Thayhienedu.com chia sẽ đến các em Lý Thuyết Sinh Học 11 thống nhất 1 bộ sách trên cả nước là Kết nối tri thức với cuộc sống.
LÝ THUYẾT MÔN SINH HỌC LỚP 11
BÀI 2: TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC
VẬT
I. VAI TRÒ CỦA NƯỚC VÀ CHẤT KHOÁNG
1. Vai trò của nước
- Chiếm 70% – 90% khối lượng tươi của thực vật.
- Là thành phần cấu tạo quan trọng của tế bào.
- Là dung môi hòa tan các chất hữu cơ và vô cơ, môi trường
cho các phản ứng sinh hóa xảy ra.
- Tham gia trực tiếp vào các quá trình sinh lý (quang hợp,
thủy phân,...).
- Giúp điều hòa nhiệt độ cho cơ thể thực vật qua quá
trình thoát hơi nước.
Ví dụ thực tế: Vào những ngày hè nắng nóng, lá cây
không bị thiêu đốt dưới nhiệt độ cao nhờ quá trình thoát hơi nước liên tục làm
hạ nhiệt độ bề mặt lá từ 3°C – 5°C so với môi trường xung quanh.
2. Vai trò của các nguyên tố khoáng
- Thực vật cần khoảng 17 nguyên tố khoáng thiết yếu (thiếu
chúng cây không thể hoàn thành chu kỳ sống).
- Phân loại dựa vào hàm lượng trong cơ thể:
+ Nguyên tố đa lượng (C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S): Chiếm
hàm lượng lớn (> 100 mg/kg chất khô), đóng vai trò cấu trúc nên các chất hữu
cơ, màng tế bào và bào quan.
+ Nguyên tố vi lượng (Cl, Fe, Mn, B, Zn, Cu, Mo, Ni): Chiếm
hàm lượng rất nhỏ (< 100 mg/kg chất khô), chủ yếu đóng vai trò hoạt hóa
enzyme và điều tiết quá trình sinh lý.
- Hậu quả của thiếu nguyên tố khoáng: Làm biến đổi hình
thái cây (vàng lá, xoăn lá, còi cọc,...).
Ví dụ thực tế: Khi cây bị thiếu Magnesium (Mg) –
nguyên tố trung tâm cấu tạo nên phân tử diệp lục – lá cây sẽ bị vàng dần ở phần
thịt lá giữa các gân lá, làm giảm mạnh hiệu quả quang hợp của cây.
II. QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT
1. Hấp thụ nước và khoáng ở rễ
- Rễ là cơ quan hấp thụ nước và khoáng chủ yếu ở thực vật
trên cạn nhờ các tế bào lông hút (biến dạng từ tế bào biểu bì rễ).
a. Hấp thụ nước ở tế bào lông hút
- Cơ chế hấp thụ: Thụ động (thẩm thấu).
- Chiều di chuyển: Nước đi từ đất (dung dịch nhược
trương) vào tế bào lông hút (dung dịch ưu trương).
- Nguyên nhân dịch tế bào lông hút ưu trương:
+ Do quá trình thoát hơi nước ở lá liên tục kéo nước
phía dưới đi lên.
+ Do rễ tích lũy các chất hòa tan (đường, khoáng) từ hoạt
động chuyển hóa vật chất.
Ví dụ thực tế: Khi bón phân quá nhiều, nồng độ chất
tan ngoài đất tăng quá cao làm đất trở nên ưu trương. Nước từ trong rễ bị hút
ngược ra ngoài, khiến cây bị héo và chết (gọi là hiện tượng "xót rễ").
b. Hấp thụ khoáng ở tế bào lông hút
- Đi kèm với quá trình hấp thụ nước theo hai cơ chế:
+ Cơ chế thụ động: Các ion khoáng khuếch tán từ đất (nồng
độ cao) vào rễ (nồng độ thấp).
+ Cơ chế chủ động: Vận chuyển ngược chiều gradient nồng
độ, bắt buộc phải tiêu tốn năng lượng ATP và cần chất mang (protein vận chuyển).
Ví dụ thực tế: Rễ cây lúa có khả năng hút chủ động
ion Silic (Si) từ đất vào tế bào rễ ngay cả khi nồng độ chất này trong rễ đã
cao gấp hàng chục lần ngoài đất, giúp thân lúa cứng cáp, ít bị đổ rạp khi gặp
gió bão.
c. Vận chuyển nước và chất khoáng từ
lông hút vào mạch gỗ của rễ
- Diễn ra theo hai con đường đồng thời:
+ Con đường gian bào: Nước và khoáng đi qua khoảng trống
giữa các tế bào và dọc theo thành tế bào. Con đường này đi nhanh nhưng không có
sự chọn lọc. Khi đến lớp nội bì, bị chặn lại bởi đai Caspary (không thấm
nước), bắt buộc phải chuyển hướng đi xuyên qua tế bào chất của tế bào nội bì.
+ Con đường tế bào chất: Nước và khoáng đi xuyên qua tế bào
chất của các lớp tế bào liên kết với nhau qua các cầu sinh chất. Con đường này
đi chậm hơn nhưng có sự chọn lọc kỹ càng.
Ví dụ thực tế: Đai Caspary đóng vai trò như một
"trạm kiểm soát hải quan" của rễ, ngăn chặn các ion kim loại nặng độc
hại tự do xâm nhập vào dòng mạch dẫn của cây.
2. Vận chuyển nước và các chất trong thân
- Sự vận chuyển vật chất trong thân cây được thực hiện bởi
hai dòng vận chuyển ngược chiều nhau: Dòng mạch gỗ và Dòng mạch rây.
|
Tiêu
chí so sánh |
Dòng
mạch gỗ (Xylem) |
Dòng
mạch rây (Phloem) |
|
Cấu
tạo tế bào |
Là các tế bào chết (quản bào và mạch ống)
hóa gỗ bền vững. |
Là các tế bào sống (ống rây và tế bào kèm)
giàu ti thể. |
|
Thành
phần dịch |
Chủ yếu là nước, các ion khoáng và một số chất
hữu cơ ít từ rễ (hormone, amino acid). |
Chủ yếu là đường sucrose (chiếm 95%), amino acid, hormone và các ion khoáng
tái sử dụng (K⁺). |
|
Hướng
vận chuyển |
Một
chiều từ rễ lên thân, lá (Dòng đi lên). |
Hai
chiều: Từ cơ quan nguồn (lá) đến cơ quan đích (rễ, quả, củ) hoặc ngược lại. |
|
Động
lực vận chuyển |
Phối
hợp của 3 lực: |
Sự
chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn (áp suất cao) và cơ quan đích
(áp suất thấp). |
Ví dụ thực tế: Vào những buổi sáng sớm có độ ẩm
không khí cao, ta thường thấy các giọt nước đọng lại ở mép lá của các cây bụi
thấp (như cây dâu tằm, cây dọc mùng). Đây là hiện tượng ứ giọt, minh chứng
cho sự tồn tại của lực đẩy (áp suất rễ) khi cây không thể thoát hơi nước bình
thường.
3. Thoát hơi nước ở lá
a. Thoát hơi nước qua bề mặt lá (lớp
cutin)
- Lượng nước thoát ra phụ thuộc vào độ dày của lớp cutin
trên bề mặt lá.
- Lá non có lớp cutin mỏng nên thoát hơi nước mạnh; lá
già có lớp cutin dày nên thoát hơi nước yếu hơn.
Ví dụ thực tế: Các loài cây sống ở vùng hoang mạc
khô hạn như xương rồng, sen đá có lớp cutin rất dày hoặc biến đổi lá thành gai
để hạn chế tối đa việc mất nước qua bề mặt lá.
b. Thoát hơi nước qua khí khổng
- Là con đường thoát hơi nước chủ yếu, có thể chủ động
điều tiết dựa vào trạng thái trương nước của tế bào khí khổng (tế bào hình hạt
đậu).
+ Khi tế bào khí khổng ngậm đầy nước: Thành mỏng phía
ngoài căng ra làm thành dày phía trong cong theo → khí khổng mở.
+ Khi tế bào khí khổng mất nước: Tế bào xẹp xuống, thành
dày phía trong duỗi thẳng → khí khổng đóng.
- Sự điều tiết đóng mở khí khổng chịu ảnh hưởng chính bởi:
Ánh sáng, nhiệt độ và stress (hormone acid abscisic – ABA sẽ kích thích đóng
khí khổng khi cây bị hạn).
Ví dụ thực tế: Vào những ngày trưa nắng nóng gay gắt,
cây thường chủ động đóng bớt khí khổng để bảo vệ cơ thể không bị mất nước quá mức,
dù điều này sẽ hạn chế lượng CO₂ đi vào lá để quang hợp.
c. Vai trò của thoát hơi nước
- Tạo động lực kéo đầu trên của cột nước, giúp vận chuyển
nước và ion khoáng từ rễ lên lá một cách liên tục.
- Giúp hạ nhiệt độ của bề mặt lá vào những ngày hè nắng
nóng.
- Giúp khí khổng mở ra để khí CO₂ dễ dàng khuếch tán vào
bên trong lá, cung cấp nguyên liệu trực tiếp cho quá trình quang hợp.
Ví dụ thực tế: Đứng dưới bóng mát của cây xanh vào
mùa hè ta luôn cảm nhận được không khí mát mẻ, dễ chịu hơn đứng dưới bóng của
mái tôn nhờ hoạt động thoát hơi nước tích cực từ hàng triệu khí khổng của lá
cây.
III. DINH DƯỠNG NITROGEN
1. Vai trò của nitrogen
- Vai trò cấu trúc: Là thành phần bắt buộc cấu tạo nên
các hợp chất hữu cơ quan trọng như protein, nucleic acid (DNA, RNA), diệp lục,
ATP,...
- Vai trò điều tiết: Tham gia cấu tạo nên các enzyme và
hormone thực vật, từ đó điều tiết các hoạt động sinh lý, quá trình sinh trưởng
và phát triển của cây.
Ví dụ thực tế: Khi cây bị thiếu đạm (nitrogen), cây
sẽ còi cọc, chậm lớn, lá cây chuyển sang màu vàng nhạt (do không tổng hợp được
diệp lục) bắt đầu xuất hiện rõ từ các lá già bên dưới trước.
2. Nguồn cung cấp nitrogen cho thực vật
- Từ khí quyển: Khí nitrogen tự do (N₂) chiếm khoảng
78% nhưng cây không thể hấp thụ trực tiếp. Nhờ có sấm sét (tia lửa điện) hoặc
các nhóm vi khuẩn cố định đạm (như vi khuẩn tự do Azotobacter hay vi khuẩn
cộng sinh Rhizobium trong nốt sần cây họ Đậu) chuyển hóa thành dạng
ammonium (NH₄⁺) cây mới hấp thụ được.
- Từ đất: Cây hấp thụ trực tiếp hai dạng vô cơ
là nitrate (NO₃⁻) và ammonium (NH₄⁺).
Ví dụ thực tế: Mô hình trồng xen canh hoặc luân
canh cây họ Đậu (như lạc, đậu tương) trong nông nghiệp giúp đất trồng luôn phì
nhiêu, dồi dào đạm tự nhiên nhờ hoạt động cố định N₂ của vi khuẩn cộng sinh ở nốt
sần rễ cây họ Đậu.
3. Quá trình biến đổi nitrate và ammonium ở thực vật
a. Quá trình khử nitrate
- Là quá trình chuyển hóa dạng oxy hóa (NO₃⁻) thành dạng
khử (NH₄⁺) trong tế bào thực vật thông qua các enzyme:
NO₃⁻ ──(enzyme nitrate
reductase)──> NO₂⁻ ──(enzyme nitrite reductase)──> NH₄⁺
Ví dụ thực tế: Để quá trình khử nitrate diễn ra
hoàn toàn, cây trồng cần được cung cấp đầy đủ các nguyên tố vi lượng như
Molybdenum (Mo) và Sắt (Fe) vì chúng tham gia cấu tạo nên các enzyme reductase
hoạt hóa phản ứng này.
b. Quá trình đồng hóa ammonium
- Ammonium (NH₄^+) tích lũy nhiều sẽ gây độc cho tế bào,
do đó cây phải nhanh chóng liên kết NH₄^+ với các acid hữu cơ để tạo thành các
amino acid hoặc amide:
+
Amin hóa trực tiếp: Acid keto + NH₄+ → Amino
acid.
+
Chuyển vị amin: Amino acid + Acid keto → Amino acid mới.
+
Hình thành amide: Amino acid dicarboxylic + NH₄+
→ Amide (con đường giải độc NH₄+ dư thừa nhanh và hữu hiệu nhất của
cây).
Ví
dụ thực tế: Khi bón phân đạm quá nhiều cho rau xanh (như rau
cải, xà lách) trong những ngày âm u thiếu nắng, cây thiếu acid keto để đồng hóa
NH₄+, dẫn đến tích lũy các hợp chất nitơ tự do gây cháy lá và làm giảm
chất lượng rau.
IV. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG
1. Ánh sáng
- Kích
thích khí khổng mở, thúc đẩy quá trình thoát hơi nước, tạo động lực hút nước và
khoáng ở rễ.
- Ánh
sáng cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp tạo chất hữu cơ cung cấp cho rễ
hô hấp.
Ví
dụ thực tế: Trồng cây với mật độ quá dày sẽ khiến các cây
phía dưới bị thiếu ánh sáng, dẫn đến khí khổng mở kém, thoát hơi nước giảm mạnh
làm cây còi cọc do hút được ít chất dinh dưỡng.
2. Nhiệt độ
- Nhiệt
độ đất ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng của rễ, khả năng hô hấp của rễ và
tốc độ khuếch tán của các ion khoáng trong đất.
- Ở
nhiệt độ quá cao (> 45°C), các lông hút của rễ bị tổn thương hoặc chết,
enzyme bị biến tính làm giảm khả năng hấp thụ của cây.
Ví
dụ thực tế: Vào mùa đông lạnh giá ở miền Bắc Việt Nam, người
nông dân thường tiến hành phủ rơm rạ hoặc nilon quanh gốc cây để giữ ấm cho hệ
rễ, đảm bảo rễ vẫn hoạt động hút nước và khoáng bình thường.
3. Độ ẩm đất và không khí
- Độ
ẩm đất cao giúp hòa tan muối khoáng, tạo điều kiện thuận lợi cho lông hút hấp
thụ nước và khoáng dễ dàng.
- Độ
ẩm không khí cao làm giảm tốc độ thoát hơi nước ở lá, gián tiếp làm giảm tốc độ
hút nước của rễ.
Ví
dụ thực tế: Khi trời nồm ẩm (độ ẩm không khí đạt gần 100%),
quần áo giặt rất lâu khô và cây trồng cũng gần như ngừng thoát hơi nước, làm
cho dòng vận chuyển chất dinh dưỡng từ rễ lên lá bị đình trệ.
V. ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP
1. Tưới nước hợp lí cho cây trồng
- Tưới
nước phải dựa vào: Loài cây, giai đoạn sinh trưởng của cây, đặc điểm của đất và
điều kiện thời tiết.
- Áp
dụng các phương pháp tưới hiện đại (tưới nhỏ giọt, tưới phun sương) để tiết kiệm
nước và giữ ẩm tốt cho đất.
Ví
dụ thực tế: Cây lúa nước cần ngập nước ở giai đoạn đẻ nhánh
và làm đòng, nhưng cần rút cạn nước ở giai đoạn chín để cây không bị đổ rạp và
thuận tiện cho việc thu hoạch bằng máy.
2. Phân bón và năng suất cây trồng
- Bón
phân hợp lý theo nguyên tắc 4 đúng: Đúng loại phân, Đúng liều lượng,
Đúng thời điểm và Đúng phương pháp.
- Tránh
bón quá liều gây ô nhiễm đất, nguồn nước ngầm và gây độc cho người tiêu dùng do
tồn dư hóa chất (nhất là nitrate).
Ví dụ thực tế: Bón lót (bón trước khi gieo trồng) thường dùng phân chuồng hoai mục hoặc phân lân khó tan để cải tạo đất từ từ; bón thúc (giai đoạn sinh trưởng nhanh) dùng phân đạm, phân kali dễ tan để cây hấp thụ nhanh chóng.