Sinh vật nhân sơ (Prokaryote)

Sinh vật nhân sơ (Prokaryote, từ tiếng Hy Lạp pro (πρό) “trước” và karyon (κάρυον) “nhân”) là một nhóm sinh vật đơn bào thiếu cấu trúc màng nhân cũng như các bào quan có màng bao bọc khác, bao gồm ty thể, lục lạp và lưới nội chất. DNA của chúng thường nằm trong một vùng tế bào chất được gọi là vùng nhân (nucleoid). Hầu hết sinh vật nhân sơ có kích thước nhỏ, đường kính từ 0.1 đến 5 μm.

Đặc điểm chính của sinh vật nhân sơ:

Thiếu màng nhân: Đây là điểm khác biệt quan trọng nhất giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực (Eukaryote). DNA của sinh vật nhân sơ không được bao bọc bởi màng nhân mà nằm tự do trong tế bào chất, thường tập trung tại vùng nhân. Vùng nhân này khác với nhân tế bào của sinh vật nhân thực ở chỗ nó không có màng bao bọc rõ ràng.
DNA dạng vòng: DNA của sinh vật nhân sơ thường tồn tại dưới dạng một phân tử DNA vòng, đôi khi có thêm các plasmid (những phân tử DNA vòng nhỏ hơn, mang gen độc lập). Plasmid có thể mang các gen kháng kháng sinh hoặc các gen trao đổi chất đặc biệt.
Kích thước nhỏ: So với sinh vật nhân thực, sinh vật nhân sơ có kích thước nhỏ hơn nhiều. Kích thước nhỏ này giúp chúng có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi chất với môi trường.
Ribosome nhỏ hơn: Ribosome của sinh vật nhân sơ có kích thước 70S (đơn vị Svedberg), trong khi ribosome của sinh vật nhân thực là 80S. Sự khác biệt về kích thước và cấu tạo ribosome là một mục tiêu quan trọng cho một số loại kháng sinh.
Thành tế bào: Hầu hết sinh vật nhân sơ có thành tế bào, giúp duy trì hình dạng tế bào và bảo vệ tế bào khỏi áp suất thẩm thấu. Thành tế bào của vi khuẩn được cấu tạo chủ yếu từ peptidoglycan. Tuy nhiên, thành tế bào của Archaea có thành phần hóa học khác với vi khuẩn.
Sinh sản vô tính: Sinh vật nhân sơ thường sinh sản vô tính bằng cách phân đôi, một quá trình nhanh chóng và hiệu quả trong điều kiện môi trường thuận lợi.
Đa dạng về chuyển hóa: Sinh vật nhân sơ thể hiện sự đa dạng đáng kinh ngạc về chuyển hóa, có thể sống trong nhiều môi trường khác nhau, từ suối nước nóng đến băng đá, từ môi trường giàu oxy đến môi trường yếm khí. Chúng đóng vai trò quan trọng trong các chu trình sinh địa hóa toàn cầu.

Phân loại sinh vật nhân sơ

Theo hệ thống ba vực (Three-domain system), sinh vật nhân sơ được chia thành hai vực:

Vi khuẩn (Bacteria): Đây là nhóm sinh vật nhân sơ phổ biến nhất, được tìm thấy trong hầu hết các môi trường trên Trái Đất. Chúng có thành tế bào chứa peptidoglycan. Vi khuẩn thể hiện sự đa dạng lớn về hình thái, chuyển hóa và môi trường sống.
Cổ khuẩn (Archaea): Nhóm này có nhiều điểm khác biệt so với vi khuẩn, đặc biệt là cấu trúc thành tế bào và các quá trình sinh hóa. Cổ khuẩn thường sống trong các môi trường khắc nghiệt, như suối nước nóng, hồ mặn, đầm lầy, v.v. Một số loài cổ khuẩn cũng có thể sống trong môi trường bình thường.

Vai trò của sinh vật nhân sơ

Sinh vật nhân sơ đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh thái, bao gồm:

Phân hủy chất hữu cơ: Vi khuẩn và cổ khuẩn phân hủy chất hữu cơ, giúp tái tạo chất dinh dưỡng cho môi trường. Quá trình này rất quan trọng cho chu trình tuần hoàn các nguyên tố trong tự nhiên.
Cố định nitơ: Một số vi khuẩn có khả năng cố định nitơ từ khí quyển, chuyển đổi thành dạng mà cây trồng có thể sử dụng. Ví dụ như vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần của cây họ đậu.
Sản xuất thực phẩm: Vi khuẩn được sử dụng trong sản xuất nhiều loại thực phẩm, như sữa chua, pho mát, dưa chua, nhờ vào quá trình lên men của chúng.
Gây bệnh: Một số vi khuẩn có thể gây bệnh cho người, động vật và thực vật. Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ vi khuẩn là gây bệnh.
Ứng dụng trong công nghệ sinh học: Sinh vật nhân sơ được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học, ví dụ như sản xuất thuốc kháng sinh, enzyme và các sản phẩm sinh học khác. Chúng cũng được sử dụng trong kỹ thuật di truyền và xử lý môi trường.

Cấu trúc tế bào sinh vật nhân sơ

Mặc dù đơn giản hơn so với tế bào nhân thực, tế bào nhân sơ vẫn sở hữu một số cấu trúc quan trọng:

Vùng nhân (nucleoid): Khu vực chứa DNA của tế bào. DNA thường tồn tại dưới dạng một phân tử DNA vòng, đôi khi kèm theo plasmid. Vùng nhân không có màng bao bọc.
Ribosome: Nơi tổng hợp protein. Ribosome của sinh vật nhân sơ có kích thước 70S, nhỏ hơn ribosome của sinh vật nhân thực (80S).
Tế bào chất (cytoplasm): Chất lỏng bên trong tế bào, chứa ribosome, DNA và các phân tử khác.
Màng tế bào (plasma membrane): Lớp màng bao bọc tế bào, kiểm soát sự vận chuyển chất vào và ra khỏi tế bào. Màng tế bào cũng tham gia vào quá trình hô hấp tế bào ở vi khuẩn.
Thành tế bào (cell wall): Lớp cứng bên ngoài màng tế bào, giúp duy trì hình dạng tế bào và bảo vệ tế bào khỏi áp suất thẩm thấu. Thành tế bào của vi khuẩn chứa peptidoglycan, trong khi thành tế bào của cổ khuẩn không chứa peptidoglycan mà được cấu tạo từ các phân tử khác.
Nha bào (capsule) (ở một số loài): Lớp vỏ bọc bên ngoài thành tế bào, giúp vi khuẩn bám dính vào bề mặt và bảo vệ chúng khỏi hệ miễn dịch của vật chủ.
Roi (flagellum) (ở một số loài): Cấu trúc giúp vi khuẩn di chuyển.
Lông nhung (pili) (ở một số loài): Cấu trúc ngắn hơn roi, tham gia vào quá trình tiếp hợp (trao đổi vật chất di truyền giữa các tế bào vi khuẩn) và bám dính vào bề mặt.

Sự khác biệt giữa Vi khuẩn và Cổ khuẩn

Mặc dù đều là sinh vật nhân sơ, vi khuẩn và cổ khuẩn có nhiều điểm khác biệt quan trọng:

Đặc điểm	Vi khuẩn	Cổ khuẩn
Thành phần thành tế bào	Peptidoglycan	Không có peptidoglycan (pseudomurein ở một số loài)
Lipid màng tế bào	Liên kết ester	Liên kết ether
RNA polymerase	Một loại	Nhiều loại
Khởi đầu tổng hợp protein	Formylmethionine	Methionine
Nhạy cảm với kháng sinh	Có	Không (đối với hầu hết các loại kháng sinh nhắm vào vi khuẩn)
Môi trường sống	Đa dạng	Thường là môi trường khắc nghiệt (nhưng cũng có thể tìm thấy trong môi trường bình thường)

Sinh vật nhân sơ và sức khỏe con người

Sinh vật nhân sơ có tác động to lớn đến sức khỏe con người, cả tích cực lẫn tiêu cực:

Gây bệnh: Nhiều loại vi khuẩn gây ra các bệnh nhiễm trùng ở người, ví dụ như *Streptococcus*, *Staphylococcus*, *E. coli*, *Salmonella*. Việc tìm hiểu về các vi khuẩn gây bệnh này là rất quan trọng để phát triển các phương pháp điều trị và phòng ngừa.
Hỗ trợ tiêu hóa: Vi khuẩn có lợi trong đường ruột giúp tiêu hóa thức ăn và tổng hợp vitamin, ví dụ như các loài thuộc chi *Bifidobacterium* và *Lactobacillus*. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hệ vi sinh vật đường ruột khỏe mạnh.
Sản xuất thuốc kháng sinh: Nhiều loại kháng sinh được sản xuất từ vi khuẩn hoặc nấm. Ví dụ, *Streptomyces* là một chi vi khuẩn được sử dụng rộng rãi để sản xuất kháng sinh.

Tương lai của nghiên cứu về sinh vật nhân sơ

Nghiên cứu về sinh vật nhân sơ vẫn đang tiếp tục phát triển, tập trung vào các lĩnh vực như:

Kháng kháng sinh: Tìm kiếm các phương pháp mới để chống lại vi khuẩn kháng kháng sinh. Đây là một vấn đề cấp bách trong y tế công cộng.
Vi sinh vật môi trường: Nghiên cứu vai trò của vi khuẩn và cổ khuẩn trong các hệ sinh thái khác nhau, bao gồm cả việc ứng dụng chúng trong xử lý ô nhiễm môi trường.
Công nghệ sinh học: Ứng dụng sinh vật nhân sơ trong sản xuất các sản phẩm sinh học, năng lượng sinh học và xử lý ô nhiễm môi trường. Lĩnh vực này có tiềm năng lớn trong việc phát triển các công nghệ bền vững.

Tóm tắt về Sinh vật nhân sơ

Sinh vật nhân sơ là nhóm sinh vật đơn bào không có màng nhân và các bào quan có màng bao bọc. Điểm này phân biệt chúng với sinh vật nhân thực, có cấu trúc tế bào phức tạp hơn. Kích thước nhỏ bé, thường từ 0.1 đến 5 μm, cũng là một đặc điểm nhận dạng. Hãy nhớ rằng, mặc dù đơn giản, sinh vật nhân sơ sở hữu bộ máy di truyền hoàn chỉnh, cho phép chúng sinh sản và tiến hóa.

DNA của sinh vật nhân sơ thường tồn tại ở dạng vòng nằm trong vùng nhân, không phải trong nhân thật sự. Chúng cũng có thể mang plasmid, những phân tử DNA vòng nhỏ độc lập, mang gen kháng kháng sinh hoặc các đặc điểm thích nghi khác. Ribosome 70S, nhỏ hơn ribosome 80S của sinh vật nhân thực, là nơi tổng hợp protein diễn ra.

Thành tế bào, hầu như luôn hiện diện ở sinh vật nhân sơ, cung cấp sự bảo vệ và duy trì hình dạng tế bào. Thành phần của thành tế bào là một yếu tố phân loại quan trọng, phân biệt vi khuẩn (có peptidoglycan) với cổ khuẩn (không có peptidoglycan). Sự đa dạng trao đổi chất đáng kinh ngạc cho phép sinh vật nhân sơ tồn tại trong hầu hết mọi môi trường trên Trái Đất, từ suối nước nóng đến biển sâu.

Cuối cùng, đừng quên vai trò sinh thái quan trọng của sinh vật nhân sơ. Chúng tham gia vào các quá trình thiết yếu như phân hủy chất hữu cơ, cố định đạm, và thậm chí là gây bệnh. Việc nghiên cứu sinh vật nhân sơ không chỉ giúp chúng ta hiểu về sự sống trên Trái Đất mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong y học, nông nghiệp và công nghệ sinh học.

Tài liệu tham khảo:

Brock Biology of Microorganisms (Madigan et al.)
Prescott’s Microbiology (Willey et al.)
Principles of Biochemistry (Lehninger et al.)

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa thành tế bào của vi khuẩn và cổ khuẩn là gì?

Trả lời: Thành tế bào của vi khuẩn chứa peptidoglycan, một loại polymer gồm các chuỗi carbohydrate được liên kết chéo bởi các peptide. Trong khi đó, thành tế bào của cổ khuẩn không chứa peptidoglycan mà được cấu tạo từ các pseudopeptidoglycan (pseudomurein) hoặc các phân tử khác như protein, glycoprotein, hoặc polysaccharide. Sự khác biệt này là một đặc điểm quan trọng giúp phân biệt hai vực sinh vật nhân sơ này.

Plasmid đóng vai trò gì trong sinh vật nhân sơ?

Trả lời: Plasmid là những phân tử DNA vòng nhỏ, nằm ngoài nhiễm sắc thể chính của sinh vật nhân sơ. Chúng mang các gen không thiết yếu cho sự sống của tế bào nhưng có thể mang lại lợi thế sinh tồn trong một số điều kiện nhất định, ví dụ như gen kháng kháng sinh, gen chịu đựng kim loại nặng, hoặc gen mã hóa các enzyme đặc biệt. Plasmid có thể tự nhân đôi độc lập với nhiễm sắc thể và có thể được truyền giữa các tế bào vi khuẩn.

Quá trình tiếp hợp ở vi khuẩn diễn ra như thế nào?

Trả lời: Tiếp hợp là một quá trình truyền vật chất di truyền giữa các tế bào vi khuẩn thông qua tiếp xúc trực tiếp. Vi khuẩn cho mang một plasmid gọi là plasmid F (fertility factor), mã hóa cho sự hình thành pili. Pili là những sợi lông nhỏ giúp vi khuẩn cho kết nối với vi khuẩn nhận. Plasmid F, hoặc một phần của nhiễm sắc thể vi khuẩn mang plasmid F, sau đó được sao chép và chuyển sang vi khuẩn nhận.

Tại sao sinh vật nhân sơ lại quan trọng trong chu trình nitơ?

Trả lời: Sinh vật nhân sơ đóng vai trò quan trọng trong nhiều giai đoạn của chu trình nitơ, bao gồm cố định nitơ, nitrat hóa, và phản nitrat hóa. Một số vi khuẩn có khả năng cố định nitơ từ khí quyển (N$_2$) thành amoniac (NH$_3$), một dạng nitơ mà thực vật có thể sử dụng. Các vi khuẩn khác chuyển đổi amoniac thành nitrit (NO$_2^−$) và nitrat (NO$_3^−$), cũng là những dạng nitơ mà thực vật có thể hấp thụ. Cuối cùng, một số vi khuẩn khác thực hiện phản nitrat hóa, chuyển đổi nitrat trở lại thành khí nitơ, hoàn thành chu trình.

Làm thế nào vi khuẩn có thể kháng kháng sinh?

Trả lời: Vi khuẩn có thể kháng kháng sinh thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm: 1) sản xuất enzyme phá hủy hoặc biến đổi kháng sinh, 2) biến đổi vị trí đích của kháng sinh trên tế bào vi khuẩn, 3) giảm khả năng kháng sinh xâm nhập vào tế bào, và 4) bơm kháng sinh ra khỏi tế bào. Sự kháng kháng sinh có thể phát sinh do đột biến gen hoặc do sự trao đổi gen giữa các vi khuẩn, bao gồm cả việc truyền plasmid mang gen kháng kháng sinh.

Một số điều thú vị về Sinh vật nhân sơ

Số lượng khổng lồ: Số lượng tế bào vi khuẩn trong cơ thể người nhiều hơn số lượng tế bào của chính chúng ta! Ước tính có khoảng 100 nghìn tỷ tế bào vi khuẩn cư trú trong cơ thể, chủ yếu ở ruột.
Sống sót trong môi trường khắc nghiệt: Cổ khuẩn, một loại sinh vật nhân sơ, được tìm thấy trong những môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái Đất, như suối nước nóng, miệng núi lửa dưới biển, và thậm chí cả trong các hồ nước mặn bão hòa. Chúng được coi là những dạng sống “cực đoan”, có khả năng chịu đựng nhiệt độ, áp suất và độ mặn cực cao.
Giao tiếp bằng “ngôn ngữ hóa học”: Vi khuẩn có thể giao tiếp với nhau bằng cách tiết ra các phân tử tín hiệu hóa học. Quá trình này, được gọi là “quorum sensing”, cho phép vi khuẩn phối hợp hành động, chẳng hạn như hình thành màng sinh học hoặc sản xuất độc tố.
Kháng sinh từ vi khuẩn: Nhiều loại kháng sinh được sử dụng hiện nay có nguồn gốc từ chính vi khuẩn. Chúng sản xuất các chất này để cạnh tranh với các vi sinh vật khác trong môi trường.
Vi khuẩn sản xuất điện: Một số loại vi khuẩn có khả năng sản xuất điện. Nghiên cứu về các “vi khuẩn điện” này đang được tiến hành để phát triển các nguồn năng lượng mới và các ứng dụng trong xử lý nước thải.
“Hóa thạch sống”: Cyanobacteria, một loại vi khuẩn quang hợp, được coi là một trong những dạng sống lâu đời nhất trên Trái Đất. Chúng đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra oxy trong khí quyển của Trái Đất hàng tỷ năm trước.
Vi khuẩn trong mây: Vi khuẩn có thể được tìm thấy trong mây và đóng vai trò trong việc hình thành mưa và tuyết. Chúng hoạt động như nhân ngưng tụ, giúp hơi nước ngưng tụ thành giọt nước.
Vi khuẩn trong không gian: Vi khuẩn đã được tìm thấy sống sót trong môi trường khắc nghiệt của không gian, bên ngoài Trái Đất. Điều này đặt ra câu hỏi về khả năng tồn tại sự sống trên các hành tinh khác.