Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Bằng chứng sinh học phân tử
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em giải thích được vì sao mức độ giống nhau về DNA và protein giữa hai loài phản ánh mức độ họ hàng giữa chúng, và xếp hạng được quan hệ họ hàng giữa nhiều loài từ một bảng số liệu so sánh.
Kiến thức nền cần nhớ
Đầu năm lớp 9, ở phần Di truyền, em đã biết DNA cấu tạo từ bốn loại nucleotide A, T, G, X, và trình tự các nucleotide này quy định trình tự amino acid trong protein (same-grade bridge). Bài này dùng chính hiểu biết đó để so sánh các loài ở cấp độ chính xác nhất: vật chất di truyền.
Khởi động
Cách nào đáng tin hơn để biết hai loài họ hàng gần: so sánh hình dạng bên ngoài của chúng, hay so sánh trực tiếp trình tự DNA bên trong tế bào? Nếu hai cách cho ra hai câu trả lời trái ngược nhau, em tin cách nào hơn?
Kiến thức trọng tâm
Mọi sinh vật, từ vi khuẩn tới con người, đều dùng chung một loại vật chất di truyền: DNA, cấu tạo từ bốn loại nucleotide A, T, G, X. Trình tự sắp xếp các nucleotide này quy định trình tự amino acid trong protein mà tế bào tổng hợp ra. Khi một loài mới hình thành từ một loài tổ tiên, DNA của loài mới không đứng yên: đột biến xảy ra ngẫu nhiên và tích luỹ dần qua từng thế hệ, làm trình tự DNA thay đổi một chút mỗi thế hệ.
Hai loài càng tách nhánh gần đây — nghĩa là còn chung tổ tiên trong khoảng thời gian ngắn hơn — thì càng có ít thời gian để mỗi nhánh tích luỹ đột biến riêng, nên trình tự DNA và protein giữa chúng càng giống nhau. Ngược lại, hai loài tách nhánh từ rất lâu có nhiều thời gian tích luỹ đột biến độc lập hơn hẳn, nên trình tự của chúng khác nhau nhiều hơn. Vì vậy, số lượng khác biệt trong trình tự DNA hoặc protein giữa hai loài là một thước đo hợp lý cho khoảng cách họ hàng giữa chúng: khác biệt càng ít, họ hàng càng gần.
Bằng chứng phân tử đáng tin hơn bằng chứng giải phẫu so sánh trong một số trường hợp, vì nó đo trực tiếp vật chất di truyền, thứ không bị đánh lừa bởi hiện tượng cơ quan tương tự. Hai loài không họ hàng gần vẫn có thể tiến hoá ra hình dạng cơ quan giống nhau do cùng áp lực môi trường (như cánh côn trùng và cánh dơi ở bài trước), nhưng trình tự DNA của chúng không vì thế mà tự nhiên trở nên giống nhau — đột biến tích luỹ độc lập ở mỗi nhánh vẫn diễn ra bình thường, không liên quan gì tới việc hình dạng bên ngoài có trùng nhau hay không.
Để so sánh, các nhà khoa học thường chọn một gene hoặc một loại protein có mặt ở hầu hết sinh vật — ví dụ cytochrome c, một loại protein tham gia vào quá trình hô hấp tế bào — rồi đếm số vị trí amino acid khác nhau giữa loài đang xét và loài tham chiếu. Loài có số vị trí khác biệt càng ít thì càng được xếp họ hàng gần với loài tham chiếu; loài có số vị trí khác biệt càng nhiều thì càng được xếp xa hơn.
Số liệu minh hoạ để luyện cách xếp hạng họ hàng qua khác biệt phân tử của một loại protein tham chiếu, không phải trích dẫn một nghiên cứu cụ thể — số khác biệt càng ít, họ hàng càng gần.
Ví dụ
Xếp hạng quan hệ họ hàng từ số liệu khác biệt phân tử
1
So với một loài tham chiếu, ba loài $P$, $Q$, $R$ có số vị trí amino acid khác biệt trong cùng một loại protein lần lượt là: loài $P$ khác 4 vị trí, loài $Q$ khác 40 vị trí, loài $R$ khác 18 vị trí. Hãy xếp hạng ba loài này theo mức độ họ hàng với loài tham chiếu, từ gần nhất đến xa nhất.
2
Theo nguyên lý đã học, số vị trí khác biệt càng ít thì thời gian tách nhánh càng ngắn, nghĩa là quan hệ họ hàng càng gần; số vị trí khác biệt càng nhiều thì họ hàng càng xa.
3
Sắp xếp số vị trí khác biệt theo thứ tự tăng dần: loài $P$ (4) < loài $R$ (18) < loài $Q$ (40).
4
Số khác biệt tăng dần tương ứng với họ hàng xa dần, nên thứ hạng họ hàng gần nhất đến xa nhất là: loài $P$, rồi loài $R$, rồi loài $Q$.
5
Vậy loài $P$ họ hàng gần nhất với loài tham chiếu, tiếp đến loài $R$, và loài $Q$ họ hàng xa nhất trong ba loài — hoàn toàn dựa trên số vị trí amino acid khác biệt, không cần nhìn vào hình dạng bên ngoài của chúng.
Ví dụ
Giải quyết mâu thuẫn giữa bằng chứng hình dạng và bằng chứng phân tử (dạng đề kiểm tra)
1
Loài $S$ (cá voi, sống dưới nước, có vây) và loài $T$ (cá mập, sống dưới nước, có vây) trông khá giống nhau về hình dạng cơ thể bên ngoài. Loài $S$ và loài $U$ (mèo, sống trên cạn, có chân) trông khác nhau hoàn toàn về hình dạng. Nhưng số liệu so sánh trình tự DNA cho thấy loài $S$ và loài $U$ có số vị trí khác biệt ít hơn nhiều so với loài $S$ và loài $T$. Kết luận nào đáng tin hơn về quan hệ họ hàng của loài $S$: dựa vào hình dạng, hay dựa vào DNA?
2
Cá voi (loài $S$) và cá mập (loài $T$) đều sống dưới nước nên chịu áp lực chọn lọc giống nhau, dẫn tới cơ thể thuôn dài và vây tương tự nhau — đây chính là hiện tượng cơ quan tương tự đã học ở bài trước, không phải bằng chứng họ hàng gần.
3
Trong khi đó, số vị trí khác biệt DNA giữa loài $S$ và loài $U$ (mèo) ít hơn hẳn so với giữa loài $S$ và loài $T$ (cá mập) — cho thấy loài $S$ thực chất họ hàng gần với loài $U$ hơn, dù hình dạng bên ngoài khác xa nhau.
4
Vì hình dạng bên ngoài có thể trùng nhau do thích nghi hội tụ (cơ quan tương tự), trong khi trình tự DNA phản ánh trực tiếp thời gian tách nhánh tiến hoá, bằng chứng phân tử đáng tin hơn trong trường hợp mâu thuẫn này.
5
Vậy loài $S$ (cá voi) họ hàng gần với loài $U$ (mèo, cùng nhóm thú có vú) hơn là với loài $T$ (cá mập), dù hình dạng bên ngoài của cá voi giống cá mập hơn — một minh chứng rõ vì sao bằng chứng phân tử được ưu tiên khi mâu thuẫn với hình dạng.
Sai lầm thường gặp
Một nhầm lẫn phổ biến là nghĩ hai loài trông khác xa nhau về hình dạng thì chắc chắn DNA của chúng cũng khác xa nhau. Cá voi và mèo là ví dụ ngược lại hoàn toàn: hình dạng cơ thể khác nhau rất nhiều (một loài bơi dưới biển, một loài đi trên cạn), nhưng cả hai đều là thú có vú, họ hàng tương đối gần về mặt di truyền — hình dạng cơ thể khác nhau chỉ vì mỗi loài thích nghi với một môi trường sống khác nhau, không phản ánh đúng khoảng cách họ hàng thật sự.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Hai loài càng tách nhánh gần đây, trình tự DNA và protein của chúng càng giống nhau. Bằng chứng phân tử đáng tin cậy nhất trong bốn loại đã học, vì không bị đánh lừa bởi cơ quan tương tự.
Bốn loại bằng chứng — hoá thạch, giải phẫu so sánh, phôi sinh học, sinh học phân tử — đều chỉ về cùng một kết luận: các loài sinh vật có quan hệ họ hàng và đã thay đổi theo thời gian. Chương tiếp theo trả lời câu hỏi vì sao chúng thay đổi: cơ chế chọn lọc tự nhiên.
Mọi sinh vật, từ vi khuẩn tới con người, đều dùng chung một loại vật chất di truyền: DNA, cấu tạo từ bốn loại nucleotide A, T, G, X. Trình tự sắp xếp các nucleotide này quy định trình tự amino acid trong protein mà tế bào tổng hợp ra. Khi một loài mới hình thành từ một loài tổ tiên, DNA của loài mới không đứng yên: đột biến xảy ra ngẫu nhiên và tích luỹ dần qua từng thế hệ, làm trình tự DNA thay đổi một chút mỗi thế hệ.
Hai loài càng tách nhánh gần đây — nghĩa là còn chung tổ tiên trong khoảng thời gian ngắn hơn — thì càng có ít thời gian để mỗi nhánh tích luỹ đột biến riêng, nên trình tự DNA và protein giữa chúng càng giống nhau. Ngược lại, hai loài tách nhánh từ rất lâu có nhiều thời gian tích luỹ đột biến độc lập hơn hẳn, nên trình tự của chúng khác nhau nhiều hơn. Vì vậy, số lượng khác biệt trong trình tự DNA hoặc protein giữa hai loài là một thước đo hợp lý cho khoảng cách họ hàng giữa chúng: khác biệt càng ít, họ hàng càng gần.
Bằng chứng phân tử đáng tin hơn bằng chứng giải phẫu so sánh trong một số trường hợp, vì nó đo trực tiếp vật chất di truyền, thứ không bị đánh lừa bởi hiện tượng cơ quan tương tự. Hai loài không họ hàng gần vẫn có thể tiến hoá ra hình dạng cơ quan giống nhau do cùng áp lực môi trường (như cánh côn trùng và cánh dơi ở bài trước), nhưng trình tự DNA của chúng không vì thế mà tự nhiên trở nên giống nhau — đột biến tích luỹ độc lập ở mỗi nhánh vẫn diễn ra bình thường, không liên quan gì tới việc hình dạng bên ngoài có trùng nhau hay không.
Để so sánh, các nhà khoa học thường chọn một gene hoặc một loại protein có mặt ở hầu hết sinh vật — ví dụ cytochrome c, một loại protein tham gia vào quá trình hô hấp tế bào — rồi đếm số vị trí amino acid khác nhau giữa loài đang xét và loài tham chiếu. Loài có số vị trí khác biệt càng ít thì càng được xếp họ hàng gần với loài tham chiếu; loài có số vị trí khác biệt càng nhiều thì càng được xếp xa hơn.
So với một loài tham chiếu, ba loài P, Q, R có số vị trí amino acid khác biệt trong cùng một loại protein lần lượt là: loài P khác 4 vị trí, loài Q khác 40 vị trí, loài R khác 18 vị trí. Hãy xếp hạng ba loài này theo mức độ họ hàng với loài tham chiếu, từ gần nhất đến xa nhất.
Sắp xếp số vị trí khác biệt theo thứ tự tăng dần: loài P (4) < loài R (18) < loài Q (40).
Số khác biệt tăng dần tương ứng với họ hàng xa dần, nên thứ hạng họ hàng gần nhất đến xa nhất là: loài P, rồi loài R, rồi loài Q.
Vậy loài P họ hàng gần nhất với loài tham chiếu, tiếp đến loài R, và loài Q họ hàng xa nhất trong ba loài — hoàn toàn dựa trên số vị trí amino acid khác biệt, không cần nhìn vào hình dạng bên ngoài của chúng.
Loài S (cá voi, sống dưới nước, có vây) và loài T (cá mập, sống dưới nước, có vây) trông khá giống nhau về hình dạng cơ thể bên ngoài. Loài S và loài U (mèo, sống trên cạn, có chân) trông khác nhau hoàn toàn về hình dạng. Nhưng số liệu so sánh trình tự DNA cho thấy loài S và loài U có số vị trí khác biệt ít hơn nhiều so với loài S và loài T. Kết luận nào đáng tin hơn về quan hệ họ hàng của loài S: dựa vào hình dạng, hay dựa vào DNA?
Cá voi (loài S) và cá mập (loài T) đều sống dưới nước nên chịu áp lực chọn lọc giống nhau, dẫn tới cơ thể thuôn dài và vây tương tự nhau — đây chính là hiện tượng cơ quan tương tự đã học ở bài trước, không phải bằng chứng họ hàng gần.
Trong khi đó, số vị trí khác biệt DNA giữa loài S và loài U (mèo) ít hơn hẳn so với giữa loài S và loài T (cá mập) — cho thấy loài S thực chất họ hàng gần với loài U hơn, dù hình dạng bên ngoài khác xa nhau.
Vậy loài S (cá voi) họ hàng gần với loài U (mèo, cùng nhóm thú có vú) hơn là với loài T (cá mập), dù hình dạng bên ngoài của cá voi giống cá mập hơn — một minh chứng rõ vì sao bằng chứng phân tử được ưu tiên khi mâu thuẫn với hình dạng.
Một nhầm lẫn phổ biến là nghĩ hai loài trông khác xa nhau về hình dạng thì chắc chắn DNA của chúng cũng khác xa nhau. Cá voi và mèo là ví dụ ngược lại hoàn toàn: hình dạng cơ thể khác nhau rất nhiều (một loài bơi dưới biển, một loài đi trên cạn), nhưng cả hai đều là thú có vú, họ hàng tương đối gần về mặt di truyền — hình dạng cơ thể khác nhau chỉ vì mỗi loài thích nghi với một môi trường sống khác nhau, không phản ánh đúng khoảng cách họ hàng thật sự.