán theo sự chênh lệch nồng độ từ cao đến thấp. - Các ion khoáng hoà tan trong nước và vào rễ theo dòng nước. - Các ion khoáng hút bám trên bề mặt các keo đất và trên bề mặt rễ trao đổi với nhau khi có sự tiếp xúc giữa rễ và dung dịch đất. Cách này gọi là hút bám trao đổi. * Cách chủ động : Phần lớn các chất khoáng được hấp thụ vào cây theo cách chủ động này. Tính chủ động ở đây được thể hiện ở tính thấm chọn lọc của màng sinh chất và các chất khoáng cần thiết cho cây đều được vận chuyển trái với qui luật khuyếch tán, nghĩa là nó vận chuyển từ nơi có nồng độ thấp ở đất đến nơi có nồng độ cao, thậm chí rất cao (hàng chục, hàng trăm lần) ở rễ. Vì cách hấp thụ khoáng này mang tính chọn lọc và ngược với gradient nồng độ nên cần thiết phải có năng lượng, tức là sự tham gia của ATP và của một chất trung gian , thường gọi là chất mang. ATP và chất mang được cung cấp từ quá trình trao đổi chất, mà chủ yếu là quá trình hô hấp. Như vậy lại một lần nữa chúng ta thấy rằng: Quá trình hấp thụ nước và các chất khoáng đều liên quan chặt chẽ với quá trình hô hấp của rể. 2. Vai trò của các nguyên tố khoáng *Vai trò của các nguyên tố đa lượng: Các nguyên tố đa lượng thường đóng vai trò cấu trúc trong tế bào, là thành phần của các đại phân tử trong tế bào (protein, lipit, axit nucleic,...). Các nguyên tố đa lượng còn ảnh hưởng đến tính chất của hệ thống keo trong chất nguyên sinh như: điện tích bề mặt, độ ngậm nước, độ nhớt và độ bền vững của hệ thống keo. *Vai trò của các nguyên tố vi lượng: Các nguyên tố vi lượng thường là thành phần không thể thiếu được hầu hết các enzym. Chúng hoạt hoá cho các enzym này trong các quá trình trao đổi chất của cơ thể. Vai trò của các nguyên tố đa lượng, vi lượng được minh hoạ ở bảng sau : 3. Các con đường dẫn truyền nước, chất khoáng, chất hữu cơ Quan niệm hiện nay vẫn cho rằng có hai con đường dẫn truyền: 1. Nước, muối khoáng từ rễ lên lá theo mạch gỗ (xilem). 2. Các chất hữu cơ từ lá xuống rễ theo mạch rây (phlôem). Tuy nhiên hai con đường này không hoàn toàn độc lập với nhau. Chẳng hạn nước có thể từ mạch gỗ sang mạch rây và từ mạch rây về mạch gỗ tuỳ theo thế nước trong mạch rây. 4. Trao đổi nitơ ở thực vật 4.1. Vai trò của Nitơ đối với thực vật: Rể cây hấp thụ Nitơ ở hai dạng: Nitơ nitrat (NO3-) và Nitơ amôn (NH4+) trong đất. Các dạng Nitơ này được hình thành do sự biến đổi từ Nitơ phân tử trong khí quyển bằng con đường oxy hoá và con đường khử, trong đó con đường cố định Nitơ khí quyển đóng vai trò quan trọng. Ngoài ra các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ của vi sinh vật đất và lượng phân bón hàng năm đã cung cấp một lượng khá lớn Nitơ cho cây trồng. Nitơ có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng và do đó nó quyết định năng suất và chất lượng thu hoạch. Nitơ có trong thành phần của hầu hết các chất trong cây: protein, axit nucleic, các sắc tố quang hợp, các hợp chất dự trữ năng lượng: ADP, ATP, các chất điều hoà sinh trưởng. Như vậy Nitơ vừa có vai trò cấu trúc, vừa tham gia trong các quá trình trao đổi chất và năng lượng. Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng. 4.2. Quá trình cố định nitơ khí quyển Nitơ phân tử (N2) có một lượng lớn trong khí quyển (%)và mặc dù "tắm mình trong biển khí nitơ" phần lớn thực vật vẫn hoàn toàn bất lực trong việc sử dụng khi nitơ này. May mắn thay nhờ có Enzym Nitrogenaza và lực khử mạnh (Fred-H2, FAD-H2, NADH2), một số vi khuẩn sống tự do và cộng sinh đã thực hiện được việc khử N2 thành dạng nitơ cây có thể sử dụng được: NH4+. Đó chính là quá trình cố định nitơ khí quyển, thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn tự do (Azôtobacterium, Closterium, Anabaena, Nostoc,...) và các vi khuẩn cộng sinh (Rhizobium trong nốt sần rễ cây Bộ Đậu, Anabaena azolleae trong cây dương xỉ -Azolla: bèo hoa dâu) theo cơ chế sau: Các vi khuẩn tự do có thể cố định hàng chục kilogam NH4+, còn các vi khuẩn cộng sinh có thể cố định hàng trăm kilogam NH4+/ha/năm. 4.3. Quá trình biến đổi Nitơ trong cây * Quá trình Amôn hóa: NO3- => NH4+ Cây hút được từ đất cả hai dạng nitơ oxy hóa (NO3-) và nitơ khử ( NH4+), nhưng cây chỉ cần dạng NH4+ để hình thành các axit amin nên việc trước tiên mà cây phải làm là việc biến đổi dạng NO3- thành dạng NH4+. Quá trình amôn hoá xảy ra theo các bước sau đây: NO3- ---> NO2- ---> NH4+ * Quá trình hình thành axit amin: Quá trình hô hấp của cây tạo ra các xêtoaxit (R-COOH), và nhờ quá trình trao đổi nitơ các xêto axit này có thêm gốc NH2 để thành các axit amin. Có 4 phản ứng để hình thành các axit amin và sau đó có các phản ứng chuyển amin hóa để hình thành 20 axit amin và từ các axit amin này thực vật có thể tạo vô vàn các protein và các hợp chất thứ cấp khác của thực vật. Sau đây là các phản ứng khử amin hoá để hình thành các axit amin: - xetoglutaric + NH2 = glutamin axit pyruvic + NH2 = alanin axit fumaric + NH2 = aspartic axit oxaloaxetic + NH2 = aspartic 4.4. Vấn đề bón phân hợp lý cho cây trồng Theo sự tính toán của các nhà Sinh lí thực vật, phân bón quyết định 50% năng suất cây trồng. Vì vậy vấn đề bón phân hợp lí cho cây trồng là vấn đề hết sức quan trọng trong nông nghiệp. Cũng như vấn đề tưới nước hợp lí, vấn đề bón phân hợp lí cho cây trồng cũng phải trả lời và thực hiện bốn vấn đề sau: Bón bao nhiêu, bón khi nào, bón thế nào và bón phân gì? a) Về lượng phân bón phải căn cứ vào các yếu tố sau đây: - Nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng (lượng chất dinh dưỡng để hình thành một đơn vị thu hoạch). - Khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất. - Hệ số sử dụng phân bón. Dựa vào các yếu tố này ta có thể tính được lượng phân bón cần thiết cho một thu hoạch định trước. Hãy tính lượng phân bón nitơ cần thiết để có một thu hoạch 50 tạ thóc /ha? Biết rằng: Nhu cầu dinh dưỡng của lúa là: 1, 4 kg nitơ / tạ thóc, lượng chất dinh dưỡng còn lại trong đất bằng 0, hệ số sử dụng phân nitơ là 60%. Cách tính như sau: Lượng nitơ cần phải bón: (1,4 . 50 . 100)/60 = 116, 7 kg Nitơ b) Về thời kì bón phân phải căn cứ vào các quá trình sinh trưởng của mỗi loại cây trồng c) Về cách bón phân: bón lót (bón trước khi trồng), bón thúc (bón trong quá trình sinh trưởng của cây) và có thể bón phân qua đất hoặc bón phân qua lá. d) Việc bón phân gì phải căn cứ vào vai trò của mỗi loại phân bón và biểu hiện của cây khi thiếu dinh dưỡng. III. Câu hỏi và bài tập III. 1. Câu hỏi ôn tập Câu 1. Trình bày cơ chế hấp thụ khoáng và nêu sự khác nhau của các cơ chế này? Câu 2. Nêu vai trò chung và vai trò của một số nguyên tố đại lượng N, P, K, Mg, S, Ca ? Câu 3. Nêu vai trò chung và vai trò của một số nguyên tố vi lượng Fe, Co, B ? Câu 4. Trình bày quá trình cố định nitơ khí quyển? Câu 5. Nêu các quá trình biến đổi nitơ trong cây? III. 2. Bài tập trắc nghiệm 1. Các nguyên tố vi lượng cần cho cây với một lượng rất nhỏ vì: A. Phần lớn chúng đã có trong cây B. Chức năng chính của chúng là hoạt hoá enzymB C. Phần lớn chúng được cung cấp từ hạt D. Chúng có vai trò trong các hoạt động sống của cơ thể 2. Phần lớn các chất hữu cơ trong cây được tạo nên từ: A. Nước B. CO2 C. Các chất khoáng từ đất D. O2 từ không khí 3. Quá trình cố định Nitơ: A. thực hiện chỉ ở thực vật B. là quá trình oxyhoá N2 trong không khí C. thực hiện nhờ enzym nitrogenaza D. dễ thực hiện bởi N2 là bản thể có hoạt tính cao 4. Quá trình khử Nitrat ( NO3- ): A. thực hiện chỉ ở thực vật B. thực hiện ở ty thể C. thực hiện bởi enzym nitrogenaza D. bao gồm phản ứng khử nitrit - > nitrat 5. Trong các nốt sần ở rễ, các vi khuẩn cố định nitơ lấy từ cây chủ: A. nitơ hoà tan trong nhựa cây B. oxy hào tan trong nhựa cây C. nitrat D. đường IV. Trả lời câu hỏi và bài tập IV. 1. Câu hỏi ôn tập Câu 1. Nêu được hai cơ chế hấp thụ khoáng: cơ chế bị động và cơ chế chủ động với các hình thức như đã nêu trong SGK. Phân biệt sự khác nhau giữa hai cơ chế: Cơ chế bị động chủ yếu theo cơ chế khuếch tán và không cần năng lượng. Cơ chế chủ động là cơ chế hấp thụ các chất ngược với gradien nồng độ, do đó đòi hỏi cung cấp năng lượng và đôi khi cả các chất trung gian (chất mang) Câu 2. Nêu vai trò chung của các nguyên tố đại lượng: là thành phần của các đại phân tử trong tế bào, tham gia vào cấu trúc của các thành phần của tế bào, mô, cơ quan, cơ thể. Vai trò của các chất cụ thể: trả lời theo các kiến thức trình bày trong SGK, cần lưu ý vai trò đặc trưng của từng nguyên tố. Ví dụ: N là thành phần của chất diệp lục, thành phần quan trọng trong hợp chất protein, axit nucleic. P là thành phần quan trọng trong các chất dự trữ năng lượng và trong axit nucleic. K có vai trò chủ yếu trong việc cân bằng nước và ion. Mg là thành phần của chất diệp lục. Ca là thành phần quan trọng của thành tế bào. S là thành phần của một số axit amin quan trọng như xistin, xistein, metionin. Câu 3. Vai trò chung của các nguyên tố vi lượng: Dựa vào các kiến thức trong SGK để trả lời. Chú ý đến vai trò tham gia vào quá trình trao đổi chất với tư cách là thành phần của các coenzim và hoạt hoá enzim. Một số nguyên tố cụ thể: Fe có vai trò hoạt hoá enzim tổng hợp chất diệp lục. Co tham gia hoạt hoá enzim nitrogenaza. B tham gia hoạt hoá enzim auxin - oxidaza. Câu 4. - Nêu được hai nhóm vi khuẩn cố định nitơ khí quyển - Nêu được 4 điều kiện cố định nitơ khí quyển - Nêu cơ chế cố định nitơ khí quyển - cơ chế khử Câu 5. - Nêu quá trình khử nitrat với các lực khử NADH và FedH2 - Nêu quá trình đồng hoá nhóm NH4+ để hình thành axit amin với 4 phản ứng khử amin hoá và amin hoá. IV. 2. Bài tập trắc nghiệm Câu 1. B Câu 2. B Câu 3. C Câu 4. A Câu 5. D A3. Quang hợp I. Mục tiêu Học xong phần A3, học sinh phải: - Trình bày được khái niệm và vai trò của quang hợp - Giải thích được mối liên quan chặt chẽ giữa chức năng và bộ máy quang hợp - Phân biệt và so sánh được sự giống nhau và khác nhau về các con đường cố định CO2 ở các nhóm thực vật C3, C4, CAM - Giải thích được các ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến quang hợp - Liên hệ và vận dụng được giữa lí luận với thực tiễn vấn đề điều khiển chức năng quang hợp với mục đích nâng cao năng suất cây trồng II. Tóm tắt nội dung 1.Khái niệm về quang hợp 1.1. Định nghĩa: Phương trình quang hợp được viết như sau: 6 CO2 + 6 H2O ----A/s, Sắc tố ----> C6H12O6 + 6O2 Người ta thường dựa vào phương trình quang hợp này để định nghỉa quá trình quang hợp của thực vật. Quang hợp là quá trình cây xanh hấp thụ năng lượng ánh sáng bằng hệ sắc tố của mình và sử dụng năng lượng này để tổng hợp chất hữu cơ (đường glucôzơ) từ các chất vô cơ (CO2 và H2O). 1.2. Vai trò của quá trình quang hợp Chúng ta có thể khẳng định một cách chắc chắn rằng: Quang hợp là một quá trình mà tất cả sự sống trên trái đất này đều phụ thuộc vào nó và chứng minh điều khẳng định này bằng ba vai trò của quá trình quang hợp sau đây: a) Quang hợp tạo ra hầu như toàn bộ các chất hữu cơ trên trái đất. Ngoài quá trình quang hợp ở cây xanh và ở một số vi sinh vật quang hợp, nói chung không có một sinh vật nào có thể tự tạo được chất hữu cơ (trừ một số rất ít vi sinh vật hoá tự dưỡng). Vì vậy người ta gọi thực vật và một số vi sinh vật quang hợp là các sinh vật quang tự dưỡng và luôn đứng đầu chuỗi thức ăn trong các hệ sinh thái. Động vật lấy thức ăn trực tiếp từ thực vật. Nhu cầu ăn, mặc, ở của con người được cung cấp gián tiếp (qua động vật) và trực tiếp từ thực vật. b) Hầu hết các dạng năng lượng sử dụng cho các quá trình sống của các sinh vật trên trái đất (năng lượng hoá học tự do - ATP ) đều được biến đổi từ năng lượng ánh sáng mặt trời (năng lượng lượng tử) do quá trình quang hợp. c) Quang hợp giữ trong sạch bầu khí quyển: Hàng năm quá trình quang hợp của các cây xanh trên trái đất đã hấp thụ 600 tỉ tấn khí CO2 và giải phóng 400 tỉ tấn khí O2 vào khí quyển. Nhờ đó tỉ lệ CO2 và O2 trong khí quyển luôn được giữ cân bằng (CO2: 0,03%, O2: 21%), đảm bảo cuộc sống bình thường trên trái đất. 1.3. Bản chất hoá học và khái niệm hai pha của quang hợp: Trên cơ sở các thí nghiệm: - Chiếu sáng nhấp nháy - Ánh sáng và nồng độ CO2 - Đo hệ số nhiệt Q10 Đã xác định: quang hợp gồm quá trình oxy hoá H2O nhờ năng lượng ánh sáng. Đây là giai đoạn gồm các phản ứng cần ánh sáng, phụ thuộc vào ánh sáng, gọi là pha sáng của quang hợp. Pha sáng hình thành ATP, NADPH và giải phóng O2. Tiếp theo là quá trình khử CO2 nhờ ATP và NADPH do pha sáng cung cấp. Đây là giai đoạn gồm các phản ứng không cần ánh sáng, nhưng phụ thuộc vào nhiệt độ, gọi là pha tối của quang hợp. Pha tối hình thành các hợp chất hữu cơ, bắt đầu là đường glucôzơ. 2. Bộ máy quang hợp 2.1. Lá- Cơ quan quang hợp Hình thái, cấu trúc của lá liên quan đến chức năng quang hợp. - Lá dạng bản và có đặc tính hướng quang ngang - Lá có một hoặc hai lớp mô giậu ở mặt trên và mặt dưới lá ngay sát lớp biểu bì chứa lục lạp thực hiện chức năng quang hợp - Lá có lớp mô khuyết với khoảng gian bào lớn, nơi chứa nguyên liệu quang hợp - Lá có hệ thống mạch dẫn dày đặc để dẫn sản phẩm quang hợp đi các cơ quan khác - Lá có hệ thống khí khổng ở cả mặt trên và mặt dưới để trao đổi khí trong quá trình quang hợp 2.2. Lục lạp -bào quan thực hiện chức năng quang hợp Cấu trúc của lục lạp thích ứng với việc thực hiện hai pha của quang hợp: pha sáng thực hiện trên cấu trúc hạt, pha tối thực hiện trên thể nền. 2.3. Hệ sắc tố quang hợp: - Nhóm sắc tố chính - clorophin. + Clorophin a: C55H72O5N4Mg + Clorophin b: C55H70O6N4Mg - Nhóm sắc tố phụ - Carotenoid + Caroten: C40H56 + Xanthophin: C40H56O(1-6) - Nhóm sắc tố của thực vật bậc thấp - phycobilin: + Phycoerythrin: C34H47N4O8 + Phycoxyanin: C34H42N4O9 Vai trò của các nhóm sắc tố trong quang hợp: a). Nhóm Clorophin hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng đỏ và vùng xanh tím chuyển năng lượng thu được từ các phôton ánh sáng cho quá trình quang phân ly H2O và cho các phản ứng quang hóa để hình thành ATP và NADPH b). Nhóm Carotenoit sau khi hấp thụ ánh sáng, đã truyền năng lượng thu được dưới dạng huỳnh quang cho Clorophin c). Nhóm Phycobilin hấp thụ ánh sáng ở vùng sóng ngắn, sóng có thể tới được nơi sinh sống của rong, rêu, tảo,…( dưới tán rừng hoặc dưới các lớp nước sâu) 3. Cơ chế quang hợp 3.1. Pha sáng Trong pha này hệ sắc tố thực vật hấp thụ năng lượng của các phôtôn ánh sáng và sử dụng năng lượng này cho các quá trình: quang hoá sơ cấp, quang phân li nước và photphorin hoá quang hoá. Có thể tóm tắt pha sáng bằng các phản ứng sau: 1. Phản ứng kích thích chlorophin: chl + h√ = chl* = chln (ch l- trạng thái bình thường, chl* - trạng thái kích thích, chln - trạng thái bền thứ cấp). 2. Phản ứng quang phân li nước: 4 chl* + 2 H2O ↔ 4chlH+ + 4e + O2 3. Phản ứng quang hoá sơ cấp 3 (được thực hiện bằng hai hệ quang hoá PSI và PSII) và photphorin hoá quang hoá: 12H2O +18ADP + 18Pv + 12NADP => 18ATP + 12NADPH2 +6O2 3.2.Pha tối Trong pha này ATP và NADPH hình thành từ pha sáng được sử dụng để khử CO2 tạo ra chất hữu cơ đầu tiên - đường glucôzơ. Pha tối được thực hiện bằng ba chu trình ở ba nhóm thực vật khác nhau: thực vật C3, thực vật C4 và thực vật CAM (viết tắt từ cụm từ Crassulacean Acid Metabolism - trao đổi acit ở họ Thuốc bỏng). Như vậy quang hợp ở các nhóm thực vật C3, C4 và CAM đều có một điểm chung là giống nhau ở pha sáng, chúng chỉ khác nhau ở pha tối - tức là pha cố định CO2 và tên gọi thực vật C3, C4 là gọi theo sản phẩm cố định CO2 đầu tiên, còn thực vật CAM là gọi theo đối tượng thực vật có con đường cố định CO2 này. 1. Con đường cố định CO2 ở thực vật C3 2. Con đường cố định CO2 ở thực vật C4 3. Con đường cố định CO2 ở thực vật CAM 4. ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến Quang hợp Quang hợp là quá trình cơ bản trong hoạt động sống của cơ thể thực vật, có quan hệ mật thiết với tất cả các quá trình trao đổi chất khác của cơ thể và chịu ảnh hưởng liên tục của nhân tố môi trường. 4.1. Quang hợp và nồng độ CO2. CO2 trong không khí là nguồn cung cấp cacbon cho quang hợp. Nồng độ CO2 trong không khí quyết định vận tốc của quá trình quang hợp. a) Điểm bù CO2: Nồng độ CO2 tối thiểu để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau. b) Điểm bão hoà CO2: Nồng độ CO2 tối đa để cường độ quang hợp đạt cao nhất. 4.2. Quang hợp và cường độ, thành phần quang phổ ánh sáng Trong các yếu tố môi trường liên quan đến quang hợp, ánh sáng là yếu tố cơ bản để tiến hành quang hợp. Trong mối liên quan này, cần lưu ý hai khái niệm: a) Điểm bù ánh sáng: Cường độ ánh sáng tối thiểu để cường độ quang hợp và hô hấp bằng nhau. b) Điểm bão hoà ánh sáng: Cường độ ánh sáng cực đại để cường độ quang hợp đạt cực đại. Về thành phần quang phổ ánh sáng: Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa cường độ quang hợp và thành phần quang phổ ánh sáng và thấy rằng: Nếu cùng một cường độ chiếu sáng thì ánh sáng đơn sắc màu đỏ sẽ có hiệu quả quang hợp lớn hơn ánh sáng đơn sắc màu xanh tím. 4.3. Quang hợp và nhiệt độ Hệ số nhiệt Q10 đối với pha sáng là: 1,1- 1,4, đối với pha tối là: 2-3. Như vậy cường độ quang hợp phụ thuộc rất chặt chẽ vào nhiệt độ. Sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và quang hợp theo chiều hướng như sau: khi nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp tăng rất nhanh và thường đạt cực đại ở 25 - 350C rồi sau đó giảm mạnh đến 0. 4.4. Quang hợp và nước Vai trò của nước đối với quang hợp có thể tóm tắt như sau: - Hàm lượng nước trong không khí, trong lá ảnh hưởng đến quá trình thoát hơi nước, do đó ảnh h ưởng đến độ mở khí khổng, tức là ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ CO2 vào lục lạp. - Nước ảnh hởng đến tốc độ sinh trưởng và kích thước của bộ máy đồng hoá. - Nước ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển các sản phẩm quang hợp - Hàm lượng nước trong tế bào ảnh hưởng đến độ hidat hoá của chất nguyên sinh và do đó đến điều kiện làm việc của hệ thống enzim quang hợp - Quá trình thoát hơi nước đã điều hoà nhiệt độ của lá, do đó ảnh hưởng đến quang hợp - Sau cùng nước là nguyên liệu trực tiếp cho quang hợp với việc cung cấp H+ và e cho phản ứng sáng. 5.5. Quang hợp và dinh dưỡng khoáng Chú ý học theo sơ đồ minh hoạ trong SGK 5. Quang hợp và năng suất cây trồng 5.1. Quang hợp quyết định năng suất cây trồng Người ta đã chứng minh được rằng: Quang hợp là quá trình cơ bản quyết định năng suất cây trồng. Phân tích thành phần hoá học trong sản phẩm thu hoạch của cây trồng ta sẽ có các số liệu sau: C: 45%, O: 42-45%, H: 6,5% chất khô. Tổng ba nguyên tố này chiếm 90-95% khối lượng chất khô. Phần còn lại: 5-10% là các nguyên tố khoáng. Rõ ràng là 90-95% sản phẩm thu hoạch của cây lấy từ CO2 và H2O thông qua hoạt động quang hợp. Chính vì vậy chúng ta có thể khẳng định rằng: Quang hợp quyết định 9095% năng suất cây trồng. Timiriazev-nhà Sinh lí thực vật người Nga đã viết: " Bằng cách điều khiển chức năng quang hợp, con ngời có thể khai thác cây xanh vô hạn ". Trồng trọt đúng là một hệ thống sử dụng chức năng cơ bản của cây xanh - chức năng quang hợp và tất cả các biện pháp kĩ thuật của hệ thống trồng trọt đều nhằm mục đích sao cho mọi hoạt động của bộ máy quang hợp có hiệu quả nhất. Có thể nói: Trồng trọt chính là ngành kinh doanh năng lượng mặt trời. 5.2. Các biện pháp nâng cao năng suất cây trồng thông qua quang hợp Đã có nhiều nghiên cứu làm sáng tỏ mối quan hệ giữa hoạt động của bộ máy quang hợp và năng suất cây trồng. Nhitriporovich - nhà Sinh lí thực vật người Nga đã đưa ra biểu thức năng suất cho mối quan hệ này: Nkt = (FCO2.L.Kf .Kkt)n Nkt : năng suất kinh tế -phần chất khô tích luỹ trong cơ quan kinh tế FCO2: khả năng quang hợp gồm: cường độ quang hợp (mg CO2/dm2 lá.giờ) và hiệu suất quang hợp (gam chất khô/m2lá.ngày). L: diện tích quang hợp, gồm chỉ số diện tích lá (m2 lá/m2 đất) và thế năng quang hợp (m2 lá.ngày). Kf: hệ số hiệu quả quang hợp - tỷ số giữa phần chất khô còn lại và tổng số chất khô quang hợp được. Kkt: hệ số kinh tế - tỷ số giữa số chất khô tích luỹ trong cơ quan kinh tế và tổng số chất khô quang hợp được. n: thời gian hoạt động của bộ máy quang hợp. Từ biểu thức trên chúng ta thấy rằng: năng suất cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Khả năng quang hợp của giống cây trồng (FCO2). - Nhịp điệu sinh trưởng của bộ máy quang hợp (L). - Khả năng tích luỹ chất khô vào cơ quan kinh tế (Kf, Kkt). - Thời gian hoạt động của bộ máy quang hợp (n). Như vậy các biện pháp kĩ thuật nhằm nâng cao năng suất cây trồng chính là các biện pháp nhằm: - Tăng cường độ và hiệu suất quang hợp bằng chọn giống, lai tạo giống mới có khả năng quang hợp cao . - Điều khiển sự sinh trưởng của diện tích lá bằng các biện pháp kĩ thuật như bón phân, tưới nước hợp lí. - Nâng cao hệ số hiệu quả quang hợp và hệ số kinh tế bằng chọn giống và các biện pháp kĩ thuật thích hợp - Chọn các giống cây trồng có thời gian sinh trưởng vừa phải hoặc trồng vào thời vụ thích hợp để cây trồng sử dụng được tối đa ánh sáng mặt trời cho quang hợp . 5.3. Triển vọng của năng suất cây trồng Trên quan điểm quang hợp, muốn tăng năng suất cây trồng, chúng ta phải điều khiển quần thể quang hợp cả ba mặt: thành phần tạo nên quần thể, cấu trúc của quần thể và hoạt động của quần thể, sao cho có hiệu quả nhất. Trong thực tế sản xuất, người ta đã nghiên cứu tạo ra các quần thể quang hợp có năng suất rất cao như quần thể quang hợp của vi tảo Chlorella, quần thể quang hợp tối ưu của thực vật trong điều kiện khí hậu nhân tạo. Các hệ quang hợp này đã sử dụng được 5% ánh sáng mặt trời và cho năng suất khoảng 125 tạ /ha (vùng ôn đới v), 250 tạ / ha (vùng nhiệt đới v), trong khi hầu hết các quần thể cây trồng, kể cả quần thể rừng nhiệt đới chỉ mới sử dụng được 0,5 - 2,5% ánh sáng mặt trời và cho năng suất khoảng 50 tạ / ha. Trong tương lai với sự tiến bộ của các phương pháp chọn, lai tạo giống mới, với sự hoàn thiện các biện pháp kĩ thuật canh tác, chắc chắn việc nâng cao năng suất cây trồng ở một đất nước giầu ánh sáng như nước ta sẽ có triển vọng rất to lớn III. Câu hỏi và bài tập III. 1. Câu hỏi ôn tập 1. Vì sao nói: Quang hợp là quá trình oxi hoá khử? 2. Nêu vai trò của quang hợp? 3. Trong màng thylacoit của lục lạp có 2 hệ thống quang hoá3: PS I và PS II a) PS I hay PS II hoặc cả hai chứa sắc tố hấp thụ ánh sáng. Đó là những nhóm sắc tố nào? b) Quang phân ly H2O xảy ra ở đâu, sản phẩm của chúng là gì ? Sản phẩm nào được sử dụng cho phản ứng sáng? c) Một số vi khuẩn quang hợp không có quá trình quang phân ly H2O mà phân huỷ các hợp chất khác. Hãy chọn một hợp chất đúng trong các hợp chất sau đây: H2S,CH4,Na2SO4,C2H4 4. Cây cối có thể điều chỉnh số lượng và chất lượng ánh sáng chiếu vào nó được không? Bằng cách nào? 5. Khi đo cường độ quang hợp của cây trồng vùng nhiệt đới người ta thấy có hiện cường độ quang hợp giảm vào buổi tra. Hãy giải thích hiện tợng này. III. 2. Bài tập trắc nghiệm 1. I. Sinh vật tự dưỡng cũng là sinh vật quang dưỡng II. Chỉ khoảng 1% tổng số ánh sáng chiếu xuống mặt đất được sử dụng cho quang hợp III. Chất lượng và cờng độ ánh sáng thay đổi theo chiều thẳng đứng của tán cây rừng IV. Cường độ và chất lượng ánh sáng thay đổi theo chiều thẳng đứng của cột nước. Tổ hợp nào dưới đây là đúng: A. I , III , IV B. II , III , IV C. III , IV D. I , II, III, IV 2. A. B. C. D. Chu trình Canvin -Benson : xảy ra vào ban đêmA tổng hợp glucôzơB giải phóng CO2C giải phóng O2 3. Lợi thế của thực vật C4: A. cần ít lượng tử ánh sáng để cố định 1 ptg CO2 B. xảy ra ở điều kiện nồng độ CO2 thấp hơn so với thực vật C3 C. sử dụng nước một cách kinh tế hơn thực vật C3 D. đòi hỏi ít dinh dưỡng hơn E. sử dụng ít ATP hơn trong pha tối so với thực vật C3 4. Các chất dưới đây đều có màu . Đối với chất nào thì màu sắc không liên quan trực tiếp đến chức năng của nó? A. Chlorophyll B. Phytocrom C. Cytocrom D. Hemoglobin E. Tất cả các chất trên 5. Một cây C3 và một cây C4 được đặt trong cùng một chiếc chuông thuỷ tinh kín dưới ánh sáng. Nồng độ CO2 thay đổi thế nào trong chuông thuỷ tinh? A. không thay đổi B. giảm đến điểm bù CO2 của cây C3 C. giảm đến điểm bù CO2 của cây C4 D. tăng E. giảm tới dưới điểm bù CO2 của cây C4. 6. NADPH có vai trò gì trong quang hợp: A. cùng với chlorophyll hấp thụ năng lượng ánh sáng B. nhận e đầu tiên của pha sáng C. thành viên trong chuỗi truyền e để hình thành ATP D. cùng với PSII giúp quá trình quang phân ly nước E. mang e đến chu trình Canvin - Benson 7. Chu trình Canvin -Benson không phụ thuộc trực tiếp vào ánh sáng, nhưng không xảy ra vào ban đêm, vì sao ? A. ban đêm nhiệt độ thấp không thích hợp với các phản ứng hoá học B. nồng độ CO2 thường giảm vào ban đêm C. chu trình Canvin -Benson phụ thuộc vào các sản phẩm của pha sáng D. thực vật thường mở khí khổng vào ban đêm E. ban đêm thực vật không hình thành nớc cần cho chu trình Canvin -Benson. 8. Thực vật chịu hạn mất một lượng nước tối thiểu bởi vì: A. sử dụng con đường CAM B. giảm độ dày của lớp cutin lá C. vòng caspary phát triển giữa lá và cành D. có khoảng chứa nước lớn trong lá E. sử dụng con đường C3 9. Trong quang hợp của thực vật C4 A. APG là sản phẩm cố định CO2 đầu tiên B. RuBiSCO xúc tác cho quá trình trên C. Axit 4C được hình thành bởi PEP -cacboxylaza ở tế bào bao bó mạch D. quang hợp xảy ra trong điều kiện nồng độ CO2 thấp hơn so với thực vật C3 E. CO2 được tách từ RiDP chuyển đến phản ứng với PEP 10. Pha sáng của quang hợp sẽ cung cấp cho pha tối: A. năng lượng ánh sáng B. CO2 C. H2O D. ATP và NADPH E. O2 11. Photon của bước sóng nào giầu năng lượng nhất: A. xanh lục B. vàng C. xanh tím D. da cam E. đỏ 12. Khi nhiệt độ cao, lượng oxy hoà tan cao hơn CO2 trong lục lạp, cây nào dưới đây