Vi khuẩn là sinh vật nhân sơ đơn bào, kích thước thường chỉ vài micromet, có thành tế bào (phần lớn chứa peptidoglycan), sinh sản chủ yếu bằng phân đôi. Theo hình dạng, vi khuẩn hay được chia thành dạng cầu, dạng que, dạng xoắn và dạng phẩy. Theo cách bắt màu khi nhuộm Gram, chúng chia thành Gram dương (màu tím) và Gram âm (màu đỏ hồng), phản ánh khác biệt thật trong cấu tạo thành tế bào.
Cấu tạo chung của tế bào nhân sơ đã có ở danh mục Tế bào của trang. Bài này đi vào những gì làm nên "nghề" của vi khuẩn: hình dạng nói gì về cách sống, vì sao một phép nhuộm hơn trăm năm tuổi vẫn dùng hằng ngày, nội bào tử giúp chúng sống sót ra sao, và vi khuẩn trao đổi gen với nhau bằng những con đường nào. Cuối bài có lưu ý khi nhờ AI đọc ảnh tiêu bản.
Các hình dạng chính của vi khuẩn
Hình dạng là đặc điểm đầu tiên người ta ghi nhận khi nhìn tiêu bản dưới kính hiển vi. Nó không đủ để định danh loài nhưng giúp thu hẹp khả năng.
| Hình dạng | Tên gọi thường gặp | Cách sắp xếp hay thấy | Ví dụ trong sách |
|---|---|---|---|
| Hình cầu | Cầu khuẩn | Đứng riêng, thành đôi, chuỗi (liên cầu) hoặc chùm (tụ cầu) | Streptococcus trong sữa chua (liên cầu), tụ cầu |
| Hình que | Trực khuẩn | Đứng riêng hoặc nối thành chuỗi | E. coli, trực khuẩn cỏ khô, vi khuẩn lactic dạng que |
| Hình xoắn | Xoắn khuẩn | Đứng riêng, xoắn cứng hoặc xoắn mềm | Một số vi khuẩn sống trong nước |
| Hình phẩy | Phẩy khuẩn | Đứng riêng, cong như dấu phẩy | Vi khuẩn tả |
Vì sao vi khuẩn có hình dạng khác nhau? Hình dạng ảnh hưởng tỉ lệ bề mặt trên thể tích, khả năng bơi trong chất lỏng nhớt, khả năng bám vào bề mặt. Dạng que dài có diện tích bề mặt lớn hơn dạng cầu cùng thể tích; dạng xoắn bơi tốt trong môi trường đặc như chất nhầy. Đây là một ví dụ nhỏ của quan hệ cấu trúc và chức năng mà môn Sinh nhắc đi nhắc lại.
Nhuộm Gram: vì sao hai nhóm vi khuẩn ra hai màu
Phương pháp nhuộm Gram do Hans Christian Gram, một nhà khoa học Đan Mạch, công bố năm 1884. Quy trình gồm bốn bước chính: nhuộm tím tinh thể, cố định màu bằng dung dịch iod, tẩy bằng cồn, rồi nhuộm bổ sung bằng thuốc nhuộm màu đỏ như safranin hoặc fuchsin. Kết quả, một số vi khuẩn giữ màu tím, số khác mất màu tím khi tẩy cồn và bắt màu đỏ hồng của thuốc nhuộm sau.
Khác biệt màu đến từ cấu tạo thành tế bào. Vi khuẩn Gram dương có lớp peptidoglycan dày nhiều lớp; khi tẩy cồn, lớp này mất nước và co lại, giữ phức hợp tím tinh thể với iod bên trong. Vi khuẩn Gram âm có lớp peptidoglycan mỏng, bên ngoài còn một lớp màng ngoài chứa lipid; cồn hoà tan một phần màng ngoài, phức hợp màu bị rửa trôi, tế bào trở nên không màu rồi bắt màu đỏ ở bước cuối.
Phép nhuộm này quan trọng ngoài phòng thi vì hai nhóm phản ứng khác nhau với nhiều loại kháng sinh. Lớp màng ngoài của vi khuẩn Gram âm cản một số thuốc đi vào. Kết quả nhuộm Gram là một trong những thông tin đầu tiên phòng xét nghiệm có được, nhưng việc dùng thuốc nào là quyết định của bác sĩ dựa trên nhiều xét nghiệm khác, không suy ra chỉ từ màu nhuộm.
Nội bào tử: cách một số vi khuẩn chờ qua thời kỳ khắc nghiệt
Một số chi vi khuẩn, điển hình là Bacillus và Clostridium, có thể hình thành nội bào tử khi môi trường trở nên bất lợi như cạn dinh dưỡng hay khô hạn. Nội bào tử hình thành bên trong tế bào mẹ, có nhiều lớp vỏ dày, chứa rất ít nước và có trao đổi chất gần như bằng không. Khi tế bào mẹ tan đi, nội bào tử được giải phóng và có thể tồn tại rất lâu.
Nội bào tử chịu được nhiệt độ, hoá chất và khô hạn tốt hơn nhiều so với tế bào sinh dưỡng. Đun sôi ở 100 độ C thông thường diệt được tế bào sinh dưỡng nhưng không chắc diệt được nội bào tử; vì vậy phòng thí nghiệm và cơ sở y tế dùng nồi hấp áp lực ở nhiệt độ cao hơn để tiệt trùng dụng cụ. Đây cũng là lý do đồ hộp cần quy trình chế biến nghiêm ngặt.
Điểm hay bị nhầm khi làm bài: nội bào tử không phải là hình thức sinh sản. Một tế bào tạo ra một nội bào tử, và khi gặp điều kiện thuận lợi, nội bào tử nảy mầm thành một tế bào. Số lượng không tăng, nên nội bào tử là hình thức tồn tại chứ không phải sinh sản. Cần phân biệt với bào tử của nấm, vốn là hình thức sinh sản thật sự vì một cơ thể nấm tạo ra rất nhiều bào tử.
Phân đôi: vi khuẩn sinh sản nhanh mà không cần nguyên phân
Vi khuẩn sinh sản chủ yếu bằng phân đôi. Tế bào lớn lên, phân tử ADN vòng được nhân đôi, hai bản sao bám vào màng ở hai vị trí và tách ra theo sự kéo dài của tế bào. Sau đó màng và thành tế bào thắt lại ở giữa, chia tế bào mẹ thành hai tế bào con có vật chất di truyền giống nhau.
Phân đôi khác nguyên phân ở chỗ không có thoi phân bào, không có các kì với nhiễm sắc thể co xoắn như ở tế bào nhân thực. Cơ chế đơn giản hơn nên diễn ra nhanh hơn, góp phần giải thích tốc độ sinh trưởng của quần thể vi khuẩn. Nhiều câu hỏi đúng sai trong đề kiểm tra dựa trên sự nhầm lẫn này, ví dụ "vi khuẩn sinh sản bằng nguyên phân" là một nhận định sai.
Vì phân đôi tạo ra các tế bào con giống nhau, nguồn biến dị của vi khuẩn đến từ đột biến khi nhân đôi ADN và từ trao đổi gen giữa các tế bào. Với số lượng tế bào khổng lồ và thời gian thế hệ ngắn, ngay cả tần số đột biến thấp cũng tạo ra rất nhiều biến dị trong quần thể. Phần trao đổi gen ở mục sau sẽ cho thấy vi khuẩn còn một nguồn biến dị nữa, nhanh hơn đột biến nhiều.
Ba con đường trao đổi gen giữa các vi khuẩn
Biến nạp. Tế bào vi khuẩn nhận đoạn ADN trần từ môi trường, thường từ tế bào khác đã chết và tan ra, rồi đưa vào hệ gen của mình. Thí nghiệm của Frederick Griffith năm 1928 với vi khuẩn phế cầu là quan sát kinh điển về hiện tượng này, dù khi đó chưa ai biết vật chất được truyền là ADN.
Tải nạp. Virus kí sinh vi khuẩn, gọi là thực khuẩn thể, đôi khi đóng gói nhầm một đoạn ADN của vi khuẩn chủ vào vỏ của mình rồi mang sang tế bào vi khuẩn khác khi xâm nhiễm.
Tiếp hợp. Hai tế bào vi khuẩn tiếp xúc trực tiếp qua một cầu nối, và ADN, thường là plasmid, được chuyển từ tế bào cho sang tế bào nhận.
Plasmid là gì. Plasmid là phân tử ADN vòng nhỏ nằm ngoài vùng nhân, tự nhân đôi độc lập. Plasmid thường mang các gen không thiết yếu cho sự sống hằng ngày nhưng có lợi trong hoàn cảnh đặc biệt, như gen kháng kháng sinh. Đó là lý do kháng thuốc có thể lan giữa các vi khuẩn khác loài.
Khác với sinh sản hữu tính. Ba con đường trên không tạo ra cá thể mới, chỉ làm thay đổi tổ hợp gen của tế bào đã có. Vì vậy sách gọi đây là trao đổi gen hoặc truyền gen ngang, không gọi là sinh sản.
Vi khuẩn trong đời sống: không chỉ là thứ cần diệt
Sau khi học về nhuộm Gram và kháng sinh, nhiều bạn dễ có cảm giác vi khuẩn chủ yếu là mầm bệnh. Thực tế, số loài gây bệnh cho người chỉ là một phần nhỏ trong thế giới vi khuẩn. Một vài vai trò bạn gặp ngay quanh mình:
- Trong bếp: vi khuẩn lactic làm chua sữa chua, dưa cải, cà muối, nem chua; vi khuẩn chịu mặn tham gia quá trình chượp cá thành nước mắm cùng với enzyme có sẵn trong cá.
- Trong đất: vi khuẩn phân giải xác thực vật, động vật thành chất khoáng; vi khuẩn cố định đạm và vi khuẩn nitrat hoá giữ cho chu trình nitơ vận hành.
- Trong cơ thể: ruột người chứa một cộng đồng vi khuẩn lớn, tham gia phân giải chất xơ và cạnh tranh chỗ bám với vi khuẩn lạ. Phần sức khoẻ cụ thể thuộc về bác sĩ; ở mức sinh học, chỉ cần biết đây là quan hệ cộng sinh phổ biến.
- Trong xử lý môi trường: các bể xử lý nước thải sinh học dựa vào quần thể vi khuẩn để phân giải chất hữu cơ trước khi nước được thải ra.
- Trong phòng thí nghiệm và công nghiệp: vi khuẩn được dùng để sản xuất enzyme, axit amin, và là công cụ quen thuộc của công nghệ gen, phần sẽ được bàn ở danh mục Công nghệ sinh học và AI của trang.
Khi viết đoạn văn về vai trò của vi khuẩn, đề thường đánh giá cao bài có cả mặt lợi lẫn mặt hại, có ví dụ cụ thể và giải thích cơ chế ngắn gọn. Một câu như "vi khuẩn lactic làm dưa chua vì lên men đường thành axit lactic, làm pH giảm và ức chế vi khuẩn gây thối" có giá trị hơn nhiều so với "vi khuẩn có lợi trong chế biến thực phẩm".
Nhờ AI đọc ảnh tiêu bản: làm thế nào cho đúng
Nhiều bạn chụp ảnh tiêu bản ở phòng thí nghiệm qua thị kính bằng điện thoại rồi hỏi chatbot "đây là vi khuẩn gì". AI có thể giúp mô tả, nhưng định danh loài từ một ảnh hiển vi quang học là việc mà ngay cả người làm nghề cũng không làm. Quy trình hợp lý:
- Ghi lại thông tin trước khi chụp: mẫu lấy từ đâu (ví dụ sữa chua, theo hướng dẫn của giáo viên), có nhuộm hay không, nhuộm gì, độ phóng đại.
- Gửi ảnh kèm câu lệnh: "Hãy mô tả hình dạng, cách sắp xếp và màu bắt nhuộm của các tế bào trong ảnh. Không định danh loài. Nêu các khả năng phù hợp với mẫu lấy từ sữa chua và những gì cần thêm để xác định chắc chắn."
- So mô tả của AI với những gì bạn thấy bằng mắt. Nếu AI nói thấy "chuỗi cầu khuẩn" mà ảnh mờ không rõ, hãy hỏi lại nó dựa vào chi tiết nào.
- Ghi vào báo cáo thí nghiệm phần quan sát bằng lời của bạn, ghi chú phần nào có tham khảo gợi ý của AI.
- Trao đổi với giáo viên ở buổi học sau về những chỗ còn chưa chắc.
Không tự nuôi cấy vi khuẩn từ tay, miệng, nhà vệ sinh hay thức ăn hỏng để chụp ảnh. Ảnh chụp có tên trường, lớp, khuôn mặt bạn cùng nhóm cũng nên cắt bỏ trước khi đưa lên công cụ AI.
Câu hỏi thường gặp
Vi khuẩn và vi trùng có phải là một không?
Trong tiếng Việt đời thường, vi trùng thường dùng để chỉ vi sinh vật gây bệnh nói chung, có khi gồm cả vi khuẩn lẫn virus. Trong sinh học, vi khuẩn là một nhóm phân loại cụ thể, phần lớn vô hại hoặc có ích. Khi làm bài, dùng từ vi khuẩn để chính xác.
Vì sao nhuộm Gram vẫn được dùng dù đã có kỹ thuật hiện đại?
Vì nó nhanh, rẻ, chỉ cần kính hiển vi quang học và cho thông tin hữu ích ngay về cấu tạo thành tế bào. Các kỹ thuật như nuôi cấy định danh hay giải trình tự cho kết quả chi tiết hơn nhưng mất thời gian và chi phí hơn, nên hai loại thường đi cùng nhau.
Mọi vi khuẩn đều có thành tế bào không?
Không hoàn toàn. Phần lớn vi khuẩn có thành tế bào, nhưng có nhóm như Mycoplasma không có thành tế bào. Vì không có thành peptidoglycan, nhóm này không bị ảnh hưởng bởi các kháng sinh tác động lên thành tế bào. Đây là một ngoại lệ hay được hỏi.
Nội bào tử có nguy hiểm không?
Bản thân nội bào tử chỉ là dạng ngủ. Mức độ nguy hiểm phụ thuộc loài: nội bào tử của trực khuẩn cỏ khô có mặt khắp nơi trong đất và vô hại với người khoẻ, còn nội bào tử của một số loài Clostridium liên quan tới ngộ độc thực phẩm. Vì vậy cần chế biến, bảo quản thực phẩm đúng cách.
Vi khuẩn có giới tính không?
Vi khuẩn không có giới tính theo nghĩa của động vật. Trong tiếp hợp, người ta gọi tế bào cho và tế bào nhận, đôi khi dùng kí hiệu F+ và F- theo tên một plasmid. Đó là cách gọi về vai trò trong trao đổi gen, không phải giới tính.
AI có xác định chính xác được vi khuẩn Gram dương hay Gram âm từ ảnh chụp không?
Nếu ảnh rõ và nhuộm đúng, AI có thể mô tả màu tím hay hồng khá ổn. Nhưng nhuộm Gram dễ sai do tẩy cồn quá lâu hoặc quá ngắn, tiêu bản quá dày, mẫu già. Vì vậy kết quả màu cần người làm thí nghiệm kiểm lại, không chỉ dựa vào một ảnh chụp.