-
Nêu được đối tượng và các lĩnh vực nghiên cứu của sinh học.
-
Trình bày được mục tiêu của môn Sinh học.
-
Phân tích được vai trò của sinh học đối với cuộc sống hằng ngày, đối với sự phát triển kinh tế - xã hội và các vấn đề toàn cầu; mối quan hệ giữa sinh học với các vấn đề xã hội.
-
Trình bày được định nghĩa về phát triển bền vững, vai trò của sinh học đối với sự phát triển bền vững môi trường sống.
-
Nêu được triển vọng phát triển của sinh học trong tương lai, tên các ngành nghề liên quan đến sinh học và các thành tựu công nghệ của một số ngành nghề chủ chốt.
Không chỉ đồ ăn, thức uống, quần áo và nhiều vật dụng chúng ta sử dụng hằng ngày là những sản phẩm trực tiếp có liên quan đến sinh học, mà ngay cả một trí nhớ tuyệt vời, một giọng ca để đời hay một khả năng hội hoạ xuất chúng mà bạn có được cũng đều do tổ hợp gene đặc biệt của bạn tương tác với một môi trường học tập phù hợp. Vậy sinh học nghiên cứu những gì và có vai trò như thế nào đối với đời sống xã hội?
I. SINH HỌC VÀ CÁC LĨNH VỰC CỦA SINH HỌC
1. Khái niệm và đối tượng của sinh học
Sinh học là ngành khoa học nghiên cứu về sự sống. Vì vậy, đối tượng của sinh học chính là các sinh vật cùng các cấp độ tổ chức của thế giới sống.
2. Mục tiêu của sinh học
Mục tiêu của sinh học là tìm hiểu cấu trúc và sự vận hành của các quá trình sống ở các cấp độ tổ chức của sự sống. Qua đó, con người có thể điều khiển, tối ưu hóa nguồn tài nguyên sinh học cũng như phi sinh học, phục vụ cho sự phát triển của xã hội loài người một cách bền vững.
3. Các lĩnh vực nghiên cứu của sinh học
Các lĩnh vực nghiên cứu sinh học có thể chia thành hai loại chính: nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Nghiên cứu cơ bản tập trung vào tìm hiểu cấu trúc của các cấp độ tổ chức sống, phân loại, cách thức vận hành và tiến hóa của thế giới sống.
Nghiên cứu ứng dụng khám phá thế giới sống và tìm cách đưa những phát kiến mới về sinh học ứng dụng vào thực tiễn đời sống. Hai lĩnh vực này ngày càng giao thoa với nhau. Nhiều nghiên cứu cơ bản trong sinh học kết hợp với các ngành khoa học khác và với sự phát triển của các ngành công nghệ đã và đang đưa các thành tựu sinh học vào thực tiễn. Ở góc độ môn học trong Chương trình Giáo dục phổ thông, chúng ta sẽ lần lượt nghiên cứu sinh học theo các lĩnh vực phân chia dựa trên cấp độ tổ chức của thế giới sống. Lớp 10 tìm hiểu về sinh học tế bào và thế giới vi sinh vật; lớp 11 nghiên cứu sinh học cơ thể; lớp 12 nghiên cứu di truyền học, tiến hóa và sinh thái học.
4. Vai trò của sinh học
Không có ngành khoa học nào lại liên quan đến mọi mặt đời sống xã hội con người như sinh học. Những hiểu biết về sinh học, đặc biệt về thế giới vi sinh vật trong nhiều thập kỷ qua đã giúp giảm tỷ lệ bệnh tật, gia tăng đáng kể tuổi thọ con người qua việc cải thiện điều kiện vệ sinh, chăm sóc sức khỏe và điều trị bệnh. Những phát hiện về giá trị dinh dưỡng của thực phẩm, các hoạt chất chữa bệnh từ sinh vật trong tự nhiên không chỉ giúp cuộc sống khỏe mạnh hơn mà còn nâng cao ý thức tôn trọng và gìn giữ sự đa dạng của sinh giới.
Vai trò của sinh học rất đa dạng và to lớn. Nó không chỉ giúp con người khỏe mạnh hơn, sống lâu hơn mà còn tác động đến học tập và đời sống tinh thần hằng ngày. Nếu hiểu biết về sinh lý học của trí nhớ, chúng ta có thể cải thiện kết quả học tập một cách đáng kể. Khi có sự hưng phấn trong trí óc, biết tuân thủ nguyên lý lưu trữ thông tin của bộ não và có quyết tâm cao thì kết quả học tập chắc chắn sẽ được nâng cao. Các em hãy khám phá thêm vai trò của sinh học trong cuộc sống.
5. Sinh học trong tương lai
Sự kết hợp của sinh học với hóa học, tin học, toán học và vật lý đang hình thành một ngành mới: sinh học hệ thống. Một trong những ứng dụng nổi bật là sản xuất thuốc trong lĩnh vực y – dược.
Ví dụ: Hàng nghìn loại protein trong tế bào tương tác duy trì sự sống theo cách phức tạp. Các nhà khoa học dùng phần mềm chuyên dụng để mô tả các tương tác giữa protein, từ đó dự đoán hậu quả khi một protein bị đột biến. Nhờ vậy, việc thử thuốc có thể tiến hành trước trên mô hình máy tính, rồi mới thử trên động vật. Sau đó, kết quả được đưa vào dữ liệu để điều chỉnh mô hình. Nhờ đó, có thể sản xuất thuốc đặc hiệu ức chế protein gây bệnh (thuốc hướng đích) nhanh hơn.
Thành tựu mới nhất là vaccine mRNA. Giải trình tự hệ gene SARS-CoV-2 giúp xác định gene mã hóa gai protein, từ đó tổng hợp mRNA tương ứng và bao bọc bằng màng phospholipid để tiêm vào người. Cơ thể sẽ tạo protein gai và sinh ra kháng thể. Vaccine này được sản xuất trong thời gian ngắn.
II. CÁC NGÀNH NGHỀ LIÊN QUAN ĐẾN SINH HỌC
1. Sinh học và các ngành y – dược học
Thành tựu trong giải trình tự hệ gene người và nhiều loài sinh vật khác trong thời gian gần đây đã giúp con người sản xuất ra nhiều loại thuốc được gọi là thuốc hướng đích – các loại thuốc này tác động tới những loại protein riêng biệt để chữa các bệnh hiểm nghèo như ung thư.
Y học đang hướng đến cá thể hóa việc chăm sóc sức khỏe và điều trị bệnh. Các loại thuốc hướng đích ở cấp độ nano có thể tự tìm đến các tế bào đích, tương tác đặc hiệu với các phân tử trong tế bào bị bệnh, giúp giảm đáng kể tác động không mong muốn thường gặp ở nhiều loại thuốc.
2. Sinh học và ngành pháp y
Từ sợi tóc, vết máu hay các tế bào khác để lại trên hiện trường vụ án, các nhân viên điều tra có thể truy tìm chủ nhân thông qua việc giải trình tự DNA. Những trình tự nucleotide đặc biệt giúp nhận diện từng cá thể giống như dấu vân tay, nên được gọi là dấu vân tay DNA. Nhờ đó, có thể xác định nhân thân nạn nhân trong các vụ tai nạn và mối quan hệ huyết thống.
Trong tương lai, dấu vân tay DNA có thể được sử dụng để thay thế dấu vân tay trong thẻ căn cước công dân hiện nay.
3. Sinh học và các ngành nông – lâm – ngư nghiệp
Từ xa xưa, hiểu biết về đặc điểm sinh học của vật nuôi, cây trồng đã giúp con người tạo ra các giống vật nuôi, cây trồng có năng suất, chất lượng cao, góp phần nâng cao hiệu quả chăn nuôi và trồng trọt.
Công nghệ di truyền trong thời gian gần đây và tương lai sẽ giúp các nhà sinh học chuyển gene từ loài này sang loài khác, hoặc biến đổi gene của một loài sinh vật, tạo ra sinh vật biến đổi gene phục vụ theo nhu cầu của con người. Các sinh vật này có thể có năng suất cao, chất lượng tốt hoặc chứa protein có giá trị chữa bệnh với chi phí thấp.
Trong lâm nghiệp, những giống cây lâu năm có giá trị cao có thể được nhân giống vô tính bằng nuôi cấy mô, giúp rút ngắn thời gian chờ cây ra hoa, kết trái.
Hình 1.1. Dưa lưới được nhân giống số lượng lớn bằng biện pháp nuôi cấy mô
Các giống cây chống chịu virus cũng có thể nhân giống theo cách này. Nhiều loài động vật đã được nhân bản thành công như cừu, bò, mèo, khỉ, lợn,... Những sinh vật biến đổi gene có thể tạo ra protein chữa bệnh cho người, và được nhân bản để tăng số lượng. Các nhà khoa học hy vọng trong tương lai có thể hồi sinh những sinh vật đã tuyệt chủng.
4. Sinh học và công nghệ thực phẩm
Sinh học không chỉ tạo ra thức ăn và thuốc chữa bệnh, mà còn hỗ trợ ngành công nghệ chế biến thực phẩm sản xuất ra nhiều loại thực phẩm và đồ uống có giá trị dinh dưỡng cao như sữa chua và các sản phẩm từ quá trình lên men – đáp ứng nhu cầu đa dạng của mọi lứa tuổi.
Hiểu biết về vi sinh vật và hô hấp tế bào còn giúp con người phát triển các phương pháp bảo quản thực phẩm lâu dài mà vẫn đảm bảo chất lượng.
5. Sinh học và vấn đề bảo vệ môi trường
Hình 1.2. Vi khuẩn Shewanella oneidensis có thể sản sinh năng lượng điện
Việc giải trình tự hệ gene của nhiều loài vi sinh vật đã mở ra tiềm năng ứng dụng vi sinh vật để giải quyết các vấn đề về môi trường và năng lượng. Ví dụ:
-
Deinococcus radiodurans là vi khuẩn có khả năng chống chịu phóng xạ tốt, có thể làm sạch khu vực ô nhiễm phóng xạ và hóa chất độc hại.
-
Một số vi khuẩn sử dụng CO₂ làm nguồn carbon duy nhất, góp phần làm giảm lượng CO₂ trong khí quyển.
-
Chlorobium tepidum có khả năng sinh năng lượng từ ánh sáng.
-
Shewanella oneidensis không chỉ làm sạch nước nhiễm chì, thủy ngân, sắt mà còn có thể sản sinh điện năng.
Nghiên cứu sử dụng sinh vật như vậy giúp tạo ra nguồn năng lượng sạch trong tương lai.
Ngoài ra, nghiên cứu trên nhiều loài sinh vật còn dẫn đến sự ra đời của các ngành nghề mới như phỏng sinh học. Nhiều robot và công nghệ hiện đại đã mô phỏng nguyên lý hoạt động của sinh vật để mang lại lợi ích thiết thực cho xã hội.
DỪNG LẠI VÀ SUY NGẪM
-
Hãy nêu các lĩnh vực nghiên cứu sinh học được tìm hiểu trong cấp Trung học phổ thông.
-
Hãy nêu một số thành tựu ứng dụng sinh học trong đời sống.
-
Lĩnh vực và ngành nghề nào của sinh học mà em muốn theo đuổi? Theo em, triển vọng tương lai của ngành nghề đó như thế nào?
III. SINH HỌC VỚI SỰ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ XÃ HỘI
1. Khái niệm phát triển bền vững
Theo định nghĩa của Ủy ban Môi trường và Phát triển Thế giới (WCED) của Liên Hợp Quốc (1987), phát triển bền vững là sự phát triển đáp ứng được nhu cầu của xã hội hiện tại nhưng không làm tổn hại đến khả năng đáp ứng nhu cầu của các thế hệ tương lai.
Khoa học phát triển đã mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn to lớn, song cũng đặt ra không ít thách thức. Sự gia tăng dân số đang làm cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên, giảm đa dạng sinh học, gia tăng ô nhiễm môi trường và kéo theo nhiều hệ lụy như biến đổi khí hậu, nước biển dâng,... Những nguy cơ này không chỉ đe dọa sự tồn vong của loài người mà còn của hàng triệu loài sinh vật khác trên Trái Đất.
Để đối mặt với các thách thức đó, cần có sự phối hợp của các nhà sinh học, nhà khoa học liên ngành, chuyên gia y tế, nhà giáo dục, nhà hoạch định chính sách và mọi công dân có hiểu biết nhất định về sinh học.
2. Vai trò của sinh học trong phát triển bền vững
Việc phổ biến kiến thức sinh học cơ bản – như bảo vệ đa dạng sinh học, khai thác tài nguyên thiên nhiên một cách hợp lý,… – không chỉ cần thiết trong nhà trường mà còn qua các phương tiện truyền thông đại chúng để đến được với toàn xã hội.
Mọi nghiên cứu sinh học cũng cần cân nhắc đến tác động của nó đối với môi trường, xã hội và hướng đến sự phát triển bền vững.
Ví dụ: Việc nghiên cứu tạo giống mới không chỉ cần đạt năng suất cao, chất lượng tốt, mà còn phải xem xét các ảnh hưởng tới hệ sinh thái tự nhiên và sức khỏe con người.
Nghiên cứu sinh học cung cấp cơ sở khoa học giúp chính phủ xây dựng chiến lược phát triển kinh tế phù hợp với định hướng phát triển bền vững.
Ví dụ: Nghiên cứu về hệ sinh thái và biến đổi khí hậu toàn cầu là cơ sở để quy hoạch xây dựng đập thủy điện, đường sá, nhà máy,… sao cho hài hòa với môi trường tự nhiên.
Phát triển bền vững đòi hỏi mỗi người có trách nhiệm trong việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường. Việc trang bị kiến thức sinh học tối thiểu giúp chúng ta trở thành người tiêu dùng thông thái, biết cách bảo vệ sức khỏe cá nhân và góp phần xây dựng một xã hội phát triển bền vững cho các thế hệ tương lai.
3. Sinh học và những vấn đề xã hội
a) Sinh học và vấn đề đạo đức
Nghiên cứu sinh học hiện đại đặt ra nhiều vấn đề đạo đức và hình thành một lĩnh vực gọi là đạo đức sinh học.
Ví dụ:
-
Giải trình tự gene người có thể hỗ trợ điều trị bệnh, nhưng ai là người có quyền tiếp cận thông tin này?
-
Liệu công ty bảo hiểm có đồng ý bảo hiểm cho người mang gene bệnh hiểm nghèo?
-
Kỹ thuật chỉnh sửa gene có nên áp dụng trên người?
-
Nhân bản vô tính con người có nên được cho phép?
-
Cây trồng biến đổi gene có thật sự an toàn với sức khỏe con người?
Những câu hỏi này đều cần được xem xét từ góc độ đạo đức xã hội, pháp lý và khoa học.
b) Sinh học và kinh tế
Ứng dụng sinh học đã mang lại giá trị kinh tế to lớn.
Ví dụ: Những giống cây trồng, vật nuôi có năng suất cao, chất lượng tốt, khả năng chống chịu tốt – được tạo ra bằng phương pháp gây đột biến nhân tạo, lai hữu tính, hoặc biến đổi gene – giúp tăng hiệu quả sản xuất.
Hình 1.3. Giống ngô biến đổi gene NK66BT có khả năng kháng sâu đục thân
Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ sinh học cũng tiềm ẩn rủi ro.
Ví dụ: Trồng cây giống được tạo ra từ nuôi cấy mô tế bào trên diện rộng có thể dẫn đến nguy cơ mất mùa nếu gặp điều kiện môi trường bất lợi.
c) Sinh học và công nghệ
Nghiên cứu sinh học cơ bản còn thúc đẩy phát triển các công nghệ bắt chước sinh vật (công nghệ phỏng sinh học).
Ví dụ: Nghiên cứu tập tính của loài kiến giúp chế tạo robot hoạt động độc lập nhưng có thể “giao tiếp” để thực hiện các nhiệm vụ được lập trình.
DỪNG LẠI VÀ SUY NGẪM
-
Thế nào là phát triển bền vững?
-
Liệt kê một số hoạt động hằng ngày có thể ảnh hưởng đến phát triển bền vững.
-
Với tư cách là một nhà sinh học, em hãy giải thích vai trò của sinh học trong phát triển bền vững và ứng phó với các vấn đề toàn cầu.
-
Hãy giải thích mối quan hệ của sinh học với kinh tế, công nghệ và đạo đức xã hội.
LUYỆN TẬP VÀ VẬN DỤNG
-
Nếu trở thành một nhà sinh học, em sẽ chọn đối tượng và mục tiêu nghiên cứu là gì?
-
Hãy cho biết một vài vật dụng mà em sử dụng hằng ngày là sản phẩm có liên quan trực tiếp đến các ứng dụng sinh học.
-
Em cùng gia đình nên sử dụng những loại vật dụng gì để có thể góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường? Tại sao chúng ta cần phân loại rác thải và hạn chế sử dụng sản phẩm làm phát sinh rác thải nhựa?
-
Nêu một ví dụ về nghiên cứu sinh học có thể gây nên mối lo ngại của xã hội về đạo đức sinh học.