Làm thế nào các nhà khoa học biết được sự xuất hiện và phân bố của một loài nào đó trong quá khứ cách đây hàng triệu năm?

Trước thế kỉ XVIII, khi khoa học chưa phát triển, con người đã giải thích sự tồn tại của muôn loài do thượng đế, chúa trời tạo ra. Ngày nay, khoa học hiện đại đã chứng minh: các loài sinh vật hiện nay có chung nguồn gốc và được phát sinh từ giới vô cơ.

Bằng chứng tiến hóa là những chứng cứ thu được qua các công trình nghiên cứu về sự phát sinh và phát triển của các loài sinh vật trên Trái Đất. Bài học này sẽ giúp chúng ta tìm hiểu các loại bằng chứng tiến hóa chủ yếu.

Lý thuyết trọng tâm

I. Bằng chứng hóa thạch

1. Khái niệm hóa thạch

a) Định nghĩa

Hóa thạch là tàn tích như xương, xác sinh vật trong hổ phách, trong băng tuyết hay dấu vết của sinh vật trong các lớp đá. Hóa thạch cũng có thể là các sinh vật đã hóa đá do xác sinh vật bị các lớp trầm tích bao bọc, chất hữu cơ phân hủy được thay thế bởi calcium cùng các khoáng chất khác nhưng vẫn giữ được hình dạng, đặc điểm cấu trúc hình thái của sinh vật.

b) Các dạng hóa thạch và sự hình thành

c) Ví dụ về hóa thạch sống

Một số loài được coi là hóa thạch sống vì chúng xuất hiện từ hàng triệu năm trước và vẫn tồn tại đến ngày nay với đặc điểm gần như không thay đổi:

2. Cách xác định tuổi hóa thạch

Tuổi của hóa thạch có thể được xác định thông qua:

Khi xếp các hóa thạch thành dãy theo tuổi từ già nhất đến trẻ nhất, người ta sẽ có được bằng chứng về sự thay đổi của các sinh vật trong quá trình tiến hóa.

3. Ý nghĩa của hóa thạch trong nghiên cứu tiến hóa

Hóa thạch là bằng chứng TRỰC TIẾP cho thấy các loài sinh vật đã từng tồn tại, tiến hóa như thế nào theo thời gian cũng như vị trí phân bố của chúng trên Trái Đất.

Ví dụ minh họa

Hóa thạch chim đầu tiên (Archaeopteryx):

• Được tiến hóa từ bò sát
• Vẫn còn răng của loài khủng long ăn thịt
• Sống cách đây khoảng 165 triệu năm
• Có đuôi với các đốt sống
• → Là dạng động vật trung gian chuyển tiếp vừa mang đặc điểm của chim, vừa mang đặc điểm của bò sát

Một số hóa thạch cho thấy các dạng sống trung gian chuyển tiếp giữa các nhóm sinh vật đã từng tồn tại trong quá khứ:

• Hóa thạch cho thấy cá voi đã được tiến hóa từ loài tổ tiên là một loài động vật móng guốc sống trên cạn
• Hóa thạch của tế bào nhân thực có thành tế bào giống với tảo hiện nay đã được phát hiện có tuổi cách đây khoảng 1,8 tỉ năm

II. Bằng chứng giải phẫu so sánh

Bằng chứng giải phẫu so sánh là bằng chứng GIÁN TIẾP của tiến hóa, dựa trên việc so sánh cấu tạo giải phẫu của các loài sinh vật khác nhau để tìm ra mối quan hệ tiến hóa giữa chúng.

1. Cơ quan tương đồng (cấu trúc tương đồng)

a) Khái niệm

Cơ quan tương đồng là những đặc điểm giống nhau giữa các loài sinh vật do cùng thừa hưởng các gene từ tổ tiên chung (cùng nguồn gốc trong quá trình phát triển phôi).

b) Đặc điểm

c) Ví dụ kinh điển

Chim và các loài động vật có vú như người, mèo, cá voi, ngựa, dơi đều có bốn chi với trình tự sắp xếp các bộ phận của xương chi giống nhau mặc dù đã có những biến đổi thích nghi với các chức năng khác nhau:

Điểm chung: Tất cả đều có cấu tạo chi trước gồm: xương cánh tay – xương cẳng tay (xương trụ, xương quay) – xương cổ tay – xương bàn tay – xương ngón tay.

d) Ví dụ khác

Hươu cao cổ có cổ dài hơn nhiều so với cổ của con người và nhiều loài thú khác, nhưng nó cũng chỉ có 7 đốt sống cổ như tất cả các loài thú khác. Điều đó cho thấy, các loài thú tiến hóa từ tổ tiên chung chỉ có 7 đốt sống cổ.

e) Ý nghĩa tiến hóa

Cơ quan tương đồng phản ánh tiến hóa phân li (hay tiến hóa phân hóa): Các loài có chung tổ tiên nhưng sống trong môi trường khác nhau nên được chọn lọc tự nhiên tích lũy các biến dị theo hướng khác nhau.

2. Cơ quan thoái hóa (cấu trúc thoái hóa)

a) Khái niệm

Cơ quan thoái hóa là một số cấu trúc/cơ quan ở sinh vật không có chức năng rõ ràng nhưng rất giống với cấu trúc vốn có chức năng nhất định ở loài tổ tiên.

Nói cách khác, đó là những cơ quan phát triển không đầy đủ ở cơ thể trưởng thành, chỉ còn lại vết tích của cơ quan tương ứng ở loài tổ tiên.

b) Nguyên nhân hình thành

Môi trường sống thay đổi → một số cơ quan mất dần chức năng → tiêu giảm dần → chỉ còn lại vết tích.

c) Ví dụ

d) Đặc điểm quan trọng

Lưu ý: Cấu trúc thoái hóa cũng là một loại cấu trúc tương đồng vì chúng có cùng nguồn gốc với cơ quan tương ứng ở loài tổ tiên.

e) Ý nghĩa tiến hóa

Cơ quan thoái hóa phản ánh tiến hóa phân li: Cho thấy các loài hiện tại có nguồn gốc từ tổ tiên chung, nhưng do môi trường sống thay đổi nên một số cơ quan không còn cần thiết và tiêu giảm dần.

3. Hiện tượng lại tổ

a) Khái niệm

Hiện tượng lại tổ là hiện tượng cơ thể sinh vật xuất hiện lại một số đặc điểm chỉ có ở tổ tiên xa mà không có ở cơ thể bố mẹ hoặc tổ tiên gần.

Có thể hiểu: Khi cơ quan thoái hóa phát triển mạnh trở lại → hiện tượng lại tổ.

b) Nguyên nhân

Do hoạt động trở lại của gene vốn đã bị bất hoạt trong bộ máy di truyền → xuất hiện lại đặc điểm của tổ tiên.

c) Ví dụ

d) Ý nghĩa tiến hóa

Hiện tượng lại tổ phản ánh tiến hóa phân li, chứng minh mối quan hệ họ hàng giữa các loài hiện tại với tổ tiên xa xưa.

4. Cơ quan tương tự (cấu trúc tương tự)

a) Khái niệm

Cơ quan tương tự là những đặc điểm giống nhau giữa các loài nhưng không phải do chung nguồn gốc phát triển (không do chung gene từ tổ tiên) mà là do tác động của môi trường chọn lọc theo cùng một hướng.

b) Đặc điểm

c) Ví dụ

d) Ý nghĩa tiến hóa

Cơ quan tương tự phản ánh tiến hóa đồng quy (hay tiến hóa hội tụ): Các loài không có chung nguồn gốc nhưng sống trong cùng một môi trường nên được chọn lọc tự nhiên tích lũy các đặc điểm thích nghi giống nhau.

5. Bảng so sánh các loại cơ quan

III. Bằng chứng tế bào học và sinh học phân tử

1. Bằng chứng tế bào học

a) Nội dung học thuyết tế bào

Có rất nhiều bằng chứng ở cấp độ tế bào cho thấy mọi sinh vật trên Trái Đất đều có chung tổ tiên:

b) Ý nghĩa tiến hóa

Bằng chứng tế bào học là bằng chứng gián tiếp phản ánh nguồn gốc chung của sinh giới: Mọi sinh vật trên Trái Đất đều có chung tổ tiên.

2. Bằng chứng sinh học phân tử

a) Những điểm chung ở cấp độ phân tử

Các tế bào của mọi sinh vật đều có các thành phần phân tử hóa học cơ bản như nhau:

→ Những đặc điểm chung này chứng minh các loài sinh vật có nguồn gốc chung.

b) So sánh trình tự để xác định quan hệ họ hàng

Các loài có họ hàng càng gần gũi thì:

• Trình tự nucleotide của các gene càng giống nhau
• Trình tự amino acid trong phân tử protein càng giống nhau

→ Mức độ tương đồng của các trình tự DNA hoặc protein phản ánh quan hệ họ hàng và cho thấy mối quan hệ phát sinh chủng loại giữa các loài.

c) Ví dụ: So sánh gene Maturase K ở thực vật

Kết luận:

• Đu đủ, gừng, lúa và thông có mối quan hệ họ hàng với nhau
• Lúa và gừng có mối quan hệ gần gũi nhất, sau đó đến đu đủ và cuối cùng là thông

d) Ví dụ: So sánh protein Cytochrome C

Phân tích:

• Tinh tinh có quan hệ gần nhất với người (không có sự khác biệt về amino acid trong cytochrome C)
• Nấm men có quan hệ xa nhất với người (khác biệt 40 amino acid)
• Số amino acid khác biệt càng ít → quan hệ họ hàng càng gần

Giải thích: Người và tinh tinh không có sự khác biệt về cytochrome C vì hai loài mới được tách ra từ tổ tiên chung trong thời gian gần đây (về mặt tiến hóa), thời gian tiến hóa chưa đủ lớn để đột biến gene tạo nên sự khác biệt đáng kể.

e) Ý nghĩa của bằng chứng sinh học phân tử

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Nhận biết và phân loại các loại bằng chứng tiến hóa

Phương pháp

Bước 1: Xác định bằng chứng đó thuộc loại nào dựa trên đặc điểm:

Bước 2: Giải thích ý nghĩa tiến hóa của bằng chứng đó

Ví dụ minh họa

Câu hỏi: Xác định các ví dụ sau thuộc loại bằng chứng tiến hóa nào?

a) Xương cá voi hóa đá được tìm thấy trong các lớp trầm tích b) Chi trước của người và chi trước của mèo có cấu tạo xương giống nhau c) Mã di truyền UUA mã hóa cho leucine ở tất cả các loài d) Tất cả tế bào đều có màng sinh chất, tế bào chất và vùng nhân

Lời giải:

a) Bằng chứng hóa thạch (tàn tích sinh vật cổ đại)

b) Bằng chứng giải phẫu so sánh – Cơ quan tương đồng

c) Bằng chứng sinh học phân tử (mã di truyền giống nhau)

d) Bằng chứng tế bào học (cấu trúc tế bào tương tự)

Dạng 2: Phân biệt cơ quan tương đồng, thoái hóa, tương tự

Phương pháp

Dựa vào 2 tiêu chí chính:

1. Nguồn gốc: Cùng nguồn gốc hay khác nguồn gốc?
2. Chức năng: Cùng chức năng hay khác chức năng?

Ví dụ minh họa

Câu hỏi: Phân loại các ví dụ sau:

1. Xương chi trước của chuột, xương cánh của chim và xương tay ở người
2. Ruột thừa ở người là dấu vết của manh tràng ở động vật ăn cỏ
3. Ở người xuất hiện đuôi
4. Trường hợp người có nhiều lông ở mặt
5. Cánh chim và cánh chuồn chuồn

Lời giải:

Dạng 3: Xác định mối quan hệ họ hàng dựa trên bằng chứng phân tử

Phương pháp

Nguyên tắc:

• Số amino acid/nucleotide khác biệt càng ít → quan hệ họ hàng càng gần
• Mức độ tương đồng càng cao → quan hệ họ hàng càng gần

Ví dụ minh họa

Câu hỏi: Dựa vào bảng so sánh cytochrome C, hãy sắp xếp các loài theo thứ tự quan hệ họ hàng từ gần đến xa với người: Tinh tinh, Khỉ Rhesus, Bò, Ruồi giấm.

Lời giải:

Kết luận: Thứ tự từ gần đến xa với người: Tinh tinh → Khỉ Rhesus → Bò → Ruồi giấm

Dạng 4: Giải thích các hiện tượng tiến hóa

Ví dụ 1: Giải thích vì sao cơ quan thoái hóa vẫn được di truyền

Câu hỏi: Vì sao những cơ quan thoái hóa không còn giữ chức năng gì lại vẫn được di truyền từ đời này sang đời khác mà không bị chọn lọc tự nhiên loại bỏ?

Lời giải:

Cơ quan thoái hóa vẫn được di truyền vì:

1. Không gây bất lợi nghiêm trọng: Các cơ quan thoái hóa thường không gây hại đáng kể cho cơ thể, do đó không bị chọn lọc tự nhiên loại bỏ mạnh mẽ.
2. Gene quy định vẫn tồn tại: Gene quy định cơ quan đó vẫn có trong bộ gene, chỉ là biểu hiện yếu hoặc không đầy đủ.
3. Chọn lọc tự nhiên không hoàn hảo: Chọn lọc tự nhiên chỉ loại bỏ những đặc điểm gây bất lợi rõ rệt cho sự sống sót và sinh sản, không nhất thiết loại bỏ những đặc điểm trung tính.
4. Liên kết gene: Gene quy định cơ quan thoái hóa có thể liên kết với các gene quan trọng khác, nên không thể loại bỏ riêng lẻ.

Ví dụ 2: Giải thích cánh chim và cánh chuồn chuồn

Câu hỏi: Cánh của chim với cánh của chuồn chuồn đều có chức năng giúp các con vật bay lượn. Các cấu trúc này có phải là cấu trúc tương đồng không? Giải thích.

Lời giải:

Cánh của chim với cánh của chuồn chuồn KHÔNG phải là cấu trúc tương đồng mà là cấu trúc tương tự.

Giải thích:

Vì cùng chức năng nhưng không cùng nguồn gốc → Đây là cơ quan tương tự, phản ánh tiến hóa đồng quy (các loài không có quan hệ họ hàng gần nhưng sống trong môi trường tương tự nên được chọn lọc theo cùng một hướng).

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú