Đọc hình nguyên phân: theo dõi từng nhiễm sắc thể qua năm mốc của một chu kì
Theo dõi từng nhiễm sắc thể qua năm mốc của chu kì tế bào: đếm NST, cromatit, DNA, đọc đồ thị, đếm qua nhiều lần nguyên phân, thực hành rễ hành, kèm 23 bài…
Sinh học 9 · Nguyên phân và chu kì tế bào
Đọc hình nguyên phân: theo dõi từng nhiễm sắc thể qua năm mốc của một chu kì
Em sẽ đi cùng một bộ nhiễm sắc thể từ lúc DNA nhân đôi đến khi hai tế bào con tách nhau, để đọc được hình nguyên phân, đếm đúng NST, chromatid, DNA, tâm động ở mọi kì và tính số tế bào sau nhiều lần phân bào.
Khoảng 110 phút Mức: khá đến giỏi Nền cho Sinh học THPT
Em sẽ học: vì sao tế bào phải phân chia · chu kì tế bào · bộ đếm bốn số · diễn biến các kì · động vật và thực vật · đồ thị DNA và NST · đếm qua nhiều lần phân bào · thực hành trên rễ hành.
1 Vì sao một tế bào không lớn mãi mà phải chia đôi?
Trước khi học diễn biến, ta cần hiểu lí do: một phép so sánh diện tích với thể tích giải thích cả một quá trình sinh học.
Cơ thể người trưởng thành có hàng chục nghìn tỉ tế bào, thế mà tất cả đều bắt nguồn từ một hợp tử duy nhất. Cơ thể lớn lên vì số tế bào tăng lên , không phải vì mỗi tế bào phình to mãi. Vì sao vậy? Tế bào lấy chất dinh dưỡng và khí oxygen, thải chất cặn bã, qua bề mặt của nó (màng tế bào). Nhưng lượng nhu cầu lại tỉ lệ với thể tích chất sống bên trong. Hãy xem Hình 1, trong đó ta tạm coi tế bào là khối lập phương cạnh a.
Hình 1. Ba khối lập phương cùng hình dạng, chỉ khác kích thước. Cạnh tăng gấp đôi thì S : V giảm một nửa.
Khối lập phương cạnh a có diện tích toàn phần S=6a^{2} và thể tích V=a^{3}, nên tỉ lệ diện tích trên thể tích là
\frac{S}{V}=\frac{6a^{2}}{a^{3}}=\frac{6}{a}
Cạnh a càng lớn thì tỉ lệ S:V càng nhỏ: bề mặt tăng chậm hơn thể tích. Bảng dưới đây liệt kê thêm vài giá trị.
Cạnh · S · V · S : V
1 · 6 · 1 · 6
2 · 24 · 8 · 3
4 · 96 · 64 · 1{,}5
8 · 384 · 512 · 0{,}75
Ghi nhớ
Nếu cạnh tăng gấp k lần thì diện tích tăng k^{2} lần, thể tích tăng k^{3} lần, nên tỉ lệ S:V giảm k lần . Tế bào càng lớn, mỗi đơn vị thể tích càng có ít bề mặt để "trao đổi hàng". Đến một cỡ nào đó thì tế bào không nuôi nổi chính mình, và cách giải quyết là chia đôi thành hai tế bào nhỏ.
GV
Cô Lukato
Tế bào thật không phải khối lập phương, nhưng xu hướng thì đúng như vậy. Có tế bào tăng bề mặt bằng những nếp gấp nhỏ (như tế bào lót ruột), nhưng cách phổ biến nhất vẫn là giữ tế bào nhỏ và tăng số lượng.
Bài 1 Mức 2 · Vận dụng
Tế bào A có dạng khối lập phương cạnh 2 đơn vị, tế bào B cạnh 8 đơn vị. Tỉ lệ S:V của A gấp mấy lần của B? Nhập một số.
Gợi ý 1. Tính S:V của mỗi tế bào bằng 6/a.
Gợi ý 2. Chia hai kết quả cho nhau.
Chính xác! S:V của A là 3, của B là 0{,}75; 3/0{,}75=4.
16=4^{2}: em đã bình phương. Tỉ lệ S:V chỉ tỉ lệ nghịch với cạnh, không phải bình phương.
0{,}25 là tỉ số ngược (B so với A). Đề hỏi A gấp mấy lần B.
3 chính là S:V của A, chưa chia cho S:V của B.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
A: 6/2=3. B: 6/8=0{,}75. Tỉ số 3/0{,}75=4. Cạnh của B gấp 8/2=4 lần cạnh của A, phù hợp với quy tắc "cạnh gấp k lần thì S:V giảm k lần".
Vì sao một tế bào không thể lớn mãi mà không phân chia?
Đúng: S tăng theo a^{2} còn V tăng theo a^{3}, nên S:V giảm dần khi tế bào lớn.
Sai: màng tế bào cho vật chất đi cả hai chiều; vấn đề là diện tích chứ không phải chiều đi.
Sai: tế bào lớn vẫn có nhân; hạn chế nằm ở tỉ lệ bề mặt và thể tích.
Sai: không có cơ chế "DNA tự phân huỷ khi tế bào lớn" như vậy.
Từ nay ta dùng thuật ngữ nguyên phân : đó là hình thức phân bào của tế bào sinh dưỡng và tế bào sinh dục sơ khai, từ một tế bào mẹ tạo ra hai tế bào con có bộ NST giống hệt tế bào mẹ (vẫn là 2n). Cụm từ khoá của cả bài nằm ở hai chữ "giống hệt": nguyên phân là cách sao chép nguyên vẹn bộ NST.
Kết quả của nguyên phân là
Sai: nguyên phân không giảm số NST và không tạo tế bào khác nhau về bộ NST.
Sai: đó là kết quả của giảm phân.
Đúng: hai tế bào con đều 2n, mỗi tế bào nhận đủ bộ NST của mẹ.
Sai: nguyên phân chia một tế bào thành hai, không tạo tế bào đa bội.
2 Chu kì tế bào: nguyên phân chỉ là một khoảng ngắn
Nắm được toàn cảnh chu kì giúp em xác định đúng lúc nào DNA nhân đôi, lúc nào NST tách.
Nhiều bạn nghĩ tế bào lúc nào cũng "đang phân chia". Thực ra từ lần phân chia này đến lần phân chia sau, tế bào trải qua một chu kì tế bào : một chuỗi giai đoạn lặp lại, gồm kì trung gian (dài) rồi đến nguyên phân (ngắn). Hình 2 vẽ một chu kì với số giờ minh hoạ.
Hình 2. Chu kì tế bào: kì trung gian gồm G1, S, G2 và chiếm phần lớn thời gian; nguyên phân ngắn nhưng là lúc nhìn thấy NST rõ nhất. Các số giờ chỉ là ví dụ.
Kì trung gian gồm ba pha nối tiếp nhau; chú ý cột cuối của bảng.
Giai đoạn · Việc chính · NST
G1 · Tế bào lớn lên, tổng hợp protein và bào quan · Mỗi NST là NST đơn
S · DNA và NST nhân đôi; ở tế bào động vật trung thể cũng nhân đôi · Mỗi NST thành NST kép
G2 · Tổng hợp thêm chất cần cho phân bào, kiểm tra DNA · Vẫn là NST kép, nằm dãn xoắn
Nguyên phân · Phân chia nhân, rồi phân chia tế bào chất · Co xoắn, tách và chia đều
Thứ tự cần nhớ: G1, S, G2, rồi nguyên phân. Ở Hình 2, chu kì khoảng 24 giờ mà nguyên phân chỉ chừng 1 giờ, nên trên tiêu bản phần lớn tế bào không ở nguyên phân.
Bẫy thường gặp
Sai lầm thường gặp: "Kì trung gian là lúc tế bào nghỉ ngơi, không làm gì". Sai! Kì trung gian là giai đoạn tế bào hoạt động mạnh nhất: lớn lên, nhân đôi DNA, chuẩn bị. Gọi là "trung gian" chỉ vì giữa hai lần phân chia nhân mà thôi.
Ghi nhớ
Kì trung gian chiếm phần lớn thời gian của chu kì. Điều then chốt cho cả bài: DNA nhân đôi ở pha S của kì trung gian , tức là trước khi có bất kì dấu hiệu nào của nguyên phân. Đến kì đầu, NST đã ở trạng thái kép rồi, không nhân đôi thêm nữa.
Bài 2 Mức 1 · Nhận biết
Một loại tế bào có chu kì 20 giờ, trong đó nguyên phân kéo dài 1 giờ. Kì trung gian kéo dài bao nhiêu giờ? Nhập một số.
Gợi ý 1. Chu kì gồm kì trung gian và nguyên phân.
Gợi ý 2. Lấy tổng trừ phần nguyên phân.
Chính xác! 20-1=19 giờ.
20 là cả chu kì, đề hỏi riêng kì trung gian nên phải trừ phần nguyên phân.
1 giờ là thời gian của nguyên phân, không phải của kì trung gian.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Chu kì = kì trung gian + nguyên phân, nên kì trung gian dài 20-1=19 giờ, chiếm 19/20, tức 95\% chu kì.
Bài 3 Mức 2 · Vận dụng
Tế bào của một loài có 2n=46. Ở cuối pha G1 (chưa nhân đôi DNA) tế bào có 46 NST đơn. Sau pha G2 (đã nhân đôi xong), hãy cho biết số NST và số phân tử DNA trong nhân, theo thứ tự, cách nhau dấu chấm phẩy.
Gợi ý 1. Nhân đôi DNA có làm tăng số NST không? Mỗi NST kép là một NST hay hai?
Gợi ý 2. Mỗi NST kép gồm 2 chromatid, mỗi chromatid chứa 1 phân tử DNA.
Chính xác! Vẫn 46 NST (nay là NST kép) nhưng có 46\times 2=92 phân tử DNA.
Số NST không tăng gấp đôi ở pha S: hai chromatid chị em vẫn chỉ tính là một NST kép. Chỉ có DNA gấp đôi.
DNA đã nhân đôi nên phải là 92, không còn 46.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Pha S nhân đôi DNA nhưng hai chromatid chị em vẫn dính nhau ở một tâm động nên số NST giữ 46. Mỗi NST kép có 2 phân tử DNA nên tổng là 92. Đây là điểm mấu chốt để phân biệt "NST" với "DNA".
Xét chu kì tế bào của một tế bào động vật lưỡng bội.
a) Pha S nằm trong kì trung gian.
Đúng: kì trung gian gồm G1, S và G2.
b) Nguyên phân thường chiếm phần lớn thời gian của chu kì.
Sai: nguyên phân ngắn, kì trung gian mới là phần dài nhất.
c) DNA nhân đôi ở kì đầu của nguyên phân.
Sai: DNA nhân đôi ở pha S, trước kì đầu.
d) Sau pha S mỗi NST gồm hai chromatid chị em.
Đúng: đó là NST kép.
Thứ tự các giai đoạn của chu kì tế bào là G1, , , rồi đến nguyên phân. Trong chu kì 24 giờ ở Hình 2, kì trung gian dài giờ và nguyên phân dài giờ.
3 Bộ đếm bốn số: NST, chromatid, DNA và tâm động
Một bảng quy ước, một bảng đếm cho tế bào 2n=6 và hai ví dụ có lời giải là đủ để em không nhầm nữa.
Muốn đọc hình nguyên phân, em cần một "bộ đếm" bốn con số rất dễ lẫn với nhau. Cả bài dùng đúng quy ước sau.
Đại lượng · Cách đếm
NST · Đếm theo tâm động : mỗi tâm động là một NST, dù là NST đơn hay NST kép
Tâm động · Bằng số NST; chỉ tăng gấp đôi khi chromatid chị em tách nhau ở kì sau
Chromatid · Chỉ đếm ở NST kép: mỗi NST kép có 2 chromatid. NST đơn không đếm chromatid (quy ước 0)
DNA · NST đơn có 1 phân tử DNA, NST kép có 2. Chỉ tính DNA trong nhân
Ta chỉ đếm DNA trong nhân (bỏ qua DNA ở ti thể, lục lạp). Bảng dưới đây đếm cho tế bào 2n=6 qua bảy mốc.
Mốc · NST · Chromatid · DNA
Cuối G1 · 6 · 0 · 6
Sau S · 6 · 12 · 12
Kì đầu · 6 · 12 · 12
Kì giữa · 6 · 12 · 12
Kì sau · 12 · 0 · 12
Kì cuối · 12 · 0 · 12
Tế bào con · 6 · 0 · 6
Số tâm động luôn bằng số NST nên bảng không có cột riêng cho nó. NST là NST đơn ở các mốc Cuối G1, Kì sau, Kì cuối và tế bào con; ở các mốc còn lại (từ sau pha S đến kì giữa) NST là NST kép.
Ở hai hàng "Kì sau" và "Kì cuối", con số nói về cả tế bào vì tế bào chưa chia làm hai; ở hàng cuối, con số nói về một tế bào con.
Ghi nhớ
Hai lần thay đổi của NST : tăng ở kì sau, giảm khi tế bào chia đôi. Hai lần thay đổi của DNA : tăng ở pha S, giảm khi tế bào chia đôi. Đây là chỗ khác nhau lớn nhất giữa NST và DNA, và ta sẽ vẽ nó thành đồ thị ở mục 7.
Bẫy thường gặp
Sai lầm thường gặp: "Ở kì sau có 0 chromatid thì DNA cũng bằng 0". Sai! Chromatid là tên của một nửa NST kép; khi tách ra, mỗi chromatid đổi tên thành NST đơn và vẫn chứa 1 phân tử DNA. Số chromatid về 0 theo quy ước, còn số DNA không hề mất đi: nó vẫn là 12.
Ví dụ 1 · Đi cùng NST số 1 nhận từ bố qua năm mốc
Ta theo một NST duy nhất, gọi là NST số 1 của bố, từ cuối kì trung gian G1 đến khi hai tế bào con hình thành.
Việc "theo dấu một NST" giúp em thấy vì sao hai tế bào con giống hệt nhau.
Cuối G1: một NST đơn, 1 chromatid không đếm, 1 phân tử DNA, dạng sợi mảnh trong nhân.
Chưa nhân đôi.
Sau pha S và ở kì đầu: NST kép gồm 2 chromatid chị em giống hệt nhau, dính ở một tâm động, có 2 phân tử DNA; bắt đầu co xoắn.
Hai chromatid là hai bản sao của cùng một phân tử DNA gốc.
Kì giữa: co xoắn cực đại, tâm động nằm trên mặt phẳng xích đạo, hai phía gắn vào sợi thoi từ hai cực.
Mỗi chromatid "nhìn" về một cực.
Kì sau: tâm động tách; mỗi chromatid thành một NST đơn và bị kéo về một cực. Kì cuối: mỗi cực có một NST số 1 đơn, dãn xoắn dần.
Hai tế bào con mỗi tế bào nhận đúng một bản sao của NST số 1.
Bài 4 Mức 2 · Vận dụng
Ruồi giấm có 2n=8. Ở kì sau của nguyên phân, hãy cho biết số NST và số tâm động của cả tế bào, theo thứ tự, cách nhau dấu chấm phẩy.
Gợi ý 1. Số NST đếm theo số tâm động.
Gợi ý 2. Ở kì sau mỗi tâm động tách đôi.
Chính xác! Cả hai đều bằng 2\times 8=16: NST được đếm theo tâm động.
8 là số ở các kì trước. Sang kì sau tâm động tách đôi nên số NST và tâm động đều gấp đôi.
Số tâm động luôn bằng số NST. Ở kì sau cả hai đều là 16.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Kì sau: 8 NST kép tách thành 16 NST đơn, mỗi NST đơn có một tâm động nên có 16 tâm động.
Bài 5 Mức 3 · Thách thức
Một tế bào người ở kì cuối của nguyên phân, hai nhân mới đã hình thành nhưng tế bào chất chưa chia. Hãy cho biết tổng số NST đơn của cả tế bào và số phân tử DNA trong mỗi nhân mới, theo thứ tự, cách nhau dấu chấm phẩy.
Gợi ý 1. Tổng số NST đơn của cả tế bào bằng số ở kì sau.
Gợi ý 2. Hai nhân mới chia đều DNA của cả tế bào.
Chính xác! Cả tế bào có 92 NST đơn, mỗi nhân nhận 46 NST đơn, tức 46 phân tử DNA.
Cả tế bào ở kì cuối vẫn có 92 NST đơn; chỉ khi tế bào chất chia xong mới mỗi tế bào con có 46.
92 là tổng cho cả tế bào; mỗi nhân chỉ nhận một nửa, tức 46.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Kì sau tạo 92 NST đơn và chúng vẫn còn trong tế bào ở kì cuối. Chia đều cho hai nhân nên mỗi nhân có 92/2=46 NST đơn, tương ứng 46 phân tử DNA.
Ở mốc nào sau đây số phân tử DNA trong nhân gấp đôi số NST?
Sai: cuối G1 mỗi NST đơn chỉ có 1 phân tử DNA nên DNA bằng NST.
Đúng: ở kì giữa mỗi NST kép có 2 phân tử DNA nên DNA gấp đôi NST.
Sai: ở kì sau NST đã đơn nên số DNA bằng số NST.
Sai: tế bào con có NST đơn, DNA bằng số NST.
Tế bào của một loài có 2n=10. Ở kì giữa: số NST là , số chromatid là , số DNA là . Ở kì sau: số NST là và số chromatid là .
4 Kì trung gian và kì đầu: NST hiện hình
Từ nhân "mờ" đến những NST kép rõ nét: vì sao hai trạng thái này có cùng số DNA?
Hình 3 đặt cạnh nhau tế bào ở kì trung gian (sau pha S) và ở kì đầu: số NST và DNA như nhau, chỉ khác hình dạng NST và màng nhân .
Hình 3. Từ kì trung gian sang kì đầu: số NST vẫn là 6, số DNA vẫn là 12. Chỉ có hình dạng NST đổi: từ sợi mảnh thành thể kép co ngắn, đóng xoắn.