Sinh học - Qúa trình lịch sử tiến hóa

Nguyễn ngoc HưngCao học KI-Sinh hoc thực nghiệmQÚA TRÌNH LỊCH SỬ TIẾN HĨA1. Lich sử tiến hĩa2. Học thuyết tiến hĩa của Darwin3. Sự tiến hĩa phân tửCác quan điểm tiến hĩa trước darwin1.1 Các quan điểm thời cổ đại 1.1.1 Thần tạo luận (creationism)1.1.2 Mục đích luận (theleology)Platon (427-347 TCN)Aristotle (334- 322 TCN)1.1.3 Các quan điểm khác :-Buffon (1707-1788) một nhà tự nhiên học người Pháp đã lưu ý rằng các hĩa thạch cổ ít giống với các dạng hiện nay hơn các hĩa thạch mới. Ơng đề xuất hai nguyên lý. Một là những thay đổi của mơi trường đã tạo ra những thay đổi của sinh vật. Hai là những nhĩm lồi giống nhau phải cĩ cùng một tổ tiên. Buffon cũng cho rằng mỗi lồi khơng bất biến mà cĩ thể thay đổi. Những ý niệm - nguyên hình của mọi sự vật tồn tại độc lập với sự vật đĩ. Sự vật nhờ cĩ ý niệm mới tồn tại được. Vật chỉ là bĩng của ý niệm. Tất cả các sinh vật giống như một chuỗi hình dạng, mỗi hình dạng tượng trưng cho một mắt xích đi từ ít hồn chỉnh đến hồn chỉnh nhất .Quan điểm tiến hĩa trước Darwin- Thuyết âm – dương, ngũ hành: âm dương tương tác tạo ra ngũ hành,ngũ hành tương tác tạo ra vạn vật - Thuyết nguyên tử luận: toàn bộ thiên nhiên, bắt đầu từ những phân tử nhỏ nhất đến những vật thể vĩ đại nhất, từ hạt cát đến con người đều trong sự xuất hiện và tiêu diệt vĩnh viễn, trong quá trình liên tục vận động và biến đổi không ngừng 1.2 Các quan điểm thời phục hưng 1.2.1 Tiên hình luận (preformism)1.2.2 Thuyết tai biến (catastrophism) Cơ thể thu nhỏ nằm sẵn trong trứng hay tinh trùng.  Khơng giải thích được hiện tượng di truyền và biến dị  Thế giới sinh vật biến đổi một cách đột ngột, tức thời khơng cĩ chuyển tiếp. Cĩ các dấu vết với động vật cạn nằm dưới các lớp địa chất của biển cịn các dấu vết của động vật biển cĩ thể nàm trên cạn, nhiều tai biến đã xảy ra như các sinh vật cạn bị chìm xuống nước, các sinh vật nước bị đưa lên cạn - Một thời nào đĩ, trên trái đất cĩ sự sống- Sự sống xuất hiện trên trái đất vào thời gian xa xưa ở dạng sinh vật đơn giản đơn giản. - Các dạng sinh vật tìm thấy ở các lớp dịa chất mới khơng thấy cĩ ở các lớp cổ xưa hơn. Chứng tỏ cĩ nhiều lồi mới xuất hiện về sau. - Các sinh vật xuất hiện về sau càng giống với các sinh vật ngày nay hơn. - Mức tổ chức được nâng cao dần. Quan điểm tiến hĩa trước Darwin1.2.4 Biến hình luận (transformism)1.2.3 Sinh lực luận (Vitalism)Khơng cĩ lực sống thì khơng cĩ hiện tượng sống, khơng cĩ sự tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Nhiều nghiên cứu sinh lý hĩa sinh giải thích các hiện tượng sống bằng các quan điểm vật lý hĩa học thơng thường. Sự ra đời của phương pháp so sánh trong sinh học đã hình thành nên các bộ mơn hình thái học so sánh, giải phẫu so sánh, phơi sinh học so sánh Dưới tác dụng của ngoại cảnh, sinh vật đã biến đổi hình dạng, lồi này cĩ thể biến đổi thành lồi khác  các biến đổi diễn ra theo mọi hướng bất kì.Gắn lịch sử giới sinh vật với lịch sử quả đất. Khi quả đất nguội lạnh, trong lịng đại dương cĩ các phân tử sống (hữu cơ), phân tử sống hình thành từ phân tử chết (vơ cơ) dứơi tác dụng của nhiệt độ và ánh sáng. Các hạt vật chất sống do tác dụng với nhau tạo nên vơ số dạng sinh vật, chúng tiếp tục tác dụng nữa tạo nên các biến hình. Quan điểm tiến hĩa trước Darwin1.3 Học thuyết tiến hĩa của Lamarck Baptiste de Lamarck(1744 – 1829)-Người đầu tiên nêu lên học thuyết tiến hĩa một cách cĩ hệ thốngBaptiste de Lamarck (1744 – 1829) là nhà tự nhiên học người Pháp.Lamarck (1744-1829) là người đã phát triển một học thuyết tương đối hồn chỉnh về sự tiến hĩa của sinh vật . -Sự tiến hĩa phát sinh do xu hướng nội tại vươn tới sự hồn thiện. Khi một sinh vật hồn thiện, chúng thích nghi ngày càng tốt hơn với mơi trường sống. 1.3.2 Sự tiến hĩa các dạng sinh vật Quá trình phát sinh sự sống từ chất vơ cơ đã diễn ra và đang diễn ra khơng ngừng. Từ các dạng ban đầu này dẫn đến các động thực vật ngày nay bằng con đường phức tạp hĩa lần qua nhiều thế hệ. Các biến đổi diễn ra từ từ và khĩ nhận thấy. Thời gian địa chất dài và kèm theo sự thay đổi điều kiện sống cĩ ý nghĩa quan trọng. Các nhân tố chính của sự tiến hĩa là:Sự tiệm tiến (gradation)Sự biệt hĩa thích nghi do điều kiện biến đổi của mơi trường. Quan điểm tiến hĩa trước Darwin Những quan niệm của Lamarck về nguyên nhân tiến hĩa cĩ thể tĩm tắt như sau: 1.Một tính trạng cĩ thể thu nhận được thơng qua việc sử dụng thường xuyên, và cĩ thể mất đi khi khơng được sử dụng. 2.Một tính trạng tập nhiễm (tính trạng thu được do thường xuyên sử dụng) cĩ thể di truyền từ thế hệ nầy sang thế hệ khác. Sự mất đi một tính trạng cũng vậy. 3.Trong quá trình tiến hĩa, các dạng sinh vật phát triển theo hướng ngày càng phức tạp. 4.Một lực siêu hình trong tự nhiên luơn luơn thúc đẩy quá trình tiến hĩa hướng tới sự hồn thiện. Charles Darwin (1809-1882) 2. HỌC THUYẾT TIẾN HĨA CỦA DARWIN Nhà sinh học tiến hĩa đầu tiên, là người khởi đầu của khái niệm chọn lọc tự nhiên.Học thuyết tiến hĩa của DarwinTiểu sử DarwinSinh tại Shrewsbury. Học y khoa những ngày đầu ở Edinburgh. Chuyển sang học tại Cambridge (Christ's Church, 1828). Học thuyết tiến hĩa của Darwin1831-1836, tham gia cuộc khảo sát khoa học vịng quanh thế giới bằng tàu 1844: bắt đầu viết sách về những gì ơng đã tìm thấy. 1858: đăng đầu tiên trên tạp chí khoa học 1859: xuất bản sách “Nguồn gốc các lồi bằng con đường chọn lọc tự nhiên”, gọi tắt là “Nguồn gốc các lồi”.1871: “Nguồn gốc lồi người và sự chọn lọc giới tính”.Tiểu sử DarwinHọc thuyết tiến hĩa của Darwin2.2 Nội dung học thuyết2.2.1 Biến dị Các đặc điểm của biến dị ở động vật nuơi và cây trồng: - Rất đa dạng so với tổ tiên hoang dại ban đầu- Cĩ nguồn gốc chung- Các đặc điểm biến dị phục vụ lợi ích con người. Con người đã tích lũy các biến dị bằng con đường chọn lọc.Những sai khác nhỏ giữa những cá thể cùng lồi, là nguồn nguyên liêu cho chọn lọc tự nhiên hoạt động. Cĩ rất nhiều biến dị và đa số được di truyền cho hậu thế. 2.2.2 Đấu tranh sinh tồn Sự phụ thuộc một sinh vật đối với sinh vật khác và gồm (điều này quan trọng hơn) khơng chỉ đời sống cá thể mà cịn thành cơng trong việc tạo ra nhiều hậu thế” 2.2.3 Chọn lọc tự nhiên Sự duy trì các sai khác cá thể hay biến dị cĩ ích và tiêu diệt các dạng cĩ hại được gọi là chọn lọc tự nhiên hay sự sống cịn của các dạng thích nghi nhất Học thuyết tiến hĩa của DarwinTĩm lại học thuyết tiến hĩa của Darwin về chọn lọc tự nhiên dựa trên các giả định sau : 1.Số lượng cá thể sinh ra trong mỗi thế hệ nhiều hơn số cá thể được sống sĩt và sinh sản. 2.Cĩ sự biến dị trong các cá thể làm cho chúng khơng hồn tồn giống nhau về tất cả các đặc tính. 3.Trong đấu tranh sinh tồn, những cá thể mang các tính trạng cĩ lợi sẽ cĩ nhiều cơ hội sống sĩt và sinh sản hơn là các cá thể mang các tính trạng khơng cĩ lợi. 4.Một số đặc điểm kết quả của sự sống sĩt và sinh sản cĩ thể di truyền. 5.Tất cả các lồi sinh vật đều tiến hố từ một vài tổ tiên chung. 6.Cần cĩ một thời gian rất lớn để cho sự tiến hĩa xảy ra.2.3. Ý nghĩa Thế giới sinh vật cĩ nguồn gốc chung Nguồn gốc lồi người Biến dị, di truyền, chọn lọc tự nhiên. Chọn lọc tự nhiên là nhân tố chủ yếu và là động lực của tiến hĩa. Cơ nguyên chính của sự tiến hĩa, tìm ra cơ sở lịch sử tự nhiên chung, đặc trưng cho các sinh vật. Thế giới sinh vật được nhìn thành một thể thống nhất cĩ quan hệ họ hàng từ thấp lên cao. Cây phát sinh chung lồi được xây dựng. Giúp các nhà Sinh học cĩ định hướng rõ ràng và thuận tiện trong các nghiên cứu cũng như giải thích các kết quả thu được. Học thuyết tiến hĩa của Darwin kết hợp với di truyền học là cơ sở cho học thuyết tiến hĩa hiện đại. Học thuyết tiến hĩa của DarwinCÁC BẰNG CHỨNG TIẾN HĨA Các đặc điểm tương đồng Một trong những căn cứ của học thuyết tiến hĩa là tất cả các dạng động vật và thực vật ngày nay đều tiến hĩa từ một số tổ tiên chung Như vậy, các quá trình sống cơ bản như sự phĩng thích năng lượng, sự tổng hợp ATP, sự vận chuyển thơng tin di truyền... sẽ phải giống nhau trong tất cả các sinh vật .Trình tự các acid amin của phân tử cytochrom c từ nấm men cho đến con người dặc biệt giống nhau. Phơi sinh học so sánh Phơi của tất cả các nhĩm động vật cĩ xương sống từ cá đến hữu nhũ đều cĩ khe mang nhưng chỉ ở cá các khe mang mới phát triển thành mang. Như vậy tại sao phơi của bị sát, chim và thú cũng cĩ khe mang nhưng khơng phát triển thành mang?Ernst Heackel (1834-1919) đã cho rằng các giai đoạn phát triển phơi của những sinh vật tiến hĩa hơn rút ngắn một số đặc điểm hình thái của tổ tiên chúng. Do đĩ phơi chim cĩ khe mang vì tổ tiên của chim là một nhĩm cá cổ. Tuy nhiên điều này khơng ám chỉ rằng tất cả các đặc điểm phát triển phơi đều cĩ thể được xem là một sự rút ngắn các đặc điểm của tổ tiên. đoạn sớm     Giai đoạn giữa         Giai đoạn cuối      Cá Lưỡng thê Bị sát Chim Thú Người Hình 1. Các giai đoạn phát triển phơi của các lớp động vật cĩ xương sốngGiải phẩu học so sánh Chúng ta hãy khảo sát cánh chim, chi trước của ếch, tay người, cánh dơi và vây ức của cá voi (Hình 2). Chim Dơi Các cơ quan nầy được choi là tương đồng (homologous) với nhau. Chi trước của tất cả các động vật bốn chân đều cĩ xương cánh tay, xương tay trụ và tay quay, xương cổ tay, xương bàn tay và xương ngĩn tay. Xương cổ, xương bàn và xương ngĩn tay ở những động vật này cũng tương tự nhau mặc dù mức độ phát triển của xương cĩ thay đổi theo lồi. Cá voi Ếch Cá Người Ngựa  Sự tiến hĩa đồng qui Khi những sinh vật khơng cĩ quan hệ thích nghi với cùng nơi cư trú và cùng cách sống, chúng thường cĩ những đặc điểm về hình thái giống nhau mặc dù cấu trúc bên trong của chúng cĩ thể khác nhau. Trường hợp này được gọi là sự đồng qui tiến hĩa (ecolutionary convergence). Thí dụ vây ức của cá xương và cá voi trơng giống nhau nhưng chúng cĩ cấu trúc rất khác nhau. Ở cá xương, vây được nâng đở bởi các tia vây, trong khi ở cá voi vây được nâng đở bởi các xương ngĩn. Về mặt phát triển tia vây hồn tồn khác với xương ngĩn, do đĩ vây của hai nhĩm chỉ giống nhau ở bề ngồi. Tương tự, cánh của dơi và cánh của chim cĩ hình thái và chức năng giống nhau nhưng lại khác biệt về cấu trúc bên trong. Rắn và thằn lằn khơng chi (limbless lizard) thích nghi với đời sống trong hang nên các chi bị thối hĩa. Sự phân bố địa lý của lồi Sự phân bố địa lý của sinh vật hiện tại cũng là những bằng chứng về sự tiến hĩa. Chẳng hạn ở những hải đảo khác nhau trên thế giới người ta phát hiện ra những lồi thực vật và động vật đặc hữu (những lồi chỉ cĩ ở một vùng nhất định, khơng tìm thấy ở bất kỳ nơi nào khác Cách giải thích hợp lý duy nhất cho sự phân bố địa lý của những sinh vật nầy là một vài cá thể là tổ tiên của quần thể hiện nay của những vùng đĩ. Theo thời gian chúng tiến hĩa như chúng ta thấy hiện nay. Hình 3. Các vùng phân bố địa lý trên thế giới và một số lồi thú tiêu biểu của mỗi vùng SỰ TIẾN HĨA PHÂN TỬVề nguồn gốc sự sống1. Giả thuyết về gen xuất hiện trước tiên - 1929, nhà di truyền học H.J. Muller- Sự sống bắt đầu từ 1 hoặc vài gen được tạo thành khơng do các sinh vật.Sự tiến hĩa phân tử2. Giả thuyết RNA xuất hiện trước - 1967, do Thomas R. Cech tìm ra.- Các phân tử RNA cĩ thể mang cùng một lúc hai chức năng: + mang thơng tin di truyền như DNA + khả năng xúc tác như protein (ribozyme)Thomas R. CechSự tiến hĩa phân tửThuyết tiến hĩa trung tính - 1968, do Motoo Kimura tìm ra- Thuyết tiến hĩa trung tính: + Phần lớn các thay thế nucleotide trong phân tử DNA xảy ra ngẫu nhiên tạo ra phần lớn các đột biến trung tính, khơng cĩ ý nghĩa chọn lọc + Sự đa dạng được duy trì trong quần thể ở thế cân bằng giữa tổng đột biến và sự loại trừ ngẫu nhiên. Sự tiến hĩa phân tửCác giả thuyết về sự tiến hố của gen Nhân đơi (gene duplication) Dung hợp (gene fustion) Tách gen (gene disjunction) Sự tiến hĩa phân tửBắt cặp so le (unequal pairing) Trao đổi chéo Nhân đơi (gene duplication) gen nhân đơi lên gen bị mất đi phân hố enzyme thay đổi cấu hình (conformation) chọn lọc tự nhiên giữ lại đột biến thích nghiSự tiến hĩa phân tửDung hợp (gene fustion) dung hợp các bản sao nhân đơi cùng 1 gen1 genlặp đoạn trong cấu trúc gen mớicác lặp đoạn của 1 mạch polypeptide Tách gen (gene disjunction) tách ra các phần riêng cĩ hoạt tínhSự tách các đoạn gen và tổ hợp lại chúng tạo các gen khác nhau ở các lồi khác nhau.Sự tiến hĩa phân tửSự tiến hố của hệ thống điều hồ Sự tiến hố của các cơ chế điều hồ (enhancer, promoter, transposon )Thay đổi tiến hốgen cấu trúcgen điều hồSự khác biệt giữa các sinh vậtSự tiến hố phát triển tăng cường các cơ chế điều hồSự tự trị hố (autonomisation) của các gen Eukaryotae so với ProkaryotaeSự tiến hĩa phân tửChân thành cảm ơn!