Bài học

Bằng chứng tiến hoá và quan hệ họ hàng giữa các loài

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em xếp hạng được mức độ họ hàng giữa nhiều loài bằng số liệu định lượng — thay vì chỉ nhìn hình dạng bên ngoài rồi đoán — và biết loại bằng chứng nào đáng tin hơn khi hai loại bằng chứng cho kết luận trái ngược nhau.

Cần nhớ trước

Ở khóa Sinh học 9 nền tảng (bài Tiến hoá — bằng chứng và học thuyết), em đã học bốn loại bằng chứng tiến hoá — hoá thạch, giải phẫu so sánh, phôi sinh học, sinh học phân tử — và phân biệt cơ quan tương đồng với cơ quan tương tự. Bài này giả định điều đó đã vững.

So với mức chuẩn: đề chuẩn chỉ yêu cầu gọi tên bốn loại bằng chứng và phân loại MỘT cặp cơ quan cụ thể là tương đồng hay tương tự. Đề HSG đi xa hơn hai bước: xếp hạng NHIỀU loài cùng lúc bằng số liệu định lượng, và xử lý tình huống các loại bằng chứng mâu thuẫn nhau — điều SGK không đặt ra.

Câu hỏi mở đầu

Cánh dơi, tay người, vây trước cá voi — ba cấu trúc này trông rất khác nhau, dùng cho ba việc khác nhau: bay, cầm nắm, bơi. Vậy dựa vào đâu để nói chúng có chung nguồn gốc? Và ngược lại: cá mập với cá heo có thân hình gần như giống hệt nhau, cả hai đều bơi giỏi — điều đó có nghĩa chúng là họ hàng gần không? Câu trả lời cho cả hai câu hỏi không nằm ở việc "nhìn giống hay khác".

Ý tưởng cốt lõi — biến bằng chứng thành một thước đo

Ý tưởng của bài này đơn giản nhưng mạnh: coi mức độ giống nhau — về cấu tạo xương, hoặc về trình tự một loại protein/gene — như một CON SỐ, rồi xếp hạng các loài theo con số đó. Con số càng cao, quan hệ họ hàng càng gần. Với bằng chứng giải phẫu, ta đếm số đặc điểm cấu tạo chung. Với bằng chứng phân tử, ta dùng phần trăm giống nhau của trình tự amino acid hay nucleotide. Khi hai loại bằng chứng đồng thuận, kết luận chắc chắn. Khi chúng mâu thuẫn — như trường hợp cá mập và cá heo — bằng chứng phân tử thường đáng tin hơn, vì hình dạng bên ngoài dễ bị đánh lừa bởi tiến hoá hội tụ: hai loài sống trong cùng một môi trường khắc nghiệt có thể tiến hoá độc lập ra hình dạng gần giống nhau mà không hề có họ hàng gần.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Xếp hạng họ hàng bằng % tương đồng trình tự protein

1
Đề chuẩn chỉ hỏi "loài X và loài Y, loài nào gần người hơn" cho một cặp duy nhất. Ở đây đề cho một bảng bốn loài cùng lúc và yêu cầu xếp hạng đầy đủ, không chỉ so sánh cặp đôi.
2
Bảng phần trăm giống nhau của trình tự một loại protein giữa bốn loài với người (số liệu minh hoạ cho kỹ thuật xếp hạng, phản ánh đúng thứ tự quan hệ họ hàng thực tế): Tinh tinh 98%, Khỉ 93%, Chó 84%, Cá 60%.
3
Phần trăm giống nhau càng cao, số lần đột biến tích luỹ khác biệt giữa hai loài kể từ tổ tiên chung càng ít — tức tổ tiên chung càng gần đây, quan hệ họ hàng càng gần.
4
Sắp xếp theo % giảm dần: Tinh tinh (98%) > Khỉ (93%) > Chó (84%) > Cá (60%). Đây đúng là thứ tự quan hệ họ hàng với người theo phân loại học: linh trưởng gần nhất, tiếp đến thú có nhau khác, rồi đến động vật có xương sống xa hơn.
5
Không cần nhớ số liệu — chỉ cần nhớ MỘT quy tắc: % càng cao thì càng gần. Quy tắc này thay thế hoàn toàn việc so sánh hình dạng bên ngoài từng cặp một, vốn dễ gây nhầm lẫn khi hai loài không họ hàng nhưng trông giống nhau (xem Ví dụ 3).
6
Một con số duy nhất (% tương đồng) thay thế cho việc mô tả định tính "giống nhiều" hay "giống ít" — đây là bước chuyển từ tư duy mô tả sang tư duy định lượng mà đề HSG đòi hỏi.

Phân biệt cơ quan tương đồng và cơ quan tương tự

Kỹ thuật thứ hai không dùng số phần trăm, mà xét CẤU TẠO BÊN TRONG thay vì chức năng bên ngoài. Hai cấu trúc tương đồng có cùng nguồn gốc xương nhưng có thể làm hai việc khác hẳn nhau; hai cấu trúc tương tự làm cùng một việc nhưng cấu tạo lại hoàn toàn khác nhau.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Tương đồng hay tương tự?

1
Cánh dơi và tay người: cả hai đều có xương cánh tay, xương trụ, xương quay, và các xương ngón — cùng một bộ khung xương chi trước của động vật có xương sống, chỉ khác nhau ở tỉ lệ độ dài từng xương và số ngón phát triển. Chức năng khác hẳn nhau: bay và cầm nắm.
2
Đây là cơ quan TƯƠNG ĐỒNG — cùng nguồn gốc cấu tạo (từ một tổ tiên chung có chi trước năm ngón), khác chức năng do mỗi loài thích nghi với một lối sống khác nhau.
3
Cánh dơi và cánh côn trùng (như cánh châu chấu): cùng chức năng bay, nhưng cánh dơi là một màng da căng trên xương chi trước, còn cánh côn trùng là một nếp gấp của lớp biểu bì (kitin), hoàn toàn không có xương bên trong.
4
Đây là cơ quan TƯƠNG TỰ — cùng chức năng (bay) nhưng nguồn gốc cấu tạo hoàn toàn khác nhau, hình thành độc lập ở hai nhóm cách xa nhau trên cây tiến hoá.
5
Câu hỏi quyết định luôn là: "cấu tạo bên trong và nguồn gốc phôi có giống nhau không", KHÔNG phải "chức năng có giống nhau không". Hai cấu trúc có thể tương đồng dù chức năng khác hẳn (cặp 1), và có thể tương tự dù chức năng giống hệt (cặp 2).
6
Tương đồng → xét cấu tạo/nguồn gốc. Tương tự → xét chức năng bên ngoài, nhưng cấu tạo khác nhau. Đảo ngược tiêu chí này là lỗi phổ biến nhất khi làm dạng bài này.

Khi hình dạng bên ngoài đánh lừa — trường hợp cá mập và cá heo

Ví dụ tiếp theo đẩy ý tưởng cốt lõi đi xa hơn: điều gì xảy ra khi hình dạng bên ngoài của hai loài giống nhau đến mức người không chuyên dễ nhầm là họ hàng gần, nhưng bằng chứng phân tử lại nói ngược lại hoàn toàn?

Ví dụ

Ví dụ 3 — Cá mập và cá heo: giống hình dạng nhưng không họ hàng gần

1
Cá mập (thuộc lớp Cá sụn) và cá heo (thuộc lớp Thú, bộ Cá voi) đều có thân hình thoi, vây lưng, vây ngực/vây trước, và vây đuôi rất giống nhau về hình dạng ngoài. Một bạn học kết luận: "Hai loài này chắc chắn họ hàng gần vì cấu trúc cơ thể quá giống nhau." Nhận xét kết luận này bằng bằng chứng phân tử.
2
Trình tự một số gene của cá mập và cá heo chỉ giống nhau ở mức thấp — tương đương mức giống nhau giữa hai nhóm động vật có xương sống rất xa nhau — trong khi cá heo lại giống hơn 95% với các loài thú biển khác cùng bộ Cá voi (như cá voi thật sự).
3
Bằng chứng phân tử cho một câu trả lời hoàn toàn ngược với cảm giác ban đầu từ hình dạng: cá heo họ hàng GẦN với cá voi (cùng là thú có vú), và họ hàng RẤT XA với cá mập (một loài cá).
4
Cá mập và cá heo sống trong cùng một môi trường — nước, cần bơi nhanh, cần giảm lực cản. Chọn lọc tự nhiên tác động ĐỘC LẬP lên hai dòng tiến hoá khác nhau nhưng cùng chịu áp lực môi trường giống nhau, nên tạo ra hình dạng ngoài gần giống nhau. Đây gọi là tiến hoá hội tụ — hình dạng giống nhau do áp lực môi trường, không do tổ tiên chung gần.
5
Kết luận của bạn học ở đề bài là SAI: giống hình dạng ngoài không đủ để kết luận họ hàng gần khi bằng chứng phân tử nói ngược lại. Trong trường hợp mâu thuẫn, ưu tiên bằng chứng phân tử — nó phản ánh trực tiếp vật chất di truyền, ít bị chi phối bởi áp lực chọn lọc của môi trường sống hiện tại.
6
Bất cứ khi nào đề mô tả hai loài "giống hệt nhau về hình dạng" mà sống trong cùng một kiểu môi trường (nước, không khí, đào hang…), hãy nghĩ ngay đến khả năng tiến hoá hội tụ trước khi vội kết luận họ hàng gần. Biến thể quen thuộc khác: cá voi và cá mập, cánh dơi/côn trùng (Ví dụ 2), xương rồng và cây bỏng (thực vật mọng nước ở hai họ khác nhau).
Bất cứ khi nào đề mô tả hai loài "giống hệt nhau về hình dạng" mà sống trong cùng một kiểu môi trường (nước, không khí, đào hang…), hãy nghĩ ngay đến khả năng tiến hoá hội tụ trước khi vội kết luận họ hàng gần. Biến thể quen thuộc khác: cá voi và cá mập, cánh dơi/côn trùng (Ví dụ 2), xương rồng và cây bỏng (thực vật mọng nước ở hai họ khác nhau).

Bẫy thường gặp

Ba bẫy hay gặp: (1) coi "giống hình dạng bên ngoài" là bằng chứng đủ mạnh cho họ hàng gần — đây chính là bẫy của Ví dụ 3; (2) cho rằng cơ quan thoái hoá (như ruột thừa người) hoàn toàn vô nghĩa — thực ra nó là bằng chứng cho một tổ tiên từng có cơ quan đó với chức năng đầy đủ; (3) so sánh % tương đồng của HAI GENE KHÁC NHAU giữa hai cặp loài rồi kết luận — phải so cùng một loại gene/protein mới có ý nghĩa.

Cột càng cao, quan hệ họ hàng với người càng gần — đúng dữ liệu dùng ở Ví dụ 1.

Tiêu chí phân loại luôn là cấu tạo/nguồn gốc, không phải chức năng bên ngoài — đúng nguyên tắc của Ví dụ 2 và Ví dụ 3.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Thử thách

Tóm tắt

Xếp hạng họ hàng bằng % tương đồng phân tử biến một nhận định định tính ("giống nhiều hay ít") thành một con số so sánh được. Phân biệt tương đồng và tương tự luôn dựa vào cấu tạo/nguồn gốc, không dựa vào chức năng — và khi hình dạng bên ngoài mâu thuẫn với bằng chứng phân tử, bằng chứng phân tử thắng.

Bài sau chuyển từ việc SO SÁNH các loài sang việc TÍNH TOÁN cách một quần thể thay đổi qua thời gian dưới tác động của chọn lọc tự nhiên — cùng một cơ chế Darwin đã học ở khóa nền tảng, nhưng lần này bằng con số cụ thể qua từng thế hệ.