Bài học

Tế bào lớn lên và vì sao không thể lớn mãi

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao một tế bào mới sinh ra phải lớn lên trước khi phân chia, và vì sao nó không thể lớn lên mãi mà luôn dừng lại ở một kích thước rất nhỏ, dựa trên mối quan hệ giữa diện tích bề mặt và thể tích của tế bào.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở bài học trước trong môn Khoa học tự nhiên lớp 6, em đã biết mỗi tế bào có một lớp màng mỏng bao ngoài, ngăn cách nó với môi trường xung quanh, và mọi chất đi vào hay đi ra khỏi tế bào đều phải xuyên qua lớp màng đó (same-grade bridge). Bài này dùng chính đặc điểm đó để giải thích một giới hạn khá bất ngờ: vì sao tế bào luôn rất nhỏ.

Khởi động

Nếu một tế bào cứ lớn lên mãi, tại sao em chưa từng nhìn thấy một tế bào to bằng hạt đậu, dù chỉ bằng mắt thường? Điều gì đang ngăn nó lớn thêm?

Kiến thức trọng tâm

Sau một lần phân chia, mỗi tế bào con còn khá nhỏ so với tế bào mẹ ban đầu. Nó lấy nước, chất dinh dưỡng và oxygen từ môi trường xung quanh, dùng những chất đó để tổng hợp thêm chất sống mới bên trong — quá trình này khiến tế bào to dần lên theo thời gian, giống như một cơ thể non lớn lên nhờ ăn uống đều đặn.

Nhưng mọi chất tế bào trao đổi với môi trường — lấy vào chất dinh dưỡng, thải ra chất cặn bã — đều phải đi qua bề mặt màng tế bào. Trong khi đó, lượng chất sống cần được nuôi lại nằm ở bên trong, tỉ lệ với thể tích tế bào. Vấn đề nằm ở chỗ: khi tế bào to lên, thể tích tăng nhanh hơn hẳn diện tích bề mặt. Đến một lúc nào đó, bề mặt không còn đủ rộng để phục vụ hết khối chất sống ở bên trong nữa.

Để thấy rõ điều này, ta hình dung tế bào như một khối lập phương cho dễ tính. Với một khối lập phương cạnh $a$ , diện tích toàn bộ bề mặt là $S = 6a^2$ (sáu mặt, mỗi mặt rộng $a^2$ ), còn thể tích là $V = a^3$ . Tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích khi đó là $\dfrac{S}{V} = \dfrac{6a^2}{a^3} = \dfrac{6}{a}$ — một tỉ số càng nhỏ khi cạnh $a$ càng lớn. Với khối cạnh $a=1$ , $S = 6\times1^2 = 6$ , $V = 1^3 = 1$ , nên $\dfrac{S}{V} = 6$ . Với khối cạnh $a=2$ , $S = 6\times2^2 = 24$ , $V = 2^3 = 8$ , nên $\dfrac{S}{V} = \dfrac{24}{8} = 3$ — chỉ còn một nửa so với khối cạnh 1. Với khối cạnh $a=4$ , $S = 6\times4^2 = 96$ , $V = 4^3 = 64$ , nên $\dfrac{S}{V} = \dfrac{96}{64} = 1{,}5$ — lại giảm thêm một nửa.

Để thấy rõ điều này, ta hình dung tế bào như một khối lập phương cho dễ tính. Với một khối lập phương cạnh $a$, diện tích toàn bộ bề mặt là $S = 6a^2$ (sáu mặt, mỗi mặt rộng $a^2$), còn thể tích là $V = a^3$. Tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích khi đó là $\dfrac{S}{V} = \dfrac{6a^2}{a^3} = \dfrac{6}{a}$ — một tỉ số càng nhỏ khi cạnh $a$ càng lớn. Với khối cạnh $a=1$, $S = 6\times1^2 = 6$, $V = 1^3 = 1$, nên $\dfrac{S}{V} = 6$. Với khối cạnh $a=2$, $S = 6\times2^2 = 24$, $V = 2^3 = 8$, nên $\dfrac{S}{V} = \dfrac{24}{8} = 3$ — chỉ còn một nửa so với khối cạnh 1. Với khối cạnh $a=4$, $S = 6\times4^2 = 96$, $V = 4^3 = 64$, nên $\dfrac{S}{V} = \dfrac{96}{64} = 1{,}5$ — lại giảm thêm một nửa.

Công thức

S/V = 6/a

: cạnh tăng gấp đôi (1→2→4), tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích giảm còn một nửa mỗi lần (6 → 3 → 1,5).Công thức $S/V = 6/a$: cạnh tăng gấp đôi (1→2→4), tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích giảm còn một nửa mỗi lần (6 → 3 → 1,5).

Tế bào thật không có hình lập phương, nhưng quy luật này vẫn đúng ở bản chất: kích thước càng lớn, bề mặt càng khó theo kịp thể tích. Một tế bào lớn tới một ngưỡng nào đó sẽ không còn đủ diện tích màng để trao đổi chất kịp cho toàn bộ khối chất sống bên trong — nó buộc phải dừng lớn lên và phân chia thành hai tế bào con nhỏ hơn, mỗi tế bào con lại có tỉ số bề mặt trên thể tích tốt hơn để tiếp tục sống. Đây là lý do vì sao mọi tế bào, dù ở người, cây xanh hay vi khuẩn, đều rất nhỏ — thường chỉ vài đến vài chục micromet.

Ví dụ

So sánh tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích của hai khối lập phương

1
Hai khối lập phương có cạnh lần lượt là 1 đơn vị và 3 đơn vị. Tính diện tích bề mặt, thể tích và tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích của mỗi khối. Nếu hai khối đó tượng trưng cho hai tế bào, khối nào trao đổi chất hiệu quả hơn?
2
Diện tích bề mặt: $S_1 = 6\times1^2 = 6$ . Thể tích: $V_1 = 1^3 = 1$ . Tỉ số: $\dfrac{S_1}{V_1} = 6$ .
Diện tích bề mặt: $S_1 = 6\times1^2 = 6$. Thể tích: $V_1 = 1^3 = 1$. Tỉ số: $\dfrac{S_1}{V_1} = 6$.
3
Diện tích bề mặt: $S_2 = 6\times3^2 = 6\times9 = 54$ . Thể tích: $V_2 = 3^3 = 27$ . Tỉ số: $\dfrac{S_2}{V_2} = \dfrac{54}{27} = 2$ .
Diện tích bề mặt: $S_2 = 6\times3^2 = 6\times9 = 54$. Thể tích: $V_2 = 3^3 = 27$. Tỉ số: $\dfrac{S_2}{V_2} = \dfrac{54}{27} = 2$.
4
Vì $6 > 2$ , khối cạnh 1 có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn hơn khối cạnh 3 — nghĩa là mỗi đơn vị thể tích của khối nhỏ có nhiều bề mặt phục vụ hơn.
Vì $6 > 2$, khối cạnh 1 có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn hơn khối cạnh 3 — nghĩa là mỗi đơn vị thể tích của khối nhỏ có nhiều bề mặt phục vụ hơn.
5
Vậy khối cạnh 1 (tế bào nhỏ) trao đổi chất hiệu quả hơn khối cạnh 3 (tế bào lớn), đúng theo quy luật: tế bào càng lớn, tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích càng giảm.

Ví dụ

Vì sao tế bào không thể lớn bằng một hạt đậu (dạng đề kiểm tra)

1
Một bạn học sinh thắc mắc: nếu tế bào cứ lớn lên mãi thay vì phân chia, liệu ta có thể nhìn thấy một tế bào to bằng hạt đậu (đường kính khoảng 8mm) bằng mắt thường không? Hãy giải thích dựa trên mối quan hệ diện tích bề mặt – thể tích.
2
Coi tế bào có dạng gần giống khối lập phương, đường kính hạt đậu khoảng 8mm tương ứng với cạnh khối $a \approx 8$ mm — lớn hơn một tế bào bình thường (cỡ vài chục micromet, tức khoảng 0,00002–0,0001m) hàng trăm nghìn lần.
Coi tế bào có dạng gần giống khối lập phương, đường kính hạt đậu khoảng 8mm tương ứng với cạnh khối $a \approx 8$mm — lớn hơn một tế bào bình thường (cỡ vài chục micromet, tức khoảng 0,00002–0,0001m) hàng trăm nghìn lần.
3
Với $a=8$ mm, tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích chỉ còn $\dfrac{6}{8} = 0{,}75$ — thấp hơn nhiều so với tỉ số $6$ của khối cạnh 1mm, và còn thấp hơn nữa so với một tế bào thật cỡ vài chục micromet.
Với $a=8$mm, tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích chỉ còn $\dfrac{6}{8} = 0{,}75$ — thấp hơn nhiều so với tỉ số $6$ của khối cạnh 1mm, và còn thấp hơn nữa so với một tế bào thật cỡ vài chục micromet.
4
Tỉ số quá thấp nghĩa là bề mặt màng tế bào không đủ diện tích để trao đổi đủ chất dinh dưỡng và oxygen nuôi khối chất sống khổng lồ bên trong — tế bào sẽ không đủ chất nuôi từ chính bên trong trước khi kịp lớn tới kích thước đó.
5
Vậy một tế bào không thể lớn bằng hạt đậu, vì tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích giảm quá thấp ở kích thước lớn khiến việc trao đổi chất không còn đủ — đây chính là lý do sinh học buộc tế bào phải phân chia thay vì tiếp tục lớn lên mãi.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ tế bào lớn thì trao đổi chất tốt hơn, vì 'bề mặt lớn hơn'. Đúng là bề mặt lớn hơn về giá trị tuyệt đối, nhưng thể tích cần nuôi còn lớn hơn nhiều — nên tính theo TỈ SỐ diện tích bề mặt trên thể tích thì tế bào lớn lại kém hiệu quả hơn tế bào nhỏ, chứ không phải ngược lại.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Tế bào lớn lên nhờ lấy chất qua bề mặt màng, nhưng thể tích luôn tăng nhanh hơn diện tích bề mặt ( $S/V = 6/a$ với hình lập phương). Khi tỉ số này giảm quá thấp, tế bào phải dừng lớn và phân chia.

Tế bào lớn lên nhờ lấy chất qua bề mặt màng, nhưng thể tích luôn tăng nhanh hơn diện tích bề mặt ($S/V = 6/a$ với hình lập phương). Khi tỉ số này giảm quá thấp, tế bào phải dừng lớn và phân chia.

Bài tiếp theo mô tả chính quá trình phân chia đó: một tế bào tách thành hai tế bào con như thế nào.