Tại sao dùng thuốc kháng sinh lâu dài để chữa bệnh dễ dẫn tới các vi khuẩn gây bệnh trở nên kháng thuốc?

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần hiểu về cơ chế chọn lọc tự nhiên – lực thúc đẩy quá trình tiến hóa của sinh vật:

• Thời gian đầu sử dụng, thuốc kháng sinh có khả năng tiêu diệt vi khuẩn rất mạnh mẽ
• Hệ gene của vi khuẩn không có cơ chế sửa sai nên rất dễ bị đột biến, một trong những đột biến đó khiến vi khuẩn có khả năng kháng kháng sinh
• Trong môi trường có kháng sinh, những vi khuẩn không kháng thuốc sẽ bị tiêu diệt, những vi khuẩn có khả năng kháng thuốc sẽ tồn tại và sinh sản, di truyền gene kháng thuốc cho các thế hệ sau
• Vi khuẩn có kích thước nhỏ, tốc độ sinh sản rất nhanh nên từ một vài cá thể ban đầu có thể phát triển thành cả quần thể vi khuẩn kháng kháng sinh trong thời gian ngắn

Đây chính là quan niệm của Charles Darwin (1809-1882) – nhà khoa học lỗi lạc, một trong những người xây dựng nên quy trình nghiên cứu khoa học mà cho đến nay các nhà khoa học tự nhiên đều áp dụng. Quy trình nghiên cứu bao gồm các bước:

Quan sát thu thập dữ liệu → Hình thành giả thuyết giải thích dữ liệu quan sát được → Kiểm chứng giả thuyết bằng thực nghiệm

Bài học này sẽ giúp chúng ta tìm hiểu cách Darwin nghiên cứu xây dựng nên học thuyết về chọn lọc tự nhiên và giải thích quá trình tiến hóa hình thành các loài.

Lý thuyết trọng tâm

I. Quan sát các đặc điểm di truyền và biến dị

1. Quan sát các loài sinh vật trong tự nhiên

a) Hành trình nghiên cứu của Darwin

Với mong ước khám phá thế giới sống, Darwin đã tham gia đoàn thám hiểm kéo dài 5 năm vòng quanh thế giới trên con tàu Beagle rời nước Anh vào năm 1831. Những quan sát về thế giới sống cùng hàng nghìn mẫu động, thực vật thu thập được trong chuyến hành trình đã được Darwin sử dụng làm cơ sở để hình thành học thuyết tiến hóa của mình sau này.

b) Những quan sát và nhận định của Darwin

Mặc dù chưa biết về cơ chế di truyền và biến dị, nhưng qua quan sát các cá thể sinh vật có cùng bố mẹ và các sinh vật thuộc cùng một loài, Darwin đã đưa ra những nhận định quan trọng:

c) Quan sát chim sẻ trên quần đảo Galapagos

Những loài chim mà Darwin quan sát thấy trên các đảo thuộc quần đảo Galapagos ở Nam Mỹ (cách đất liền khoảng 900 km) có nhiều đặc điểm giống với các loài chim sống ở vùng đất liền gần nhất mà không giống với những loài sống ở nơi khác có cùng vĩ độ trên Trái Đất.

Darwin đã phát hiện thấy, mặc dù các loài chim trên các đảo có nhiều đặc điểm giống nhau, nhưng chúng cũng khác nhau về một vài đặc điểm nhỏ như kích thước và hình dạng mỏ nên có khả năng chúng là các loài khác nhau.

Ví dụ cụ thể:

• Những con chim sẻ ở các đảo có nhiều cây cho hạt to → hầu hết có mỏ ngắn và dày, đảm bảo cho chúng có thể tách được vỏ hạt để lấy thức ăn
• Những con sống ở đảo có nhiều côn trùng → mỏ lại mảnh và dài, thích hợp với việc bắt sâu bọ

Darwin gọi những biến dị cá thể giúp sinh vật sống sót và sinh sản tốt hơn giống như các dạng mỏ chim là các đặc điểm thích nghi. Các đặc điểm thích nghi được Darwin quan sát thấy ở nhiều loài sinh vật như các loài hoa lan, côn trùng,…

d) Khái niệm biến dị cá thể

Biến dị cá thể là những đặc điểm khác biệt giữa các cá thể có cùng bố mẹ hoặc giữa các cá thể với bố mẹ của chúng.

Đặc điểm:

• Không có hai sinh vật nào hoàn toàn giống nhau
• Biến dị cá thể được di truyền lại cho thế hệ sau
• Là nguyên liệu cho quá trình chọn lọc tự nhiên

e) Khái niệm đặc điểm thích nghi

Đặc điểm thích nghi là sự thay đổi về hình thái, kích thước, sinh lí của sinh vật để phù hợp với các điều kiện của môi trường, giúp chúng sống sót tốt hơn.

Một số ví dụ về đặc điểm thích nghi:

2. Quan sát các giống vật nuôi và cây trồng

a) Khái niệm chọn lọc nhân tạo

Darwin đã quan sát các giống vật nuôi và cây trồng được con người tạo ra từ một giống ban đầu. Trong cùng một giống, khi phát hiện thấy những biến dị cá thể mà mình ưa thích, con người đã giữ lại, nhân giống riêng và chỉ qua một số thế hệ đã có thể tạo nên giống mới.

Chọn lọc nhân tạo là quá trình con người chủ động:

• Loại bỏ những cá thể có các biến dị không mong muốn
• Giữ lại và nhân giống những cá thể có các biến dị thỏa mãn nhu cầu, thị hiếu của con người

→ Kết quả: Tạo ra giống mới

b) Ví dụ về chọn lọc nhân tạo

Ví dụ 1: Các giống cải từ cải hoang dại

Từ loài cải hoang dại (Brassica oleracea), con người đã chọn lọc theo các hướng khác nhau để tạo ra nhiều giống cải:

Ví dụ 2: Các giống bồ câu từ bồ câu núi

Các giống chim bồ câu khác nhau được chọn lọc và nhân giống từ giống bồ câu núi. Do nhu cầu và thị hiếu khác nhau của con người nên đã tạo ra các giống bồ câu đa dạng để đáp ứng nhu cầu.

c) Tóm tắt các quan sát của Darwin

Các quan sát của Darwin có thể được tóm tắt một cách khái quát như sau:

1. Biến dị cá thể tồn tại trong quần thể: Các cá thể trong cùng một quần thể mặc dù có nhiều đặc điểm giống nhau nhưng cũng khác nhau về một số đặc điểm di truyền (biến dị cá thể)
2. Khả năng sinh sản vượt quá khả năng nuôi dưỡng: Các loài thường có khả năng sinh ra một số lượng rất lớn cá thể con so với số lượng cá thể mà môi trường có thể nuôi dưỡng. Vì vậy, chỉ một số ít cá thể con sinh ra có thể sống sót đến giai đoạn trưởng thành và sinh sản
3. Số lượng cá thể có xu hướng ổn định: Môi trường giới hạn số lượng cá thể của quần thể thông qua tử vong và sinh sản

II. Đề xuất giả thuyết chọn lọc tự nhiên giải thích quá trình hình thành loài

Từ những quan sát về quá trình chọn giống vật nuôi và cây trồng cũng như những gì quan sát được về hiện tượng di truyền, biến dị trong các quần thể tự nhiên, Darwin cho rằng quá trình tương tự như chọn lọc nhân tạo đã xảy ra trong tự nhiên dẫn đến hình thành các loài khác nhau từ một tổ tiên chung.

1. Nội dung giả thuyết chọn lọc tự nhiên

Chọn lọc tự nhiên là quá trình tự nhiên làm tăng dần tần số cá thể mang đặc điểm thích nghi qua các thế hệ.

Cơ chế hoạt động:

Vai trò của chọn lọc tự nhiên:

• Làm cho sinh vật thích nghi được với môi trường sống
• Làm xuất hiện các loài mới từ một tổ tiên chung
• Dẫn đến phân li tính trạng – là cơ sở để giải thích sự hình thành loài mới và nguồn gốc chung của các loài

2. Khái niệm “Hậu duệ có biến đổi”

Trong công trình Nguồn gốc các loài, Darwin đưa ra khái niệm “hậu duệ có biến đổi” để giải thích sự tiến hóa của sinh giới bằng cơ chế chọn lọc tự nhiên.

Nội dung:

• Ở đời con, bên cạnh những đặc điểm của bố mẹ, luôn có những biến dị di truyền
• Mỗi loại biến dị di truyền có thể giúp các cá thể thích nghi với một kiểu môi trường nhất định
• Theo thời gian, số lượng các cá thể có biến dị thích nghi tăng dần, hình thành nên loài mới

3. Ví dụ minh họa: Sự hình thành loài hươu cao cổ

Darwin giải thích sự hình thành loài hươu cao cổ qua các giai đoạn:

Giai đoạn 1: Ban đầu

• Quần thể hươu ban đầu có cổ ngắn
• Trong quần thể xuất hiện biến dị ngẫu nhiên về chiều dài cổ: có con cổ ngắn hơn bình thường, có con cổ dài hơn bình thường

Giai đoạn 2: Chọn lọc tự nhiên

Khi môi trường sống thay đổi (lá cây dưới thấp ít dần đi):

Giai đoạn 3: Tích lũy

• Hươu cổ dài: Khỏe mạnh → khả năng sinh sản cao hơn → truyền gene cho thế hệ sau với tần số cao
• Hươu cổ ngắn: Yếu ớt, khó thích nghi → khả năng sinh sản kém → tần số giảm dần, dần bị đào thải

Kết quả: Quần thể hươu cổ ngắn ban đầu dần trở thành quần thể hươu cổ dài → hình thành loài mới (loài hươu cao cổ).

4. Sơ đồ hình thành loài theo Darwin

Giải thích sơ đồ:

• Hình phác họa ý tưởng của Darwin về quá trình hình thành các loài trong quá trình tiến hóa
• Tận cùng của mỗi nhánh trong hình tượng trưng cho một loài sinh vật
• Các loài tiến hóa từ tổ tiên chung và có các biến dị di truyền giúp chúng thích nghi với các điều kiện môi trường khác nhau
• Trong quá trình tiến hóa, nhiều loài không thích nghi được với môi trường nên đã tuyệt chủng (các nhánh kết thúc giữa chừng)
• Các chấm xanh biểu thị loài còn sống, các chấm đỏ biểu thị loài đã tuyệt chủng

5. So sánh chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo

Mối liên hệ: Chọn lọc nhân tạo do con người tiến hành tạo ra sự đa dạng và thích nghi của các loài vật nuôi, cây trồng từ vài dạng hoang dại ban đầu đã gợi ý cho Darwin cơ sở giải thích về sự hình thành các loài trong tự nhiên.

III. Kiểm chứng giả thuyết

Mặc dù học thuyết chọn lọc tự nhiên đã được Darwin phác họa từ lâu nhưng ông vẫn chưa dám công bố và dành nhiều năm thu thập các bằng chứng cũng như tự mình làm thí nghiệm kiểm chứng học thuyết.

1. Các thí nghiệm của Darwin

a) Thí nghiệm ngâm hạt trong nước biển

Mục đích: Kiểm chứng giả thuyết các cây trên đảo đã được phát tán từ đất liền.

Cách tiến hành: Darwin đã tiến hành ngâm nhiều loại hạt giống khác nhau trong nước biển với thời gian dài và kiểm tra độ nảy mầm của các loại hạt sau đó.

Kết quả: Hạt của nhiều loài cây vẫn còn khả năng nảy mầm sau khi ngâm thời gian dài trong nước biển.

Kết luận: Các cây trên đảo đã được phát tán từ đất liền qua đường biển.

b) Thí nghiệm với cây nắp ấm

Mục đích: Kiểm chứng giả thuyết cây nắp ấm thích nghi với môi trường nghèo nitrogen.

Giả thuyết: Quan sát các loài cây bắt côn trùng như cây nắp ấm, Darwin đưa ra giả thuyết cho rằng, với cấu trúc lá để bắt côn trùng như vậy, cây có thể thích nghi với môi trường nghèo nitrogen.

Cách tiến hành: Darwin đã làm thí nghiệm nhỏ vào lá các cây nắp ấm những loại dung dịch khác nhau như nước đường, lipid hay protein.

Kết quả: Cây nắp ấm chỉ tiêu thụ protein đúng như ông dự đoán.

Kết luận: Cấu tạo lá bắt côn trùng của cây nắp ấm là đặc điểm thích nghi với môi trường nghèo nitrogen (cây cần đạm từ côn trùng).

2. Các bằng chứng từ chọn lọc nhân tạo

Phân li tính trạng là hiện tượng từ một dạng tổ tiên ban đầu, qua chọn lọc theo nhiều hướng khác nhau, hình thành nên nhiều giống/loài mang đặc điểm khác nhau.

Ví dụ 1: Sự hình thành nhiều giống cải khác nhau như bắp cải, cải lá, su hào, súp lơ,… từ cây cải hoang dại

Ví dụ 2: Một số giống bồ câu khác nhau hình thành từ bồ câu núi

→ Đây là bằng chứng cho thấy chọn lọc có thể tạo ra sự đa dạng từ một dạng tổ tiên chung.

3. Các bằng chứng từ tự nhiên

Sự hình thành các loài chim sẻ ở quần đảo Galapagos:

• Có 13 loài chim sẻ khác nhau trên quần đảo Galapagos
• Các loài chim sẻ này có hình dạng và kích thước mỏ khác nhau, thích nghi với loại thức ăn khác nhau (hạt, hoa xương rồng, côn trùng,…)
• Tất cả đều được tiến hóa từ một loài tổ tiên chung từ đất liền
• Sự hình thành các loài chim sẻ với hình dạng mỏ khác nhau là kết quả của quá trình chọn lọc những biến dị thích nghi với loại thức ăn có trong môi trường

4. Một số thí nghiệm kiểm chứng học thuyết Darwin

a) Thí nghiệm tiến hóa với E.coli của Richard Lenski

Cách tiến hành: Ông đã nuôi cấy 12 mẫu vi khuẩn E. coli qua 40.000 thế hệ trên môi trường thiếu đường glucose, giàu muối citrate và bảo quản đông lạnh một phần các mẫu ở mỗi thế hệ.

Kết quả: Cuối cùng, một số mẫu vi khuẩn E. coli có thể hấp thụ muối citrate xuất hiện.

Phân tích: Lenski đã giải trình tự toàn bộ hệ gene của mẫu vi khuẩn đó qua các thế hệ và phát hiện toàn bộ quá trình sinh ra của những gene mới liên quan tới quá trình trao đổi chất muối citrate.

Ý nghĩa: Chứng minh sự tiến hóa có thể quan sát được trong phòng thí nghiệm.

b) Vi khuẩn kháng kháng sinh

Hiện tượng: Thuốc kháng sinh có thể dễ dàng tiêu diệt vi khuẩn. Tuy nhiên, sau một thời gian, vi khuẩn sẽ hình thành kháng kháng sinh.

Giải thích theo Darwin:

• Trong quần thể vi khuẩn có sẵn biến dị cá thể về khả năng kháng thuốc
• Trong môi trường có kháng sinh, những vi khuẩn không kháng thuốc bị tiêu diệt
• Những vi khuẩn có khả năng kháng thuốc sống sót và sinh sản
• Qua nhiều thế hệ, quần thể vi khuẩn kháng thuốc được hình thành

c) Côn trùng kháng DDT

Hiện tượng: Khi mới xuất hiện, DDT có khả năng tiêu diệt côn trùng một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, sau một thời gian, nhiều quần thể côn trùng đã trở nên kháng DDT.

Giải thích theo Darwin:

• Trong quần thể côn trùng có sẵn một số cá thể mang biến dị kháng DDT
• Khi sử dụng DDT, chỉ những cá thể côn trùng có khả năng kháng DDT mới có thể tồn tại và sinh sản
• Qua chọn lọc tự nhiên, tần số cá thể kháng DDT tăng dần → nhiều quần thể côn trùng đã trở nên kháng DDT

5. Đóng góp của Alfred Wallace

Một điều lý thú là, cùng với Darwin, một nhà khoa học khác cùng thời là Alfred Wallace đã độc lập nghiên cứu đưa ra học thuyết chọn lọc tự nhiên giải thích quá trình hình thành các loài và gửi cho Darwin góp ý.

Mặc dù hai nhà khoa học cùng phát hiện ra cơ chế chọn lọc tự nhiên nhưng học thuyết chọn lọc tự nhiên chỉ được mang tên Darwin vì ông đã đưa ra được một số lượng rất lớn các bằng chứng khoa học cho học thuyết của mình.

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