ĐOÀN SUY NGHĨ (chủ biên)
LÊ VĂN TRỌNG
LÝ SINH HỌC
Huế 2005
LỜI NÓI ĐẦU
Ở Việt Nam và trên thế giới Lý sinh (biophysics) là môn học cơ sở được dạy trong các
trường đại học Khoa học, đai học Y - Dược, đại học Nông nghiệp, đại học Sư phạm, đại
học Thuỷ sản v.v... Hiểu được Lý sinh, cùng với một số môn khoa học cơ bản khác sẽ
hiểu được các nguyên lí của các quá trình sinh học, đặc biệt là cơ chế hoá lí và bản chất
vật lý của các hiện tượng sống. Để viết được giáo trình Lý sinh vừa bao hàm những kiến
thức cơ bản vừa cập nhật những thông tin mới, thật là một công việc hết sức khó khăn.
Nhưng với mong muốn phục vụ kịp thời kiến thức cơ bản về Lý sinh trong khuôn khổ
của dự án Giáo dục đại học mức B, chúng tôi đã mạnh dạn viết giáo trình này. Giáo trình
Lý sinh không chỉ phục vụ cho các sinh viên của các trường thuộc Đại học Huế mà còn là
tài liệu cần thiết cho những ai quan tâm đến chuyên ngành Lý sinh. Phân công nội dung:
- Mở đầu, chương 1, 2, 3, 7, 8, 9 do Tiến sỹ Đoàn Suy Nghĩ biên soạn.
- Chương 4, 5, 6 do Tiến sỹ Lê Văn Trọng biên soạn.
Để viết được giáo trình này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban dự án Giáo dục đại
học của Đại học Huế, GS. TS. Nguyễn Thị Kim Ngân và GS. TSKH. Lê Doãn Diên đã
đọc và đóng góp những ý kiến quí báu cho giáo trình này.
Để giáo trình ngày càng hoàn thiện, chúng tôi mong nhận được sự góp ý của người đọc
gần xa.
Chủ biên
Tiến sỹ: Đoàn Suy Nghĩ
MỞ ĐẦU
LÝ SINH, SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN
Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học đã được thực hiện vào cuối thế kỷ
XVIII. Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp là Lavoadie và Laplace đã tiến hành thí nghiệm
để khảo sát tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống.
Năm 1791, Galvani, giáo sư giải phẫu trường đại học Bolon (Italia) đã công bố kết quả
nghiên cứu trong quyển sách "Bàn về các lực điện động vật trong co cơ", khẳng định có
tồn tại dòng điện sinh vật. Năm 1859, Raymond đã phát hiện phần trước và phần sau cầu
mắt động vật có xương sống tồn tại một hiệu điện thế và đo được giá trị từ 10 đến 38mV,
gọi là điện thế tĩnh (hay điện thế nghỉ ngơi). Năm 1865, Holgreen phát hiện được giá trị
hiệu điện thế giữa phần trước và phần sau cầu mắt động vật có xương sống sẽ tăng lên
khi mắt được chiếu sáng. Sau này các nhà khoa học xác định, đó chính là điện thế hoạt
động (hay điện thế hưng phấn). Năm 1875, Calton khẳng định khi mắt được chiếu sáng,
không những điện cầu mắt tăng lên như Holgreen đã phát hiện mà điện ở vùng thị giác
trên bán cầu đại não cũng tăng lên. Sau này các nhà khoa học xác định đó chính là dòng
điện hưng phấn xuất hiện khi mắt được chiếu sáng, đã lan truyền theo dây thần kinh thị
giác tới vùng thị giác trên bán cầu đại não, dẫn tới hiệu ứng sinh học là cảm nhận được
ánh sáng. Năm 1922, Erlanger và Gasser dùng dao động ký âm cực để đo dòng điện hưng
phấn xuất hiện trong dây thần kinh. Năm 1922,Viện Lý sinh ở Liên Xô cũ được thành
lập.
Năm 1929, Berger ghi được điện não đồ của động vật. Lịch sử hình thành Lý sinh đã
được Taruxop, giáo sư trường Đai học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý sinh được
xem như là một khoa học bắt đầu được hình thành từ thế kỷ XIX".
Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ những nghiên cứu khoa học về Lý sinh trong
các lĩnh vực: Nhiệt động học, động học của các quá trình sinh vật, vận chuyển chất qua
màng tế bào, quang sinh học và phóng xạ sinh học v.v...
Thời kỳ đầu Lý Sinh được xác định như là một ngành khoa học nghiên cứu các hiện
tượng vật lý trong hệ thống sống. Sau đó Lý sinh được xác định như là một ngành khoa
học nghiên cứu các cơ chế vật lí, đặc biệt là cơ chế hoá lý của các quá trình xảy ra trong
hệ thống sống ở mức độ phân tử, tế bào, mô và cơ thể.
Bước sang thế kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đang được đặt ra cho các nhà Lý sinh cần phải
nghiên cứu. Đó là năng lượng sinh học, sự chuyển hoá năng lượng và sử dụng năng
lượng của hệ thống sống? Bản chất và cơ chế hình thành điện thế sinh vật? Hiện tượng
phân cực ở trong hệ thống sống xảy ra như thế nào và có gì khác so với ở hệ vật lý ? Bản
chất của quá trình hưng phấn là vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu.
Các chỉ số đặc trưng về vật lý và hoá lý đối với tế bào, mô, cơ quan, cơ thể có mối liên
quan như thế nào trong hệ thống tiến hoá ? Vấn đề tự điều chỉnh các quá trình sinh học
của cơ thể sống trước những thay đổi của yếu tố môi trường cũng đang được các nhà Lý
sinh quan tâm nghiên cứu. Sinh học phóng xạ hiện đang thu hút nhiều nhà khoa học đi
sâu nghiên cứu nhằm phục vụ cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực
phẩm, công cuộc chinh phục vũ trụ, sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình
và không loại trừ khả năng có cuộc chạy đua vũ trang trong việc nắm giữ "đòn hạt nhân
đầu tiên" với tham vọng bá quyền thế giới ?
Chương 1
NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT
I. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu
Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá
giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của
các quá trình xảy ra trong hệ thống sống.
Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì vậy
nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của
nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vật
chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản...
nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí... Hiện nay nhiệt động học hệ
sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau:
- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn
bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệu
suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên
kết của các cao phân tử sinh học.
- Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quá
trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực...
- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình chuyển
hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường.
II. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản
- Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên cứu.
Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên
cứu thì quần thể là một hệ.
- Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi trường
xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui mô thí
nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng để
nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa.
- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi
năng lượng với môi trường xung quanh.
- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ:
cơ thể sống là một hệ mở.
- Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như
nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi...
- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị nhất
định và không đổi theo thời gian.
- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc độ
chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem như trạng thái của hệ là trạng thái cân
bằng.
- Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suất
và thể tích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.