Lý thuyết tiến hóa đối với Sinh học
Chương1: Lý thuyết tiến hoá đối với sinh học
Những con ếch quái thai, một đề tài rất thú vị đối với kế hoạch nghiên cứu của một
sinh viên đại học! Đó là những gì mà Pieter Johnson-1 sinh viên năm thứ 2 của đại
học Stanford- đã suy nghĩ khi cậu ta gây ra sự chấn động trong giới khoa học cùng
với "pacific tree frogs" có những đôi chân quá khổ mọc ra từ cơ thể của chúng.
Những con ếch này được bắt ở một bờ ao nhỏ của một ngôi làng gần các mỏ thủy
ngân cũ ở Almaden về phía Nam của San Jose,California. Các nhà khoa học trên
thế giới đã báo cáo tình hình báo động về sự mất dần của rất nhiều loài ếch , có thể
những con ếch "quái vật" này nắm giữ lời giải đáp vì sao có tình trạng rắc rối gặp
phải ở các loài ếch trên thế giới. Các nguyên nhân của tình trạng biến hình này có
thể là các chất hoá học nông nghiệp hoặc các kim loại nặng trong những quả mìn.
Tuy nhiên nghiên cứu thư viện đã đề nghị các khả năng khác của Pieter.
Pieter đã nghiên cứu 35 cái ao trong vùng các con ếch biến dạng này được phát
hiện. Cậu ấy đã đếm số lượng ếch trong các ao và kiểm tra thành phần hoá học của
nước. 13 ao có "Pacific tree frogs" , nhưng chỉ có 4 ao là có các con ếch biến dạng.
Pieter ngạc nhiên khi việc phân tích thành phần nước 4 ao này không phát hiện ra
hàm lượng cao hơn của các thuốc trừ sâu,chất hoá học Công nghiệp, hay các kim
loại nặng trong các ao có những con ếch biến dạng. Và càng ngạc nhiên hơn,khi cậu
ta chọn lựa những con ếch từ các ao này và cho chúng đẻ trứng trong phòng thí
nghiệm thì luôn thu được các con ếch bình thường. Điều khác biệt duy nhất mà cậu
ta quan sát được giữa các ao là các ao có những con ếch biến dạng cũng có những
con ốc sên nước ngọt.
A Monster Phenemonon : Là sinh viên năm 2 đại học Stanford, Pieter Johnson
nghiên cứu về những cái ao, nơi cư trú của “pacific tree frogs” ( Hyla regilla), để cố
gắng phát hiện ra lý do giải thích sự xuất hiện của hàng loạt con ếch bị biến dạng.
Vật được gắn vào như cái đuôi ở đây chính là 1 cái chân thêm.
Những con ốc sên nước ngọt là ổ của rất nhiều loại sống kí sinh. Các loài sống kí
sinh tham gia vào vòng đời phức tạp ở một số giai đoạn, mỗi loại trong số chúng đòi
hỏi một động vật chủ đặc biệt. Pieter tập trung vào khả năng có thể rằng một vài loại
động vật kí sinh sử dụng các con ốc sên như vật trung gian, đã gây bệnh cho các
con ếch và gây ra hiện tượng biến dạng. Pieter đã tìm ra một loài thích hợp cho vòng
đời này đó là một loài sâu béo nhỏ có tên là Ribeiroia , có mặt trong ao nơi mà các
con ếch biến dạng được tìm thấy..
Sau đó Pieter đã làm một thí nghiệm, cậu ta chọn các con ếch từ những vùng mà
không có các con ếch biến dạng và các con Ribeiroria. Rồi ấp trứng tại phòng thí
nghiệm trong các hộp có hoặc không có loài kí sinh. Khi mà ở các hộp có loài kí sinh
xuất hiện thì 85% các con ếch bị biến dạng . Một thí nghiệm xa hơn nữa đã giải thích
tại sao không phải tất cả các ếch đều bị biến dạng: sự nhiễm bệnh phải xuất hiện
trước khi một con nòng nọc bắt đầu mọc chân. Khi mà các con nòng nọc đã mọc
chân mà bị nhiễm bệnh thì chúng không bị biến dạng
Quá trình nghiên cứu của Pieter đã bắt đầu từ một câu hỏi được đặt ra bởi quan sát
trong tự nhiên. Cậu ta tự đưa ra các câu trả lời, quan sát rồi làm hẹp lại danh sách
các khả năng, sau đó thực hiện các thí nghiệm để kiểm tra trong những giả định thì
điều nào là hợp lý nhất. Những thí nghiệm đã giúp cậu ta đạt được một kết luận: các
sự biến dạng là do loài Ribeiroia. Sự nghiên cứu của Pieter là 1 ví dụ điển hình của
việc áp dụng các phương pháp khoa học trong sinh học.
Sinh học (biology) là môn học khoa học của những điều trong cuộc sống. Các nhà
sinh học nghiên cứu từ cấp độ tế bào cho đến cấp độ toàn bộ hệ sinh thái. Họ
nghiên cứu các sự kiện diễn ra trong 1 phần triệu giây cho đến các sự kiện kéo dài
hàng triệu năm. Các nhà sinh học đặt ra các dạng câu hỏi khác nhau và sử dụng rất
nhiều các công cụ, nhưng họ sử dụng các phương pháp khoa học khác nhau. Kết
quả mà họ thu được là hiểu được chức năng cơ thể ( và các bộ phận của cơ thể) ,
và sử dụng các hiểu biết đó để giải quyết các vấn đề trong cuộc sống. Trong chương
này, chúng tôi sẽ làm rõ hơn về những điều mà một nhà sinh học thực hiện. Đầu
tiên, chúng tôi sẽ diễn tả các tính chất của những điều trong cuộc sống,các sự kiện
tiến triển chính trong lịch sử cuộc sống của trái đất, và sự tiến hoá đa dạng của cuộc
sống. Sau đó chúng tôi bàn tới các phương pháp mà các nhà sinh học sử dụng để
nghiên cứu về chức năng của cuộc sống. Và ở cuối chương, chúng tôi sẽ bàn về
cách làm sao để những hiểu biết của các nhà sinh học có thể được sử dụng giúp
cho giải quyết vấn đề cuộc sống của cộng đồng.
Sự sống là gì?
Trước khi tìm hiểu về việc nghiên cứu sự sống, chúng ta cần thống nhất sự sống là
gì. Mặc dù tất cả chúng ta đều biết những dạng sự sống quanh ta hàng ngày, nhưng
thật khó để định nghĩa sự sống một cách rõ ràng. Có một định nghĩa ngắn gọn
về sự sống như sau: một đơn vị có tính di truyền, có khả năng trao đổi chất, tái sinh
(reproduction), và tiến hóa (evolution). Phần lớn quyển sách này đề cập những đặc
tính trên của sự sống và làm thế nào chúng phối hợp với nhau để giúp cơ thể sống
sót và tái sinh( hình 1.1). Bản tóm tắt khái quát sau đây sẽ giúp cho các bạn nghiên
cứu về các tính chất đó.
1.1 Những mặt khác nhau của 1 đời sống: Sâu bướm, nhộng và bướm trưởng thành
là những giai đoạn khác nhau trong 1 vòng đời của 1 con bướm chúa (Danaeus
plexippus). Sâu bướm thu thập những nguyên liệu và năng lượng cần thiết để thực
hiện hàng triệu các phản ứng chuyển hóa dẫn đến sự sinh trưởng và biến đổi, đầu
tiên từ sâu bướm chuyển thành nhộng và cuối cùng thành bướm trưởng thành thích
ứng cho việc sinh sản và phát tán. Sự biến đổi từ dạng này sang dạng khác được
khởi sự từ các dấu hiệu từ bên trong cơ thể.
Sự trao đổi chất bao gồm sự biến đổi vật chất và năng lượng
Trao đổi chất (metabolism) : toàn bộ các hoạt động hoá học của cơ thể sống, bao
gồm hàng ngàn các phản ứng hoá học riêng lẻ. Các phản ứng hoá học lấy vật chất
và năng lượng và chuyển hoá chúng thành các dạng khác nhau, sẽ được tìm hiểu kĩ
trong phần 1 của quyển sách này. Để 1 cơ thể hoạt động, rất nhiều trong số các
phản ứng xảy ra đồng thời, cần phải kết hợp với nhau. Các gen thì quy định sự điều
khiển này. Bản chất của vật chất di truyền (gen) mà điều khiển các hiện tượng trong
đời sống chỉ mới được hiểu rõ trong khoảng 100 năm trở lại đây. Phần 2 của cuốn
sách dành cho việc kể về câu chuyện của những khám phá về gen.
Môi trường bên ngoài có thể thay đổi một cách chóng mặt và không hề báo trước
khiến cho cơ thể không thể kiểm soát được. Một cơ thể chỉ có thể bảo vệ được sức
khoẻ nếu như môi trường bên trong còn đảm bảo được các điều kiện hoá lý. Các cơ
quan bảo vệ của cơ thể giữ không thay đổi theo điều kiện môi trường bên ngoài
bằng cách điều chỉnh quá trình trao đổi chất cho phù hợp với sự thay đổi các điều
kiện môi trường như nhiệt độ, có hay không có ánh sáng mặt trời, hay có những tác
nhân lạ bên trong cơ thể.
Việc giữ vững sự ổn định tương đối các điều kiện bên trong cơ thể , giữ cho thân
nhiệt ổn định, được gọi là tính nội cân bằng. Sự điều chỉnh để cơ thể nội cân bằng
thường xuyên là không rõ ràng, bởi vì không thấy một sự biến đổi nào. Tuy nhiên, ở
một vài thời điểm trong cuộc sống, có nhiều cơ quan trả lời lại sự thay đổi điều kiện
không phải bằng cách giữ vững tình trạng của chúng mà theo 1 cách thay đổi phần
lớn tổ chức cấu tạo. Một hình thức đầu tiên của sự thay đổi cấu trúc là sự phát triển
của hình thức bào tử, một dạng bảo vệ tốt và là một hình thức vô hoạt trong các cơ
thể phải chịu đựng điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một ví dụ điển hình về sự
tiến hoá rất lâu về sau này là của các loài sâu bọ, như các loài bướm. Để đáp ứng lại
các dấu hiệu hoá học bên trong cơ thể, một con sâu bướm sẽ phát triển bên trong
một con nhộng và rồi trở thành một con bướm trưởng thành.
Sự sinh sản làm cuộc sống tiếp diễn liên tục và là nền tảng cho sự tiến hóa. Sự
sinh sản khác nhau là một tính chất chính của cuộc sống. Nếu không có quá trình
sinh sản, cuộc sống sẽ nhanh chóng biến mất. Sinh vật đơn bào đầu tiên sinh sản
bằng hình thức nhân đôi vật chất di truyền của chúng sau đó phân tách thành hai.
Hai tế bào con giống nhau và giống hệt tế bào mẹ, ngoại trừ sự đột biến xảy ra trong
quá trình nhân đôi. Những lỗi đột biến đó dù hiếm, nhưng lại cung cấp các vật chất
thô cho quá trình tiến hoá sinh học. Sự phối hợp của quá trình sinh sản đơn giản
cùng các lỗi trong việc nhân đôi vật chất di truyền tạo nên sinh học tiến hoá, một sự
thay đổi về thành phần gen của các quần thể sinh vật trải qua thời gian.
Sự đa dạng hóa cuộc sống một phần được điều khiển bởi môi trường vật lý. Có
những nơi lạnh và có những nơi nóng, cái lạnh và nóng có thể kéo một khoảng thời
gian dài trong năm. Ở một vài nơi (các đại dương, hồ, sông) thì ẩm ướt, một vài chỗ
(các hoang mạc) thì luôn khô hạn. Không một dạng sống đơn giản nào có thể hoạt
động tốt trong mọi loại môi trường như vậy. Thêm nữa, chính các dạng sống qui định
sự đa dạng của chúng. Một khi thực vật tiến hóa thì nó trở thành nguồn thức ăn cho
các dạng sống khác. Lần lượt các loài ăn thực vật sau đó lại trở thành thức ăn cho
các loài sinh vật khác. Và khi các dạng sống này chết đi, chúng lại tiếp tục là thức ăn
cho các dạng sống khác. Điểm khác nhau giữa các dạng sống cho phép chúng tồn
tại trong các môi trường khác nhau và thích ứng với các kiểu sống khác nhau mà ta
gọi là sự thích nghi. Sự đa dạng tuyệt vời của các dạng sống làm cho sinh học trở
thành một thứ khoa học hấp dẫn và Trái đất trở thành một nơi giàu có, phục vụ cho
cuộc sống.
Có một thời kì dài không có sự sống trên trái đất. Sau đó là thời kì sống của các đơn
bào, rồi đến sự sinh trưởng của các đa bào. Nói một cách khác, tự nhiên và sự đa
dạng các dạng sống khác nhau luôn thay đổi theo thời gian. Việc nghiên cứu quá
trình mà tạo nên sự tiến hoá sinh học trên trái đất là một khoa học rất được chú
trọng vào thế kỷ 19. Những quá trình đó sẽ được nói đến rõ nét hơn trong phần 4
của cuốn sách này. Còn ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu một cách ngắn gọn làm sao có
thể khám phá ra chúng.
Tiến hóa sinh học
Những thay đổi qua hàng tỷ năm Khá lâu trước khi hiểu được cơ chế tiến hoá của
sinh giới , nhiều người đã nhận thấy rằng sinh vật biến đổi theo thời gian và những
cơ thể sống đã tiến hoá từ một loài nào đó ko còn tồn tại trên trái đất. Vào năm 1760,
nhà tự nhiên học người Pháp_Count George-Louis Leclerc de Buffon (1707-
1788)_đã viết “Lịch sử tự nhiên của muôn loài”, cuốn sách đã trình bày một cách rõ
ràng về khả năng tiến hoá của sinh vật. Buffon đã quan sát xương chi của tất cả các
loài động vật có vú ông nhận thấy có sự tương đồng ở nhiều điểm (hình 1.2). Ông
cũng lưu ý một điểm: có những loài động vật có vú, như heo chẳng hạn, chân chúng
có những ngón chẳng bao giờ chạm đất, và không có tác dụng gì. Buffon đã gặp khó
khăn trong việc giải thích sự tồn tại của những ngón nhỏ vô ích này bởi quan niệm
thông thường: Trái đất và tạo vật của nó được thượng đế tạo ra trong mối quan hệ
với các dạng trước đó. Để giải thích cho những quan sát của mình, Buffon giả thiết
rằng xương chi của các động vật có vú có thể đã được thừa hưởng từ một tổ tiên
chung. Những con heo đó có thể có những ngón chân vô chức năng vì chúng được
thừa hưởng từ tổ tiên đã có những ngón chân với đầy đủ hình dạng và chức năng.
Buffon đã không thể giải thích được những biến đổi diễn ra như thế nào nhưng một
học trò của ông là Jean baptiste de Lamarck (1744-1829) đã đề xuất một cơ chế cho
sự thay đổi. Ông cho rằng: ”Một giống sinh vật có thể thay đổi dần dần qua nhiều thế
hệ vì thế hệ con cháu được thừa hưởng những đặc tính đã trở nên phổ biến, các
đặc tính này sẽ càng hoàn thiện hơn trong quá trình phát triển của sinh vật, ngược
lại các đặc tính không được tiếp nhận sẽ thu nhỏ lại và trở nên kém phát triển”. Ngày
nay, các nhà khoa học không thừa nhận quá trình tiến hóa tuân theo cơ chế này.
Tuy nhiên Lamarck đã để lại một dấu ấn quan trọng trong quá trình giải thích sự tiến
hoá của sinh vật.
Thuyết tiến hóa của Darwin
Năm 1858, theo xu hướng chung, các nhà sinh học nhanh chóng tiếp thu một lý
thuyết tiến hóa mới được đề xuất độc lập bởi Charles Darwin và Alfred Russel
Wallace. Vào thời gian này, những nhà địa chất đã thu thập được những bằng
chứng về sự tồn tại và thay đổi củaTrái đất qua hàng triệu năm, chứ không chỉ dừng
lại ở vài ngàn năm như mọi người đã tưởng. Các bạn sẽ học kỹ hơn về thuyết tiến
hóa do chọn lọc tự nhiên ở chương 23, nhưng các bạn cần nắm được những ý cơ
bản để có thể hiểu được nội dung của quyển sách này. Lý thuyết của Darwin bao
gồm 3 quan sát thực nghiệm và 1 kết luận ông rút ra từ đó. Ba quan sát thực
nghiệm:
Khi sống dưới đáy đại dương một số loài cá có hình thù kỳ lạ để phù hợp với hoàn
cảnh sống đặc biệt
Tốc độ sinh sản của cơ thể sinh vật, mặc dù chậm, nhưng đủ lớn để có số
lượng cá thể khổng lồ nếu tốc độ tử không nhanh bằng.
Trong mỗi loài sinh vật, đều có sự khác nhau giữa các cá thể.
Con cháu giống bố mẹ vì chúng đã thừa hưởng những đặc tính của của bố
mẹ mình.
Từ những quan sát này Darwin đã rút ra kết luận: “Sự khác biệt giữa những cá thể
ảnh hưởng lớn đến sự tồn tại và sinh sản của chúng. Một vài điểm đặc trưng làm gia
tăng sự thích nghi của chúng sẽ được truyền lại cho các thế hệ tiếp theo” Darwin gọi
sự thành công trong phương thức tồn tại và phát triển khác nhau của những cá thể
là Chọn lọc tự nhiên. Ông gọi đó là ”sự truyền lại và thay đổi”.
Những nhà sinh vật bắt đầu có sự thay đổi một chút về quan niệm chủ đạo so với 1
thế kỷ trước.Họ chấp nhận sự lâu dài của quá trình tiên hoá và thừa nhận rằng Chọn
lọc tự nhiên là 1 quá trình các sinh vật thích nghi với môi trường sống. Để chấp nhận
quan niệm này cần nhiều thời gian vì nó đòi hỏi phải từ bỏ nhiều quan niệm của thế
giới quan buổi ban đầu.
Trước Darwin, người ta xem thế giới là mới mẻ và cơ thể sinh vật khi được thượng
đế tạo ra đã có như dạng hiện thời. Đến thời Darwin, thế giới được xem là đã cổ
xưa, cả trái đất lẫn những cư dân của nó đều đã thay đổi theo thời gian. Những dạng
tổ tiên rất khác so với những dạng tồn tại ngày nay. Những cơ thể sống tiến hóa
những đặc điểm riêng của chúng vì với những đặc điểm này tổ tiên của chúng đã tồn
tại và sinh sản tốt hơn với những đặc điểm khác.
Những sự kiện trọng đại trong lịch sử sự sống trên trái đất
Lịch sử sự sống trên trái đất
Lịch sử sự sống trên trái đất được tóm lượt trong vòng lịch gồm 30 ngày theo hình
1.3. Những thay đổi trong hơn 4 tỷ năm qua là kết quả của các tiến trình tự nhiên mà
chúng có thể được xác định và nghiên cứu bằng những phương pháp khoa học.
Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một số điểm thay đổi quan trọng nhất để nắm
được tinh thần của quyển sách. Sáu sự kiện tiến hoá trọng đại sau sẽ cung cấp cho
chúng ta 1 khung thảo luận cả về những đặc tính của sự sống và sự tiến hóa của
các đặc tính này.
Sự sống nảy sinh thông qua con đường tiến hóa hóa học
Sự sống đã bắt đầu từ những chất không có sự sống. Tất cả thành phần, có sự sống
hay không có sự sống đều do các thành phần hóa học cấu tạo thành. Những đơn vị
hóa học nhỏ nhất gọi là nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo thành phân tử (tính chất
của các đơn vị hóa học này được đề cập ở chương 2). Quá trình tiến hóa hoá
học (chemical evolution) làm xuất hiện sự sống đã diễn ra cách nay gần 4 tỷ năm,
khi những tương tác của các hợp chất vô cơ tạo ra những phân tử có những tính
chất đáng lưu ý. Một số hóa chất liên quan có thể có nguồn gốc ngoài Trái Đất,
nhưng sự tiến hoá hoá học đãdiễn ra trên Trái Đất. Những phân tử đơn giản này có
thể tổng hợp thành những phân tử lớn, phức tạp hơn nhưng bền vững. Vì chúng
vừa phức tạp vừa bền vững nên những phân tử này có thể làm gia tăng về loại và
số lượng phản ứng hoá học. Một số loại phân tử lớn được tìm thấy trong các hệ
thống sống; đặc tính và chức năng của các phân tử này sẽ được đề cập trong
chương 3.
Tiến hóa sinh học bắt đầu khi tế bào hình thành
Vào khoảng 3.8 tỷ năm trước, những hệ thống tương tác của phân tử được bao
quanh trong những cái khoang. Bên trong những đơn vị này_Tế bào_sự điều khiển
được sử dụng khắp lối vào, duy trì và hủy diệt phân tử, như những phản ứng hoá
học. Nguồn gốc của những tế bào đánh dấu bước khởi đầu của sự tiến hoá sinh
học. Tế bào và màng tế bào là chủ đề của chương 4, 5.
Những tế bào hấp thu năng lượng và tái tạo chính chúng_hai dấu hiệu cơ bản của
sự sống_từ khi chúng tiến hoá. Tế bào là đơn vị của sự sống. Những thí nghiệm của
Pasteur và các nhà khoa học khác suốt thế kỷ 19 đã thuyết phục hầu hết các nhà