Bài học

Học thuyết Darwin và chọn lọc tự nhiên

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em trình bày được bốn luận điểm trong cơ chế chọn lọc tự nhiên của Darwin — biến dị, sinh sản thừa, đấu tranh sinh tồn, sống sót và sinh sản có chọn lọc — và vận dụng cả bốn luận điểm đó để giải thích một trường hợp tiến hoá có thật như đề kháng kháng sinh ở vi khuẩn.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 9, em đã gặp học thuyết Darwin và học thuyết Lamarck lần đầu (prior-grade review), thường ở mức phát biểu ngắn gọn. Chương vừa học cho thấy sinh giới CÓ chung nguồn gốc và đã biến đổi qua thời gian (same-grade bridge, chương Bằng chứng tiến hoá) — nhưng bằng chứng chỉ chứng minh sự việc ĐÃ xảy ra, không giải thích được vì sao. Bài này đi sâu vào cơ chế của Darwin theo đúng bốn luận điểm, áp dụng vào một tình huống thực tế, và phân biệt rạch ròi với cách giải thích của Lamarck.

Khởi động

Một quần thể bọ cánh cứng ban đầu có màu sắc đa dạng — số ít màu xanh sẫm gần giống màu vỏ cây, số đông màu nâu sáng. Sau vài chục thế hệ sống trong một khu rừng có chim ăn sâu bọ hoạt động mạnh, tỉ lệ bọ màu xanh sẫm trong quần thể tăng lên rõ rệt. Không có cá thể bọ nào tự đổi màu trong đời mình — màu sắc do gene quy định từ khi sinh ra. Vậy vì sao tỉ lệ màu sắc của cả quần thể lại thay đổi qua các thế hệ?

Kiến thức trọng tâm

Darwin không phát hiện ra từng ý riêng lẻ — biến dị, sinh sản thừa, đấu tranh sinh tồn đều đã được người khác quan sát trước ông. Đóng góp của Darwin là ghép bốn quan sát đó lại thành một cơ chế thống nhất, giải thích được vì sao quần thể biến đổi qua thời gian mà không cần một 'ý muốn' nào từ sinh vật.

Luận điểm một — biến dị: trong bất kỳ quần thể nào, các cá thể luôn khác nhau về nhiều đặc điểm — kích thước, màu sắc, tốc độ, khả năng chịu đựng — và một phần biến dị này di truyền được cho đời con.

Luận điểm hai — sinh sản thừa: mọi loài sinh vật đều có khả năng sinh ra số lượng con cháu nhiều hơn hẳn số lượng môi trường có thể nuôi sống đến tuổi trưởng thành.

Luận điểm ba — đấu tranh sinh tồn: vì nguồn sống — thức ăn, nơi ở, bạn tình — luôn có giới hạn trong khi số con sinh ra vượt quá giới hạn đó, các cá thể trong quần thể buộc phải cạnh tranh để tồn tại.

Luận điểm bốn — sống sót và sinh sản có chọn lọc: trong cuộc cạnh tranh đó, cá thể mang biến dị phù hợp hơn với môi trường sống sót và sinh sản tốt hơn cá thể mang biến dị kém phù hợp. Qua nhiều thế hệ, biến dị có lợi tăng dần tỉ lệ trong quần thể — đây chính là chọn lọc tự nhiên.

Darwin công bố cơ chế này năm 1859 mà chưa biết vì sao biến dị lại di truyền được — DNA và gene còn chưa được khám phá vào thời ông. Khoảng trống đó chỉ được lấp đầy nửa thế kỷ sau, khi di truyền học Mendel kết hợp với chọn lọc tự nhiên tạo thành thuyết tiến hoá tổng hợp hiện đại — nội dung của chương tiếp theo.

Bốn bước này lặp lại đúng thứ tự trong mọi trường hợp chọn lọc tự nhiên, không riêng gì vi khuẩn kháng thuốc.

Sai lầm thường gặp

Một cách nói rất hay gặp là 'vi khuẩn tiến hoá khả năng kháng thuốc ĐỂ sống sót' hoặc 'hươu cao cổ vươn cổ dài ra ĐỂ ăn được lá cao' — cách nói này ngụ ý sinh vật chủ động biến đổi theo một mục đích, như thể quần thể 'biết trước' nó cần gì. Theo Darwin thì ngược lại: biến dị đã có sẵn một cách ngẫu nhiên TRƯỚC khi có áp lực chọn lọc — đột biến kháng thuốc xuất hiện ngẫu nhiên trong quần thể vi khuẩn dù kháng sinh có được dùng hay không. Chọn lọc tự nhiên không TẠO RA biến dị theo nhu cầu; nó chỉ GIỮ LẠI biến dị có sẵn nào tình cờ phù hợp với môi trường hiện tại, và loại bỏ biến dị không phù hợp. Khi trình bày, tránh cụm từ 'để thích nghi' hay 'nhằm mục đích' — hãy viết 'biến dị có sẵn giúp cá thể mang nó sống sót tốt hơn trong điều kiện môi trường đó'.

Trước Darwin, Lamarck từng đưa ra một cách giải thích khác cho sự thay đổi của sinh vật qua thời gian (em đã gặp ở lớp 9 — prior-grade review).

Phân biệt với Lamarck

Lamarck cho rằng cơ quan nào được sử dụng nhiều sẽ phát triển hơn, cơ quan không dùng sẽ thoái hoá, và những thay đổi có được TRONG ĐỜI một cá thể — do tập luyện hay do hoàn cảnh sống — sẽ di truyền được cho đời con. Theo cách giải thích này, một con hươu cao cổ vươn cổ để ăn lá cao suốt đời sẽ sinh ra con có cổ dài hơn một chút. Sinh học hiện đại đã bác bỏ ý tưởng này: thay đổi hình thành TRONG ĐỜI một cá thể do tập luyện, do hoàn cảnh, hay do tai nạn — không làm thay đổi trình tự DNA trong tế bào sinh dục của cá thể đó, nên không truyền được cho đời con. Theo Darwin, cổ hươu cao cổ dài ra không phải vì từng cá thể cố vươn cổ, mà vì trong quần thể tổ tiên vốn đã có biến dị về độ dài cổ — cá thể cổ dài hơn với tới lá cao hơn, sống sót và sinh sản tốt hơn khi thức ăn tầng thấp khan hiếm, qua nhiều thế hệ tỉ lệ cá thể cổ dài trong quần thể tăng dần.

Khác biệt cốt lõi: Darwin cho rằng biến dị có sẵn TRƯỚC khi chọn lọc xảy ra; Lamarck cho rằng biến đổi hình thành TRONG ĐỜI cá thể rồi di truyền lại — ý sau đã bị bác bỏ.

Ví dụ áp dụng

Ví dụ

Giải thích đề kháng kháng sinh qua bốn luận điểm của Darwin

1
Một quần thể vi khuẩn E. coli được nuôi cấy, sau đó bổ sung kháng sinh penicillin vào môi trường. Sau vài ngày, phần lớn vi khuẩn chết, nhưng một số cá thể sống sót và tiếp tục sinh sản, tạo ra một quần thể mới trong đó gần như toàn bộ vi khuẩn đều kháng được penicillin. Hãy giải thích hiện tượng này theo bốn luận điểm của Darwin.
2
Trước khi kháng sinh được thêm vào, quần thể vi khuẩn ban đầu vốn đã không đồng nhất: một số ít cá thể mang đột biến ngẫu nhiên ở gene liên quan đến thành tế bào hoặc bơm đẩy thuốc ra ngoài, giúp chúng ít nhạy cảm hơn với penicillin — biến dị này có từ trước, không phải do kháng sinh gây ra.
3
Vi khuẩn sinh sản theo cấp số nhân, số lượng cá thể luôn vượt xa mức nguồn dinh dưỡng có thể nuôi sống lâu dài. Khi penicillin xuất hiện, nó trở thành một áp lực chọn lọc mới, khiến phần lớn cá thể không mang đột biến kháng thuốc bị tiêu diệt.
4
Cá thể mang đột biến kháng thuốc sống sót qua đợt penicillin, tiếp tục sinh sản mà không còn cạnh tranh với các cá thể nhạy cảm đã bị tiêu diệt. Vì đột biến kháng thuốc di truyền được, phần lớn thế hệ con của chúng cũng mang đặc điểm kháng thuốc.
5
Vậy quần thể vi khuẩn mới có tỉ lệ kháng penicillin cao không phải vì từng cá thể 'học cách' kháng thuốc trong đời mình, mà vì biến dị kháng thuốc đã có sẵn trong quần thể ban đầu, và áp lực chọn lọc từ kháng sinh đã làm tăng tỉ lệ cá thể mang biến dị đó qua các thế hệ kế tiếp.

Ví dụ

Sửa hai phát biểu mắc lỗi mục đích luận (dạng đề kiểm tra)

1
Hai phát biểu sau đều mắc lỗi khi giải thích tiến hoá theo Darwin. Hãy chỉ ra lỗi và viết lại cho đúng. Phát biểu 1: 'Do môi trường ngày càng khô hạn, xương rồng đã tiến hoá lá thành gai để giảm thoát hơi nước.' Phát biểu 2: 'Một số con thỏ ở vùng tuyết đã tiến hoá bộ lông trắng để nguỵ trang tốt hơn trước kẻ săn mồi.'
2
Cụm từ 'để giảm thoát hơi nước' ngụ ý xương rồng chủ động biến đổi lá thành gai theo một mục đích đã định trước — đây là lỗi mục đích luận. Viết lại cho đúng: trong quần thể tổ tiên của xương rồng vốn đã có biến dị về hình dạng lá; cá thể mang biến dị lá nhỏ, dày hơn — thoát hơi nước ít hơn — sống sót tốt hơn khi môi trường trở nên khô hạn, qua nhiều thế hệ tỉ lệ cá thể mang biến dị đó tăng dần cho tới khi lá biến đổi thành dạng gai như hiện nay.
Cụm từ 'để giảm thoát hơi nước' ngụ ý xương rồng chủ động biến đổi lá thành gai theo một mục đích đã định trước — đây là lỗi mục đích luận. Viết lại cho đúng: trong quần thể tổ tiên của xương rồng vốn đã có biến dị về hình dạng lá; cá thể mang biến dị lá nhỏ, dày hơn — thoát hơi nước ít hơn — sống sót tốt hơn khi môi trường trở nên khô hạn, qua nhiều thế hệ tỉ lệ cá thể mang biến dị đó tăng dần cho tới khi lá biến đổi thành dạng gai như hiện nay.
3
Cụm từ 'để nguỵ trang tốt hơn' cũng ngụ ý mục đích. Viết lại cho đúng: trong quần thể thỏ tổ tiên vốn đã có biến dị về màu lông; ở vùng tuyết, cá thể mang biến dị lông trắng khó bị kẻ săn mồi phát hiện hơn, sống sót và sinh sản tốt hơn cá thể lông sẫm màu, qua nhiều thế hệ tỉ lệ lông trắng trong quần thể tăng dần.
4
Vậy cả hai phát biểu đều cần sửa theo cùng một nguyên tắc: bỏ cụm từ chỉ mục đích ('để...', 'nhằm...'), thay bằng đúng trình tự biến dị có sẵn → chọn lọc theo môi trường → tăng tỉ lệ qua các thế hệ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bốn luận điểm của Darwin — biến dị, sinh sản thừa, đấu tranh sinh tồn, sống sót và sinh sản có chọn lọc — giải thích vì sao quần thể biến đổi mà không cần sinh vật 'có mục đích'. Biến dị luôn có TRƯỚC áp lực chọn lọc; chọn lọc chỉ giữ lại biến dị có lợi, không tạo ra biến dị theo nhu cầu. Khác với Lamarck, đặc điểm luyện tập được trong đời một cá thể không di truyền cho đời con.

Darwin giải thích ĐƯỢC vì sao quần thể biến đổi qua chọn lọc, nhưng chưa biết CƠ CHẾ di truyền phía sau biến dị đó vận hành thế nào. Bài tiếp theo lấp đầy khoảng trống đó: thuyết tiến hoá tổng hợp hiện đại, kết hợp chọn lọc tự nhiên của Darwin với di truyền học.