Khái quát về trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở sinh vật SVIP

I. Vai trò của trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng đối với sinh vật

Trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng có vai trò quan trọng đối với mọi hoạt động của cơ thể sống, đảm bảo cho sinh vật tồn tại và phát triển.

• Cung cấp nguyên vật liệu cho sự hình thành chất sống, cấu tạo nên tế bào, mô, cơ quan, hệ cơ quan và cơ thể sinh vật. Ví dụ: Lipid trong thức ăn cung cấp nguyên liệu cho việc xây dựng màng tế bào.
• Cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của sinh vật như vận động, cảm ứng, sinh trưởng và phát triển, sinh sản,... Ví dụ: Chất hữu cơ trong thức ăn chuyển hoá thành ATP cung cấp năng lượng cho hoạt động bơi lội.
• Bài tiết các chất dư thừa, chất độc hại ra ngoài môi trường nhằm đảm bảo hoạt động sống bình thường của cơ thể. Ví dụ: Cơ thể bài tiết muối, urea, uric acid,.. ra ngoài môi trường.

II. Các dấu hiệu đặc trưng của trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở sinh vật

1. Thu nhận các chất từ môi trường và vận chuyển các chất trong cơ thể

Sinh vật thường xuyên thu nhận các chất từ môi trường và vận chuyển đến các bộ phận trong cơ thể.

Ví dụ: Ở thực vật, lá hấp thụ khí CO₂ từ không khí và sử dụng năng lượng ánh sáng để quang hợp, cùng với nguồn nước và muối khoáng do rễ hấp thụ, được mạch gỗ vận chuyển lên lá tham gia tổng hợp nên các chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể, sau đó, các chất hữu cơ được mạch rây vận chuyển đến các bộ phận khác nhau của cây.

Ví dụ: Ở động vật có xương sống, thức ăn và nước uống được đưa vào hệ tiêu hóa, O₂ được hấp thụ nhờ hệ hô hấp, các chất dinh dưỡng được vận chuyển đến tế bào nhờ hệ tuần hoàn.

2. Biến đổi các chất và chuyển hóa năng lượng

Trong cơ thể sinh vật, các chất được biến đổi qua quá trình tổng hợp và phân giải, đồng thời tích luỹ và giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống.

Ví dụ: Ở thực vật, năng lượng từ ánh sáng được tích luỹ trong các chất hữu cơ tổng hợp nhờ quang hợp, sau đó các chất hữu cơ được phân giải trong quá trình hô hấp để giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống.

Ví dụ: Ở động vật, các chất dinh dưỡng được tạo ra từ quá trình tiêu hoá được hấp thụ và tổng hợp thành các chất cần thiết, đồng thời tích luỹ năng lượng.

3. Thải các chất ra môi trường

Các chất không cần thiết, dư thừa và chất độc hại tạo ra từ quá trình trao đổi chất được bài tiết ra khỏi cơ thể.

Ví dụ: Thực vật ngập mặn thải lượng muối thừa qua các mô tiết ở lá.

4. Điều hòa

Quá trình trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng luôn được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu của cơ thể thông qua hệ thần kinh (ở động vật) hoặc hormone (ở cả động vật và thực vật).

Ví dụ: Khi gặp điều kiện khô hạn, cơ thể thực vật tổng hợp abscisic acid gây ức chế trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng (cây rụng lá,...).

III. Các giai đoạn chuyển hóa năng lượng trong sinh giới

1. Giai đoạn tổng hợp

Từ nguồn năng lượng khởi đầu của Mặt Trời, thực vật quang hợp để chuyển hoá quang năng thành hoá năng chứa trong các liên kết hoá học của các hợp chất hữu cơ.

Đối với cơ thể động vật, quá trình đồng hoá tạo ra các chất hữu cơ đặc trưng của cơ thể từ nguyên liệu là các chất đơn giản được hấp thụ hoặc sản phẩm của quá trình dị hoá, kèm theo sự tích luỹ năng lượng vào các liên kết hoá học của các sản phẩm tổng hợp.

2. Giai đoạn phân giải

Các hợp chất hữu cơ phức tạp (protein, lipid, carbohydrate,...) được phân giải thành các hợp chất đơn giản thông qua quá trình dị hoá, năng lượng chứa trong liên kết hoá học của các hợp chất hữu cơ phức tạp được giải phóng tích luỹ trong ATP và thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt năng.

3. Huy động năng lượng

Năng lượng tích luỹ trong ATP được huy động tham gia vào các quá trình sinh lí như trao đổi chất, vận động, cảm ứng, sinh trưởng, phát triển, sinh sản,... của cơ thể.

IV. Mối quan hệ giữa trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng ở cấp tế bào và cơ thể

Cơ thể lấy thức ăn, nước, muối khoáng, các chất khí,... từ môi trường vào cơ thể đồng thời thải các chất bài tiết, các chất bã, sản phẩm phân huỷ từ cơ thể ra môi trường. Tế bào hấp thụ các chất cần thiết từ cơ thể, tiến hành đồng hoá và dị hoá, tạo ra các chất bài tiết. Sau đó, các chất bài tiết này được vận chuyển qua màng sinh chất ra môi trường trong cơ thể rồi đến các cơ quan bài tiết để thải ra môi trường ngoài. Thông qua trao đổi chất, năng lượng được giải phóng, tích luỹ và huy động để cung cấp cho các hoạt động của tế bào và cơ thể.

V. Các phương thức trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng

1. Tự dưỡng

Tự dưỡng là phương thức trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng ở nhóm sinh vật có khả năng tự tổng hợp chất hữu cơ từ những chất vô cơ. Tự dưỡng bao gồm:

• Quang tự dưỡng: Sử dụng nguồn năng lượng từ ánh sáng và nguồn carbon là CO₂ để tổng hợp chất hữu cơ; gặp ở thực vật, một số loài tảo,...
• Hoá tự dưỡng: Sử dụng nguồn năng lượng từ quá trình oxi hoá khử các hợp chất vô cơ và nguồn carbon là CO₂ để tổng hợp chất hữu cơ; gặp ở một số vi khuẩn.

Vai trò của sinh vật tự dưỡng trong sinh giới: Các sinh vật tự dưỡng được xếp vào nhóm sinh vật sản xuất ở các chuỗi và lưới thức ăn trong hệ sinh thái. Chất hữu cơ do các sinh vật tự dưỡng sản xuất là nguồn gốc để tạo thành các chất hữu cơ trong cơ thể sinh vật dị dưỡng. Ngoài ra, các sinh vật quang tự dưỡng có khả năng hấp thụ CO₂ và giải phóng O₂ góp phần điều hoà khí hậu, bảo vệ môi trường.

2. Dị dưỡng

Dị dưỡng là phương thức sinh vật lấy chất hữu cơ từ sinh vật tự dưỡng hoặc từ sinh vật dị dưỡng khác để tiến hành trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng. Dị dưỡng bao gồm:

• Quang dị dưỡng: Sử dụng nguồn năng lượng từ ánh sáng và nguồn carbon là chất hữu cơ; gặp ở một số vi khuẩn.
• Hoá dị dưỡng: Sử dụng nguồn năng lượng và nguồn carbon là chất hữu cơ; gặp ở động vật, nấm,...

1. Trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng có vai trò quan trọng đảm bảo cho sinh vật tồn tại và phát triển (cung cấp nguyên liệu để xây dựng cơ thể, cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống và bài tiết các chất thải ra môi trường).

2. Các dấu hiệu đặc trưng của trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng ở sinh vật gồm: Thu nhận các chất từ môi trường và vận chuyển các chất trong cơ thể, biến đổi các chất và chuyển hoá năng lượng, thải các chất ra môi trường, được điều hoà thông qua hormone hoặc hệ thần kinh.

3. Quá trình chuyển hoá năng lượng trong sinh giới gồm ba giai đoạn: Tổng hợp, phân giải và huy động năng lượng.

4. Trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng ở cấp độ tế bào và cơ thể có mối quan hệ tác động qua lại, hỗ trợ lẫn nhau, đảm bảo cho cơ thể sinh vật tồn tại, phát triển và thống nhất với môi trường.

5. Trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng được thực hiện theo các phương thức: Tự dưỡng (quang tự dưỡng và hoá tự dưỡng); dị dưỡng (quang dị dưỡng và hoá dị dưỡng).

6. Sinh vật tự dưỡng có vai trò cung cấp thức ăn, O₂ cho các sinh vật dị dưỡng; hấp thụ CO₂, giải phóng O₂, góp phần điều hoà khí hậu, bảo vệ môi trường.