Mô phỏng Sinh học

Vòng chu kì tế bào G1 → S → G2 → M với kim chỉ pha đang diễn ra, ba điểm kiểm soát và đồ thị hàm lượng DNA; bên cạnh là tế bào hoạt hình: nhiễm sắc thể nhân đôi ở pha S, co xoắn ở kì đầu, xếp hàng ở kì giữa, tách về hai cực ở kì sau, hình thành hai tế bào con ở kì cuối. Học sinh chọn bộ nhiễm sắc thể 2n, tốc độ, bấm vào vòng để nhảy pha hoặc dừng ở điểm kiểm soát.

Ba chuyên đề học tập của Sinh học 10 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Công nghệ tế bào: nuôi cấy mô thực vật, đổi tỉ lệ auxin/cytokinin trong môi trường để mẫu tạo mô sẹo, tạo chồi hay ra rễ và đếm số cây con nhân được qua các chu kì. Công nghệ enzyme: bình phản ứng có enzyme cố định, tốc độ phản ứng theo phương trình Michaelis – Menten và theo nhiệt độ, pH. Công nghệ vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm: bể hiếu khí có sục khí, mật độ vi khuẩn tăng và chỉ số BOD của nước thải giảm theo thời gian.

Thu phóng liên tục từ phân tử lên tới sinh quyển: phân tử, bào quan, tế bào, mô, cơ quan, hệ cơ quan, cơ thể, quần thể, quần xã, hệ sinh thái, sinh quyển. Mỗi cấp được vẽ lại kèm kích thước đặc trưng theo mét, ví dụ thật và đặc điểm nổi bật; bốn cấp độ tổ chức sống cơ bản (tế bào, cơ thể, quần thể, quần xã – hệ sinh thái) được đánh dấu riêng. Kéo thanh cấp hoặc bấm vào thang bên phải để nhảy tới cấp bất kì, hoặc để chế độ tự động chạy hết một vòng trong khoảng mười giây.

Phage bám lên vi khuẩn, bơm DNA vào, tế bào chủ tổng hợp DNA và protein vỏ, lắp ráp thành hàng chục virus mới rồi phá vỡ tế bào phóng thích (chu trình sinh tan). Ở chu trình tiềm tan, DNA virus gắn vào nhiễm sắc thể vi khuẩn thành prophage, nhân lên cùng tế bào chủ qua các lần phân chia cho tới khi bị cảm ứng (tia UV) chuyển sang sinh tan. Học sinh bấm từng giai đoạn, đổi tốc độ và số virus phóng thích.

Enzyme (có trung tâm hoạt động) và cơ chất chuyển động, va chạm; khi cơ chất khớp trung tâm hoạt động thì bị biến đổi thành sản phẩm. Học sinh kéo nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất, thêm chất ức chế cạnh tranh hoặc không cạnh tranh và quan sát tốc độ tạo sản phẩm; đồ thị hoạt tính theo nhiệt độ và pH có điểm đang làm việc, enzyme biến tính khi quá nóng.

Chạy từng kì của giảm phân I và II trên tế bào có n cặp nhiễm sắc thể tương đồng. Bật/tắt trao đổi chéo và xem số loại giao tử thay đổi: chỉ riêng phân li độc lập đã cho 2ⁿ loại, thêm trao đổi chéo thì số tổ hợp tăng vọt — đây chính là lí do con cái khác bố mẹ.

Bên trái: các phân tử nhỏ khuếch tán qua lỗ màng từ nơi nồng độ cao sang nơi nồng độ thấp cho tới khi cân bằng, có đếm số hạt mỗi bên. Bên phải: tế bào hồng cầu hoặc tế bào thực vật đặt trong dung dịch ưu trương, đẳng trương hay nhược trương — nước thẩm thấu vào/ra làm tế bào co, trương, vỡ hay co nguyên sinh; đồ thị thể tích theo thời gian.

Ủ một mẻ nguyên liệu với vi sinh vật: chọn chủng, nhiệt độ, lượng đường và có hay không oxygen. Mô phỏng theo dõi số tế bào, lượng đường còn lại, sản phẩm tạo thành và pH — cho thấy vì sao muối dưa cần yếm khí, vì sao men rượu ngừng hoạt động khi nồng độ ethanol lên cao.

Chế độ nước vẽ các phân tử H₂O phân cực với đầu oxygen tích điện âm và hai đầu hydrogen tích điện dương; các liên kết hydrogen hiện thành nét đứt và số liên kết trung bình mỗi phân tử được đếm liên tục. Hạ nhiệt độ xuống dưới 0 °C thì mạng tinh thể nước đá hình thành với khoảng cách xa hơn nên nước đá nhẹ hơn nước lỏng; nâng lên 100 °C thì liên kết hydrogen đứt hết và nước bay hơi. Thả muối ăn hoặc đường vào thì phân tử nước bao quanh làm chúng tan, thả dầu thì không tan. Chế độ đại phân tử cho xem đơn phân của carbohydrate, lipid, protein và nucleic acid nối thành mạch.

Thả các chất vào hai phía màng sinh chất và gắn thêm kênh protein, bơm để quan sát chúng đi qua màng. Học sinh so sánh khuếch tán đơn giản, khuếch tán tăng cường và vận chuyển chủ động cần năng lượng. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Quần thể vi khuẩn trong bình nuôi cấy tăng theo N = N₀·2^(t/g); đồ thị log N theo thời gian tự vẽ và tô màu bốn pha: tiềm phát, luỹ thừa, cân bằng, suy vong. Học sinh đổi số tế bào ban đầu, thời gian thế hệ, lượng dinh dưỡng, chuyển sang nuôi cấy liên tục (bổ sung dinh dưỡng, rút bớt dịch) để thấy pha suy vong biến mất.

Sơ đồ tế bào động vật, tế bào thực vật và vi khuẩn với các bào quan vẽ đúng vị trí. Học sinh bấm vào từng bào quan để đọc cấu tạo, chức năng và loại tế bào có bào quan đó; bảng so sánh ba loại tế bào cập nhật theo bào quan đang chọn.

Ăn một bữa và theo dõi đường huyết theo phút. Ở người bình thường, glucose từ ruột vào máu làm đường huyết tăng, tế bào beta của tuỵ tiết insulin đưa glucose vào tế bào và tích thành glycogen ở gan nên chỉ số trở về vùng an toàn 3,9 đến 6,4 mmol/L sau khoảng hai giờ; khi đói, tế bào alpha tiết glucagon phân giải glycogen để nâng đường huyết lên. Chọn trạng thái đái tháo đường type 1 hoặc type 2 để thấy đường huyết vọt lên trên 11 mmol/L và không tự hạ, rồi bấm tiêm insulin để kéo xuống. Chuyển sang thân nhiệt: kéo nhiệt độ môi trường và xem cơ thể giãn mạch, toát mồ hôi hoặc co mạch, run cơ để giữ thân nhiệt quanh 37 °C.

Đồng hồ chu kì 28 ngày chạy hết trong khoảng mười giây: bốn đường FSH, LH, estrogen và progesterone thay đổi theo ngày, buồng trứng vẽ nang trứng lớn dần rồi rụng trứng đúng lúc LH đạt đỉnh ở ngày 14, sau đó thể vàng hình thành và niêm mạc tử cung dày lên. Bật trường hợp có thụ tinh để thấy progesterone tiếp tục cao, niêm mạc được giữ lại và không có kinh nguyệt. Chuyển sang thực vật để xem hạt phấn nảy ống phấn xuống túi phôi và quá trình thụ tinh kép: một tinh tử kết hợp với trứng tạo hợp tử 2n, tinh tử còn lại kết hợp với nhân lưỡng bội tạo nội nhũ 3n.

Ba chuyên đề học tập của Sinh học 11 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Dinh dưỡng khoáng: chọn nguyên tố bị thiếu và mức cung cấp khoáng để thấy triệu chứng trên lá, chiều cao cây và năng suất thay đổi. Một số bệnh dịch ở người: mô hình SIR với hệ số lây R₀ và tỉ lệ tiêm chủng, xem số người mắc theo ngày và ngưỡng miễn dịch cộng đồng. Vệ sinh an toàn thực phẩm: vi khuẩn trong thực phẩm nhân đôi theo nhiệt độ bảo quản, tính thời gian để đạt ngưỡng gây bệnh 10⁶ CFU/g.

Mặt cắt màng neuron với ion Na⁺, K⁺ hai bên, kênh Na⁺, kênh K⁺ và bơm Na⁺/K⁺; bấm Kích thích (hoặc chạm vào sợi trục) để khử cực màng. Kích thích dưới ngưỡng chỉ gây thay đổi nhỏ rồi tắt; đạt ngưỡng −55 mV kênh Na⁺ mở ồ ạt, điện thế vọt lên +30 mV, rồi kênh K⁺ mở tái phân cực và quá phân cực về −70 mV. Đồ thị điện thế màng theo thời gian (ms) cuộn liên tục, giai đoạn trơ được đánh dấu.

Ở chế độ thực vật, cây được xử lí hormone với nồng độ kéo được: auxin ở nồng độ thấp kích thích thân dài ra nhưng nồng độ cao lại ức chế, còn rễ chỉ chịu được nồng độ rất thấp; gibberellin làm lóng vươn dài biến cây lùn thành cây cao; cytokinin thúc chồi bên phát triển. Bật chiếu sáng một bên để thấy auxin dồn về phía tối làm thân cong về phía sáng. Đường cong liều lượng – đáp ứng hiện điểm nồng độ đang chọn cho thân và cho rễ. Ở chế độ côn trùng, hoạt hình vòng biến thái hoàn toàn của bướm cùng đồ thị nồng độ ecdysone và juvenile hormone quyết định lột xác hay hoá nhộng.

Kích thích một neuron và theo dõi các kênh Na+, K+ mở đóng làm điện thế màng biến đổi. Học sinh đọc đồ thị điện thế hoạt động và chỉnh nồng độ ion để thấy ảnh hưởng tới sự dẫn truyền xung thần kinh. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Cành rong đuôi chó trong cốc nước dưới đèn: bọt khí O₂ thoát ra nhanh hay chậm theo cường độ ánh sáng, nồng độ CO₂ và nhiệt độ; khi tắt đèn cây chỉ hô hấp, thải CO₂. Đồ thị cường độ quang hợp tổng, hô hấp và quang hợp thực theo yếu tố đang chọn, đánh dấu điểm bù và điểm bão hoà ánh sáng; học sinh kéo thanh trượt và bật/tắt đèn ngay trong mô phỏng.

Điều chỉnh ánh sáng, độ ẩm không khí, gió và độ ẩm đất rồi quan sát khí khổng đóng hay mở, tốc độ thoát hơi nước cùng dòng nước đi lên trong mạch gỗ. Mô phỏng cho thấy cây luôn phải đánh đổi: mở khí khổng để lấy CO₂ thì mất nước, thiếu nước thì đóng lại và quang hợp giảm.

Đặt cạnh nhau hệ tuần hoàn đơn của cá và hệ tuần hoàn kép của thú: máu chảy theo đúng đường đi, áp lực máu hiển thị ở từng đoạn. Thấy rõ vì sao tuần hoàn đơn khiến máu tới mô với áp lực thấp, còn tim bốn ngăn giúp thú giữ máu giàu O₂ riêng và bơm đi với áp lực cao.

Quần thể bướm đậu trên thân cây: kiểu gene AA, Aa cho cánh sẫm, aa cho cánh sáng, mỗi kiểu gene có giá trị thích nghi riêng (tỉ lệ sống sót đến khi sinh sản). Mỗi thế hệ cá thể bị loại theo độ thích nghi, alen được truyền lại, đột biến A ⇄ a với tần số nhỏ; đồ thị tần số alen qua thế hệ so với đường lí thuyết Δp. Học sinh kéo các giá trị thích nghi, đổi màu vỏ cây (đảo chiều chọn lọc) và quan sát alen có lợi tăng dần.

Ba chuyên đề học tập của Sinh học 12 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Sinh học phân tử: chạy phản ứng PCR theo chu kì biến tính 95 °C – bắt cặp 55 °C – kéo dài 72 °C, số bản sao DNA tăng theo 2ⁿ và hiện lên bản điện di. Kiểm soát sinh học: thả thiên địch vào ruộng để khống chế sâu hại, so sánh với cách phun thuốc trừ sâu khi sâu kháng thuốc. Sinh thái nhân văn: chọn lối sống về ăn uống, đi lại và dùng điện để tính dấu chân sinh thái theo hecta toàn cầu và số Trái Đất cần có.

Chỉnh sửa một nucleotide trên mạch gốc: thay thế, thêm hoặc mất. Mô phỏng phiên mã – dịch mã lại rồi so chuỗi amino acid mới với chuỗi gốc, phân loại đột biến thành đồng nghĩa, sai nghĩa, vô nghĩa hay dịch khung và giải thích vì sao thêm/mất một nucleotide lại nguy hiểm hơn thay thế.