tài liệu ĐA DẠNG SINH HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƢỜNG ĐA DẠNG SINH HỌC HÀ NỘI – 2008 1 LỜI NÓI ĐẦU Sự sống trên trái đất phụ thuộc vào tính đa dạng sinh học để duy trì những chức năng sinh thái để điều hoà nguồn nƣớc và chất lƣợng, khí hậu, sự màu mỡ của đất đai, và những nguồn tài nguyên có thể canh tác. Chúng ta phụ thuộc vào các loài tự nhiên để tìm ra những tố chất hoá học mới có thể dùng làm thuốc và kiểm soát sâu bọ và cải thiện đƣợc mùa màng và chăn nuôi .Ở châu Á nhiệt đới, nhiều ngƣời hầu nhƣ hoàn toàn phụ thuộc vào đa dạng sinh học, và vì vậy tài sản cho hiện tại và tƣơng lai của khu vực phải đƣợc bảo vệ. Đa dạng di truyền là tất cả các gene di truyền khác nhau của tất cả các cá thể thực vật, động vật, nấm, và vi sinh vật. Đa dạng di truyền tồn tại trong một loài và giữa các loài khác nhau . Đó là sự đa dạng về thành phần gene giữa các cá thể trong cùng một loài và giữa các loài khác nhau; là sự đa dạng về gene có thể di truyền đƣợc trong một quần thể hoặc giữa các quần thể. Bên cạnh đó nó còn biểu hiện sự đa dạng của các biến dị có thể di truyền trong một loài, một quần xã hoặc giữa các loài, các quần xã. Xét cho cùng, đa dạng di truyền chính là sự biến dị của sự tổ hợp trình tự của bốn cặp bazơ cơ bản, thành phần của axit nucleic, tạo thành mã di truyền. Đa dạng loài là cơ sở của đa dạng sinh học. Hiện nay, đa dạng sinh học trên thế giới đang suy giảm nghiêm trọng, sự biến mất của các loài chính là minh chứng do nét nhất cho sự suy giảm đó. Theo một đánh giá về số loài đã tồn tại trên trái đất thì có đến 99,9% số loài đa bị tuyệt chủng. Hay nói một cách khác, số các loài động vật, thực vật, vi sinh vật hiện có chỉ chiếm 0,1% tổng số loài đã từng sống trên hành tinh. Khác với các cuộc tuyệt chủng hàng loạt trong quá khứ, xảy ra chủ yếu do các hiện tƣợng thiên nhiên, tuyệt chủng hiện nay chủ yếu do con ngƣời. Cứ 100 loài bị tuyệt chủng thì có đến 99 loài là do con ngƣời. Ngoài ra, theo sau các cuộc tuyệt chủng hàng loạt trong quá khứ là sự hình thành loài mới để bù đắp cho số loài bị mất đi, còn sự tuyệt chủng hàng loạt giai đoạn hiện nay không kèm theo sự hình thành loài mới (xem bảng 2). Đa dạng sinh học 2 Theo hiểu biết hiện nay, trên thế giới có thể còn từ 5 - 100 triệu loài đang tồn tại (con số chắc chắn là khoảng 12,5 triệu loài); trong đó, 1,7 triệu loài đã đƣợc mô tả; số loài lớn nhất có lẽ là côn trùng (xem bảng 1). Thống kê số lƣợng các loài trên trái đất theo nhiều nguồn khác nhau nên cũng khác nhau. Cuộc sống của chúng ta hoàn toàn phụ thuộc vào các hệ sinh thái (HST) để tồn tại: từ nƣớc chúng ta uống đến lƣơng thực chúng ta ăn; từ biển cả cung cấp cho chúng ta những sản phẩm phong phú đến đất để chúng ta xây dựng nhà cửa Các HST cho ta hàng hoá và dịch vụ mà cuộc sống chúng ta không thể thiếu. Các HST lọc sạch không khí và nƣớc, duy trì đa dạng sinh học, phân huỷ và tái quay vòng các chất dinh dƣỡng, cũng nhƣ đảm bảo vô số các chức năng quan trọng khác. Tuy nhiên, các HST vẫn đang bị con ngƣời xâm phạm ngày càng nghiêm trọng. Trên khắp thế giới, con ngƣời sử dụng quá mức và lạm dụng các HST quan trọng, từ các rừng mƣa nhiệt đới cho tới các rạn san hô, đồng cỏ, thảo nguyên gây suy thoái và phá huỷ các HST. Điều đó đã làm ảnh hƣởng tới cuộc sống tự nhiên, thể hiện ở con số các loài bị đe doạ hay bị tuyệt chủng, đồng thời gây hại đến các lợi ích của con ngƣời qua việc làm cạn kiệt dòng tài nguyên mà chúng ta sống phụ thuộc. Cuộc sống nghèo khổ đã buộc nhiều ngƣời phải huỷ hoại các HST mà họ sống nhờ vào, ngay cả khi họ hiểu rằng, họ đang chặt cây hay bắt cá tới mức chúng không thể phục hồi đƣợc. Lòng tham hay sự táo tợn, sự không hiểu biết hay vô ý đều đẩy con ngƣời đến chỗ không đếm xỉa đến những giới hạn của tự nhiên để duy trì các HST. Khó khăn lớn nhất vẫn là con ngƣời ở mọi tầng lớp xã hội, từ những ngƣời dân bình thƣờng đến các nhà hoạch định chính sách, không có khả năng tận dụng nguồn tri thức hiện có hoặc thiếu các thông tin căn bản về điều kiện thực tế và xu hƣớng phát triển trong tƣơng lai xa của các HST. Điều đó sẽ dẫn tới các HST có nguy cơ bị phá huỷ gây ra những hậu quả nặng nề chƣa từng thấy đối với quá trình phát triển kinh tế và cuộc sống của con ngƣời. Ngày nay, nhiều quốc gia đang trải qua những tác động do suy thoái các HST gây ra dƣới rất nhiều hình thức: lũ lụt, hạn hán, mất mùa, thiếu lƣơng thực thực phẩm, ô nhiễm môi trƣờng, biến đổi khí Đa dạng sinh học 3 hậu, Vấn đề là chúng ta lại biết quá ít về toàn bộ tình trạng các HST của Trái đất. Chúng ta cần phải hiểu các HST của Trái đất tồn tại ra sao? Chúng ta có thể quản lý nhƣ nào để các HST vẫn duy trì tình trạng tốt và có hiệu suất trƣớc những yêu cầu ngày càng tăng của con ngƣời? Việt Nam với tổng diện tích 330541 km 2 trải dài từ vĩ độ 8 o 25‟ đến 23 o 24‟ vĩ độ Bắc, giáp biển Đông. Sự khác biệt lớn về khí hậu từ vùng xích đạo đến giáp vùng cận nhiệt đới cùng sự đa dạng về địa hình đã tạo nên sự đa dạng về thiên nhiên với khu hệ động thực vật vô cùng phong phú về thành phần loài. Theo các tài liệu thống kê, Việt Nam là một trong số 25 nuớc có mức độ đa dạng sinh học lớn nhất thế giới và xếp thứ 16 về mức độ sinh học (chiếm 6,5% số loài có trên thế giới, xem bảng 3). Tuy nhiên, Việt Nam cũng chính là một trong những nƣớc mà đa dạng sinh học chịu áp lực lớn nhất của các hoạt động phát triển của con ngƣời. Trải qua nhiều năm chiến tranh, những năm nghèo đói và nhiều năm kinh tế phát triển mạnh mẽ cộng với sự gia tăng dân số rất nhanh sau chiến tranh, môi trƣờng sinh thái nói chung và đa dạng sinh học nói riêng ở Việt Nam bị tàn phá nặng nề. Điển hình là diện tích rừng giảm mạnh, tỷ lệ che phủ giảm từ 45% trƣớc năm 1945 xuống còn 23% những năm 1980. Trong những năm gần đây, tỷ lệ che phủ rừng có đƣợc nâng lên, công tác bảo vệ đa dạng sinh học có tiến bộ nhƣng những mất mát là khó có thể bù đắp. Đa dạng sinh học 4 PHẦN I: ĐA DẠNG DI TRUYỀN CHƢƠNG 1: GENE VÀ ĐỘT BIẾN GENE 1. TỔNG QUAN VỀ GENE 1.1. Định nghĩa gene Khái niệm về gene đã trải qua 4 giai đoạn phát triển chính: Thời Mendel (1865), gene đƣợc hiểu nhƣ yếu tố bên trong, quyết định sự hình thành và phát triển một tính trạng bên ngoài. Còn về cách vận động thì gene vận động từ thế hệ này sang thế hệ kia theo quy luật vận động của nhiễm sắc thể trong giảm phân, mặc dù khi đó ngƣời ta chƣa biết nhiễm sắc thể và giảm phân là gì. Vì vậy, có thể nói mỗi gene Mendel là một nhiễm sắc thể. Năm 1909, W. Johannsen đã đƣa ra khái niện về ”gene” nhƣ một đơn vị di truyền tách biệt, đƣợc phát hiện trong thí nghiệm phân tích lai của G. Mendel. Theo Johannsen thì: ”nhiều tính trạng của cơ thể đƣợc xác định bởi những mầm mống đặc biệt, tách biệt và độc lập, nói ngắn gọn hơn là bởi những cái mà chúng ta gọi là gene”. Quan niệm đó về gene tồn tại suốt cả giai đoạn phát triển của di truyền học kinh điển. Theo trƣờng phái Morgan (1926) cho rằng: không phải một gene mà nhiều gene cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và là các đơn vị không thể chia nhỏ hơn đƣợc nữa. Các đơn vị đó là: + Đơn vị đột biến, nghĩa là gene bị biến đổi nhƣ một tổng thể hoàn chỉnh. + Đơn vị tái tổ hợp, nghĩa là trao đổi chéo không bao giờ diễn ra ở bên trong gene, mà chỉ có thể diễn ra giữa các gene. + Đơn vị chức năng, nghĩa là tất cả các đột biến của một gene cùng làm biến đổi một chức năng di truyền; điều này thể hiện ở chỗ, hai thể đột biến khác nhau nếu đem lai với nhau thì không thể cho kiểu hình bình thƣờng mà cho kiểu đột biến. Đa dạng sinh học 5 Theo giả thuyêt ”một gene – một enzim” của G.Beadle và E.Tatum (1940) cho rằng mỗi gene quyết định sự tồn tại và hoạt tính của một enzim. Với sự phát triển của khoa học ngày nay, gene đã đƣợc định nghĩa là đoạn ADN có chiều dài đủ lớn (trung bình khoảng 1000-2000 bazo) để có thể xác định một chức năng. Chức năng sơ cấp của gene đƣợc xác định bởi một sợi polypeptid, không nhất thiết là cả một enzim. Các gene nằm trên nhiễm sắc thể ở trong nhân tế bào và xếp thành hàng trên nhiễm sắc thể, gọi là locut. 1.2. Cấu trúc của Gene 1.2.1. Cấu trúc hóa học của gene Sợi ADN đƣợc cấu thành từ các đơn phân, gọi là các nucleotit, có 4 loại nucleotit: Adênin, Guanin, Cytosin, Thyamin. Trình tự sắp xếp của chúng trên gene quyết định chức năng của gene. Mỗi nucleotit (Nu) có khối lƣợng phân tử trung bình là 300 đvC, gồm 3 thành phần: đƣờng Deoxiribo, axit photphoric và bazơ nitric. Nu có chứa các nguyên tố: C, H, O, N, P. Hình 1.1 . Một đoạn gene trong nhiễm sắc thể Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của gene Đa dạng sinh học 6 Gene thể hiện hiệu quả của mình thông qua sản phẩm do chúng sinh ra. Sản phẩm trực tiếp của gene là axit ribonucleic – ARN. Thành phần hóa học của ARN gần giống ADN, chỉ khác ở chỗ trong ARN thì Thyamin đƣợc thay thế bằng Uracil. Phân tử ARN của một số gene có thể tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi chất của cơ thể. Tuy nhiên, phần lớn ARN đƣợc dùng làm khuôn mẫu và vận chuyển axit amin trong quá trình tổng hợp protein. Protein là các chuỗi bao gồm các đơn vị nhỏ là axit amin, và trình tự các bazơ trong ARN quyết định trình tự các axit amin trong protein theo quy luật của mã di truyền. Trình tự của các axit amin trong protein quyết định vai trò của protein là tham gia vào thành phần cấu trúc của cơ thể hay trở thành ezim xúc tác cho một phản ứng nào đó. Nhƣ vậy, những biến đổi trong ADN có thể dẫn tới những biến đổi trong cấu trúc của cơ thể hoặc những biến đổi trong các phản ứng hóa học của cơ thể. 1.2.2. Cấu trúc không gian của gene (Watson, Crick – 1953) ADN là 1 chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch PolyNu xoắn đều quanh 1 trục, từ trái sang phải, nhƣ 1 cái thang dây xoắn. Trong đó, tay thang là sự liên kết giữa phần tử đƣờng và axit photphoric xen kẽ nhau, còn bậc thang là 1 cặp bazơ nitric đứng đối diện và liên kết với nhau bằng liên kết hydro theo nguyên tắc bổ sung, Adenin liên kết với Thyamin bằng 2 cầu nối hydro, Guanin liên kết với Cytosin bằng 3 cầu nối hydro. Kích thƣớc ADN: Đƣờng kính vòng xoắn: 2 nm, chiều dài vòng xoắn (mỗi vòng xoắn gồm 10 cặp Nu): 3,4 nm. Trong một số loài virus và thể ăn khuẩn, ADN chỉ gồm 1 mạch PolyNu. Vi khuẩn của ti thể, lạp thể có ADN dạng vòng xoắn kép. 1.2.3. Liên kết của phân tử ADN và ý nghĩa + Các nucleotit trên một mạch đơn liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị (liên kết photphodieste) rất bền vững bảo đảm thông tin di truyền trên trên mỗi mạch đơn ổn định; + Giữa các nucleotit trên 2 mạch đơn liên kết với nhau bằng liên kết hydro theo nguyên tắc bổ sung. Tuy là loại liên kết không bền nhƣng do số lƣợng trên Đa dạng sinh học 7 ADN lớn cho nên vẫn đảm bảo cấu trúc không gian ADN ổn định và dể bị cắt đứt khi tái bản Hình 1.3: Cấu trúc không gian của gen Hình 1.4. Liên kết của phân tử ADN Hình 1.5. Cơ chế tự nhân đôi của ADN Đa dạng sinh học 8 1.2.4. Cơ chế tự nhân đôi của ADN Quá trình tự nhân đôi của ADN diễn ra chủ yếu trong nhân tế bào. Dƣới tác dụng của enzym Polymeraza, chuỗi xoắn kép ADN duỗi ra, 2 mạch đơn tách nhau dần. Mỗi nucleotit ở một mạch đơn sẽ kết hợp với một nucleotit tự do có trong nội bào tạo thành mạch đơn mới. Nhƣ vậy sẽ tạo nên 2 phân tử ADN “con”, trong đó mỗi phân tử ADN “con” có 1 mạch PolyNucleotit của ADN “mẹ”, mạch còn lại mới đƣợc tổng hợp nên. 1.2.5. Cơ chế tổng hợp ARN Dƣới tác dụng của enzym Polymeraza chuỗi xoắn kép ADN duỗi ra làm cho 2 mạch đơn tách nhau dần ra. Các nucleotit trên 1 mạch đơn (mạch mã gốc) sẽ kết hợp với các ribonucleotit tự do lấy từ nội bào theo nguyên tắc bổ sung, Adenin liên kết với Uracil bằng 2 cầu nối hydro, Guanin liên kết với Cytosin bằng 3 cầu nối hydro. 1.3. Chức năng của Gene Điều hoà thông tin di truyền: Các Nu liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung nên chiều rộng ADN ổn định, các vòng xoắn ADN dễ liên kết với protein dẫn đến cấu trúc ADN ổn định, thông tin di truyền đƣợc điều hoà. Bảo quản thông tin di truyền: Nhờ quá trình tự nhân đôi, thông tin di truyền đƣợc truyền đạt nguyên vẹn từ thế hệ này sang thế hệ khác. Truyền đạt thông tin di truyền: trình tự sắp xếp các Nu trong ADN (gene) quy định trình tự sắp xếp axit amin trong protein, quy định tính trạng và đặc tính của cơ thể. Đa dạng sinh học 9 2. ĐỘT BIẾN GENE 2.1. Khái niệm đột biến và đột biến gene Đột biến (hay biến dị di truyền) là những biến đổi bất thƣờng trong vật chất di truyền (NST, ADN) dẫn đến sự biến đổi đột ngột của một hoặc một số tính trạng, những biến đổi này có thể di truyền cho các đời sau. Đột biến là một loại biến dị di truyền xảy ra do những biến đổi đột ngột về cấu trúc và số lƣợng trong vật chất di truyền, đã đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong tiến hóa, thúc đẩy sự đa dạng sinh giới. Một trong những nhân tố quyết định góp phần tạo nên thế giới sống đầy phong phú ngày nay, cho trái đất xanh, trong đó có loài ngƣời. Và bất chấp mọi chủ đích của con ngƣời, muốn hay không muốn, đột biến đã, vẫn đang và sẽ luôn xảy ra. Đột biến gene là những biến đổi trong số lƣợng, thành phần, trật tự các cặp nuclêôtit, xảy ra tại một điểm nào đó trên phân tử ADN. Những biến đổi đó dẫn đến những biến đổi trong cấu trúc phân tử protein và biểu hiện thành một biến đổi đột ngột về một tính trạng nào đó. Mỗi biến đổi ở một cặp nuclêôtít nào đó sẽ gây một đột biến gene. 2.2.Các dạng đột biến gene thƣờng gặp Có nhiều loại đột biến khác nhau, song ngƣời ta vẫn nói đến những dạng đột biến thƣờng gặp nhƣ sau: - Mất một cặp nuclêôtit - Thêm một cặp nuclêôtít - Thay thế một cặp nuclêôtít - Đảo vị trí một cặp nuclêôtít. [...]... nhanh và chính xác những con bò làm giống 17 Đa dạng sinh học CHƢƠNG II: ĐA DẠNG GENE 1 ĐA DẠNG GENE Đa dạng gene (hay đa dạng di truyền) là đòi hỏi của bất kỳ loài nào để đảm bảo sự sinh sản, chịu đựng bệnh tật và khả năng thích nghi với các điều kiện môi trƣờng luôn luôn thay đổi Đa dạng di truyền trong một loài thƣờng đƣợc thể hiện qua bản chất của sự sinh sản trong quần thể Các cá thể trong quần... các cá thể thực vật, động vật, nấm, và vi sinh vật Đa dạng di truyền tồn tại trong một loài và giữa các loài khác nhau Đa dạng di truyền là sự đa dạng về thành phần gene giữa các cá thể trong cùng một loài và giữa các loài khác nhau; là sự đa dạng về gene có thể di truyền đƣợc trong một quần thể hoặc giữa các quần thể Đa dạng di truyền là biểu hiện sự đa dạng của các biến dị có thể di truyền trong... GENE Đa dạng sinh học cần đƣợc bảo tồn bằng một loạt các biện pháp nhằm đảm bảo an toàn cho các loài và các kho dự trữ gene nhƣ xây dựng và duy trì những khu vực bảo vệ, những chiến lƣợc tổng thể kết hợp đƣợc các hoạt động kinh tế với hoạt động bảo vệ trên toàn khu vực Các chính phủ thƣờng quy hoạch những vùng có tầm quan trọng đặc biệt về tính đa dạng sinh học thành những Khu bảo tồn đa dạng sinh học. .. từ 20% đến 50% số loài trên Trái Đất Suy thoái đa dạng sinh học làm cho loài ngƣời mất dần các nguồn tài nguyên quý giá ( lƣơng thực, thực phẩm, dƣợc liệu, nguyên vật liệu, gene, tiện nghi môi trƣờng….) đồng thời phải chống chịu với các tai biến sinh thái ngày càng tăng (dịch bệnh gia súc, dịch hại cây trồng…) do mất cân bằng sinh thái Suy thoái sinh học ở Việt Nam đến nay là rất đáng ngại trong vòng... kiện cho gene đã ghép đƣợc biểu hiện 13 Đa dạng sinh học 3.2 Tạo ra các chủng vi sinh vật mới Tạo ra các chủng vi sinh vật mới có khả năng sản xuất nhiều loại sản phẩm sinh học (axit amin, prôtêin, vitamin, enzim, hoocmôn, kháng sinh ) với số lƣợng lớn và giá thành rẻ Ngày nay, ngƣời ta đã cấy gene tổng hợp kháng sinh của xạ khuẩn vào những chủng vi khuẩn dễ nuôi và sinh sản nhanh nhƣ E.coli góp phần nâng... cây trồng đang được lưu giữ: Hiện nay đang lƣu giữ khoai Môn - Sọ Có 3 loại kho bảo quản in vitro – ngắn, trung và dài hạn Tùy theo nhu cầu bảo quản mà tốc độ sinh trƣởng của vật liệu đƣợc làm giảm với mức độ khác nhau Bảo quản ngắn hạn vật liệu là để cung cấp cho các nhu cầu chọn, tạo giống và 33 Đa dạng sinh học nghiên cứu của mỗi cơ sở Trong bảo quản bằng sinh trƣởng chậm (trung hạn) tốc độ sinh trƣởng... lan 2 35 358 Tổng số [Nguồn: Khoa học công nghệ và phát triển nông thôn 20 năm đổi mới, bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn Việt Nam, 2005] 24 Đa dạng sinh học 3 TÌNH TRẠNG SUY THOÁI ĐA DẠNG GENE Ngoài việc tạo ra các giống mới không phải là đảm bảo cho tính đa dạng của gene khi chƣa biết trƣớc những sản phẩm đó có gây hại cho con ngƣời hay không thì con ngƣời đã và đang tiêu diệt rất nhiều loài động... nếu có sẽ ảnh hƣởng nhiều đến tính đa dạng của sinh vật Đối với các gene duy trì sự tồn tại của các gene khác cũng tƣơng tự nhƣ vậy Hơn nữa, một số lớn các biến dị phân tử trong hệ thống miễn dịch của động vật có vú đƣợc quy định bởi một số lƣợng nhỏ các gene di truyền 1.2 Tính đa dạng ở mức độ của các nhóm sinh vật 1.2.1 Sự đa dạng gene ở động vật Đối với các dữ liệu allozyme tức là trị số trung bình... hàng gene invitro Đây là tập đoàn các vật liệu di truyền đƣợc bảo quản trong môi trƣờng dinh dƣỡng nhân tạo, trong điều kiện vô trùng * Hình thức lưu giữ: Lƣu giữ cây con, cơ quan, mô, phôi, tế bào, ADN của các nguồn gene trong điều kiện duy trì sinh trƣởng tối thiểu hoặc ngừng sinh trƣởng tạm thời * Đối tượng: - Vật liệu sinh sản vô tính 32 Đa dạng sinh học - Các loại cây có hạt - Các nguồn gene... cóc Tam Đảo, cá sấu… - Thực vật: sâm Ngọc Linh, bời lời, trắc, càte, trầm hƣơng 25 Đa dạng sinh học CHƢƠNG III: BẢO TỒN GENE Khi các loài sinh vật đang bị suy thoái và một số đang có nguy cơ tuyệt chủng thì chúng ta phải có những hình thức để bảo tồn các nguồn gene quý giá để lƣu giữ cho các thế hệ mai sau Bảo tồn sự đa dạng và di truyền là điều vô cùng quan trọng để giữ vững và cải thiện năng suất, . giống. Đa dạng sinh học 18 CHƢƠNG II: ĐA DẠNG GENE 1. ĐA DẠNG GENE Đa dạng gene (hay đa dạng di truyền) là đòi hỏi của bất kỳ loài nào để đảm bảo sự sinh sản, chịu đựng bệnh. đa dạng sinh học lớn nhất thế giới và xếp thứ 16 về mức độ sinh học (chiếm 6,5% số loài có trên thế giới, xem bảng 3). Tuy nhiên, Việt Nam cũng chính là một trong những nƣớc mà đa dạng sinh. có đƣợc nâng lên, công tác bảo vệ đa dạng sinh học có tiến bộ nhƣng những mất mát là khó có thể bù đắp. Đa dạng sinh học 4 PHẦN I: ĐA DẠNG DI TRUYỀN CHƢƠNG 1: GENE VÀ ĐỘT