Tổng quan Phần 4: Tiến Hóa và Đa Dạng Sinh Học

Tổng quan Phần 4: Tiến Hóa và Đa Dạng Sinh Học

• Mục tiêu là hiểu các khái niệm và cơ chế hình thành loài, sự tiến hóa, và đa dạng sinh vật.
• Cần diễn giải được sự tiến hóa và đa dạng của sinh vật.
• Mô tả được các khái niệm và cơ chế hình thành loài.
• Nội dung bao gồm cơ chế tiến hóa và tiến hóa quần thể, nguồn gốc loài.
• Phần 4 chiếm 5% điểm quá trình, 20% điểm giữa kỳ và 15% điểm cuối kỳ.
• Tìm hiểu và trình bày một ví dụ về các khái niệm, hiện tượng đã học trong phần Tiến hóa quần thể trong buổi học cuối cùng.

Tiến Hóa Quần Thể

• Các chủ đề chính gồm biến dị di truyền, phương trình Hardy-Weinberg, chọn lọc tự nhiên, phiêu bạt di truyền và dòng gen.

Đơn Vị Nhỏ Nhất Của Tiến Hóa

• Quần thể chim sẻ đất cỡ trung bình ở Daphne Major Island là một ví dụ điển hình.
• Trong thời gian hạn hán, chim sẻ có mỏ lớn có thể ăn hạt lớn và cứng sống sót, làm thay đổi đặc điểm của quần thể.
• Mỗi con chim có cỡ mỏ nhất định và số lượng chim có mỏ lớn tăng lên qua các thế hệ.
• Quần thể tiến hóa, không phải các cá thể riêng lẻ.

Tiến Hóa Nhỏ

• Là sự biến đổi tần số allele trong quần thể qua các thế hệ.
• Ba cơ chế chính làm thay đổi tần số allele là CLTN, phiêu bạt di truyền và dòng gen.
• CLTN cải thiện khả năng thích nghi của sinh vật với môi trường.

Biến Dị Di Truyền

• Biến dị di truyền làm cho tiến hóa xảy ra.
• Cá thể trong một loài có những đặc điểm riêng biệt.
• Sự thay đổi kiểu hình thường phản ánh thay đổi di truyền, ví dụ như thành phần gen hoặc trình tự DNA.
• Các đặc tính khác nhau được quy định bởi 1 locus gen riêng lẻ với các allele khác nhau.
• Một số biến đổi kiểu hình không phải do di truyền, ví dụ như màu sắc của sâu bướm phụ thuộc vào thức ăn.
• Kiểu hình còn là sản phẩm của sự tương tác của kiểu gen với môi trường.
• Biến dị di truyền cung cấp nguyên liệu thô cho tiến hóa; nếu không có biến dị di truyền, không xảy ra tiến hóa.

Nguồn Biến Dị Di Truyền

• Gen và allele mới có thể được tạo ra qua đột biến, sao chép gen và các quá trình khác.
• Biến dị di truyền được tạo ra nhanh ở những sinh vật có thời gian thế hệ ngắn.
• Sinh sản giới tính sắp xếp lại gen hiện có theo những cách mới.

Sự Hình Thành Alleles Mới

• Đột biến làm thay đổi trình tự nucleotide ở DNA.
• Chỉ đột biến ở tế bào tạo giao tử mới truyền cho con cái.
• Đột biến điểm là sự thay đổi một bazơ của gen.

Thay Đổi Số Lượng Hoặc Vị Trí Gen

• Đột biến nhiễm sắc thể làm xóa, phá vỡ/sắp xếp lại nhiều locus, thường có hại.
• Sao chép các đoạn DNA làm tăng kích thước bộ gen và thường ít gây hại hơn.
• Gen được sao chép có thể đảm nhận các chức năng mới bằng cách đột biến thêm.
• Ví dụ: Gen phát hiện mùi của tổ tiên đã được nhân đôi nhiều lần ở người (1.000 gen) và chuột (1.300 gen).

Sinh Sản Nhanh

• Tỷ lệ đột biến ở thực vật và động vật thường thấp (khoảng 1 đột biến/100.000 gen mỗi thế hệ).
• Sinh vật nhân sơ có tỉ lệ đột biến thấp nhưng có thể tạo ra biến thể di truyền nhanh chóng do có nhiều thế hệ hơn trên mỗi đơn vị thời gian.

Sinh Sản Hữu Tính

• Sinh sản hữu tính xáo trộn các allele hiện có thành các tổ hợp mới qua trao đổi chéo, di truyền độc lập và thụ tinh, tạo ra nhiều biến dị di truyền.

Phương Trình Hardy-Weinberg

• Có thể được sử dụng để kiểm tra xem một quần thể có đang tiến hóa.
• Quần thể là một nhóm các cá thể của cùng một loài sống trong cùng một khu vực, giao phối với nhau và tạo ra con hữu thụ.
• Các quần thể khác nhau của một loài có thể bị cô lập về mặt địa lý, hiếm khi trao đổi vật liệu di truyền.
• Vốn gen bao gồm tất cả các bản sao của mỗi loại allele ở mọi locus trong tất cả các thành viên của quần thể.
• Nếu chỉ có một allele tồn tại ở một locus cụ thể trong quần thể, allele đó được cho là cố định.
• Nếu có hai hoặc nhiều allele cho một locus cụ thể, các cá thể có thể là đồng hợp tử hoặc dị hợp tử.

Ví dụ Về Allele và Vốn Gen

• Quần thể hoa hoang dại có 2 allele qui định màu sắc hoa CR và CW.
• Cây đồng hợp tử lặn (CRCR) có hoa màu đỏ.
• Cây đồng hợp tử trội (CWCW) có hoa màu trắng.
• Cây dị hợp tử (CRCW) có hoa màu hồng.

Tần Số Allele

• Mỗi allele có một tần số trong quần thể.
• Cách tính tần số của một allele trong quần thể là chia tổng số allele ở một locus cho tổng số cá thể nhân 2 (đối với sinh vật lưỡng bội).
• Với những locus có hơn 2 alleles, tổng tần số allele luôn bằng 1.

Ví dụ Tính Tần Số Allele

• Nếu có 2 allele trên một locus, gọi p và q là tần số của 2 allele đó. Vì tổng tần số của các allele trong một quần thể bằng 1 nên p + q = 1.
• Một quần thể có 500 cá thể lưỡng bội (tổng số gen qui định màu hoa là 1000):
  • 320 cây hoa đỏ (CRCR): allele CR = 320*2=640
  • 160 cây hoa hồng (CRCW): allele CR = 160*1=160 = allele CW
  • 20 cây hoa trắng(CWCW): allele CW = 20*2=40
• Tần số allele CR là: 800/1000 = 0,8 (80 %) = q và allele CW là: 200/1,000 = 0,2 (20 %)= p

Cân Bằng Hardy-Weinberg

• Trong một quần thể không tiến hóa, tần số allele và kiểu gen sẽ không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác, với điều kiện chỉ có sự phân ly và tái tổ hợp Mendel của các allele.
• Một quần thể như vậy được cho là ở trạng thái cân bằng Hardy-Weinberg.

Điều Kiện Cần Để Đạt Trạng Thái Cân Bằng Hardy-Weinberg

• Nguyên lý Hardy-Weinberg mô tả một quần thể giả định không tiến hóa.
• Trong quần thể tự nhiên, tần số allele và kiểu gen thường thay đổi theo thời gian.
• Sự thay đổi đó có thể xảy ra khi ít nhất 1 trong 5 điều kiện sau không áp dụng: Không đột biến, giao phối ngẫu nhiên, không chọn lọc tự nhiên, kích thước quần thể cực lớn, không có dòng gen.

Ứng Dụng Nguyên Lý Hardy-Weinberg

• Thường được sử dụng để kiểm tra quần thể có đang tiến hóa hay không.
• Có ứng dụng trong y học, ước tính phần trăm quần thể mang allele gây bệnh di truyền.

Các Nhân Tố Chính Làm Thay Đổi Tần Số Allele

• Ba nhân tố chính: Chọn lọc tự nhiên, phiêu bạt di truyền và dòng gen.

Phiêu Bạt Di Truyền

• Các yếu tố ngẫu nhiên làm thay đổi tần số allele từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Hiệu Ứng Kẻ Sáng Lập

• Xảy ra khi một vài cá thể bị cô lập khỏi một quần thể lớn hơn, tạo thành một quần thể mới có vốn gen khác biệt.
• Có thể xảy ra khi một vài thành viên trong quần thể bị bão thổi bay đến một hòn đảo mới.
• Có lẽ là nguyên nhân gây ra tần suất tương đối cao của một số rối loạn di truyền nhất định trong các quần thể người bị cô lập.

Hiệu Ứng Thắt Cổ Chai

• Làm giảm quy mô quần thể đột ngột do thay đổi môi trường.
• Vốn gen thu được có thể không còn phản ánh vốn gen của quần thể ban đầu nữa.
• Nếu quần thể vẫn còn nhỏ, có thể bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi sự trôi dạt di truyền.
• Hiểu được hiệu ứng thắt cổ chai giúp nâng cao hiểu biết về hoạt động của con người ảnh hưởng đến các loài khác như thế nào.

Ảnh Hưởng Của Phiêu Bạt Di Truyền

• Quan trọng đối với những quần thể nhỏ.
• Thay đổi tần số allele một cách ngẫu nhiên.
• Mất biến dị di truyền trong quần thể.
• Có thể làm cho những gen có hại trở nên cố định.
• Ví dụ: Quần thể Gà lôi đồng cỏ lớn ở Illinois đã giảm từ hàng ngàn con xuống ít hơn 50 con do mất nơi ở, làm giảm số lượng allele trên mỗi locus và tỷ lệ trứng nở.

Dòng Gen

• Là sự di chuyển các allele ra/vào quần thể do sự di chuyển của các cá thể hữu thụ/ giao tử (phấn hoa).
• Làm giảm sự khác biệt di truyền giữa các quần thể.
• Làm tăng/giảm sự thích nghi của quần thể.
• Ví dụ: Các allele làm giảm sự thích nghi di cư từ đất liền tới quần thể Chim ở trung cao . Các gen thích nghi kém có thể ngăn cản quần thể bản địa đạt sự thích nghi hoàn toàn với môi trường địa phương.

Chọn Lọc Tự Nhiên

• Dựa trên sự khác biệt về khả năng sống sót và sinh sản.
• Các cá thể trong quần thể khác nhau về các đặc điểm di truyền.
• Cá thể nào có đặc điểm giúp chúng phù hợp với môi trường hơn sẽ có xu hướng sản sinh được nhiều con hơn.
• CLTN làm cho allele được truyền sang thế hệ sau khác với thế hệ trước.
• Ví dụ: Ruồi ăn quả có tần số allele kháng thuốc trừ sâu tăng lên sau khi con người sử dụng DDT.

Chọn Lọc Tự Nhiên Tạo Ra Tiến Hóa Thích Nghi

• Tiến hóa thông qua CLTN là sự kết hợp giữa cơ hội và sự sắp xếp.
• Cơ hội tạo ra các biến thể di truyền mới.
• CLTN ưa thích một số allele hơn những allele khác.
• CLTN đưa đến kết quả không ngẫu nhiên, làm tăng tần số các allele mang lại lợi thế sinh sản một cách nhất quán.

Các Mô Hình Chọn Lọc

• Chọn lọc định hướng: ủng hộ những cá thể có kiểu hình ở một phần đầu cực của dãy kiểu hình.
• Chọn lọc phân hóa: ủng hộ những cá thể có kiểu hình nằm ở hai đầu cực của dãy kiểu hình.
• Chọn lọc bền vững: ủng hộ những cá thể có kiểu hình trung gian.

Vai Trò Của CLTN Trong Tiến Hóa Thích Nghi

• Nhiều tính trạng của sinh vật thích nghi với môi trường đến mức đáng kinh ngạc.
• Sự thích nghi tăng dần theo thời gian khi CLTN làm gia tăng tần số của những allele giúp tăng khả năng sống sót và sinh sản, cải thiện sự phù hợp giữa loài và môi trường.

Trôi Dạt Di Truyền và Dòng Gen Có Đưa Đến Tiến Hóa Thích Nghi (THTN)

• CLTN là cơ chế duy nhất, liên tục dẫn đến tiến hóa thích nghi

Chọn Lọc Giới Tính

• Là một dạng của CLTN mà các cá thể với các tính trạng di truyền nhất định có nhiều cơ hội tìm kiếm bạn tình hơn.
• Dẫn đến lưỡng hình giới tính,là sự khác biệt rõ ràng giữa 2 giới về tính trạng sinh dục thứ cấp không trực tiếp liên quan đến sự sinh sản và sự sống sót.

Các Loại Chọn Lọc Giới Tính

• Chọn lọc cùng giới: các cá thể cùng giới cạnh tranh trực tiếp với nhau để giao phối với cá thể khác giới.
• Chọn lọc khác giới/chọn bạn tình: các cá thể của một giới lựa chọn bạn tình dựa trên sự phô diễn ngoại hình hoặc tập tính của các con đực.
• Ví dụ: Lưỡng hình giới tính ở chim Công (con trống và con mái khác nhau về ngoài hình), chọn lọc cùng giới (giữa những con công trống) và chọn lọc khác giới (con mái chọn trong những con trống có bộ lông đẹp nhất).

Chọn Lọc Cân Bằng

• Giữ lại trong quần thể hai hoặc nhiều dạng sống.
• Ưu thế dị hợp tử: cá thể dị hợp tử ở một locus có giá trị thích nghi cao hơn so với cả hai loại đồng hợp tử.
• Chọn lọc phụ thuộc tần số: giá trị thích nghi của một kiểu hình sẽ giảm nếu nó trở nên quá phổ biến.

Tại Sao CLTN Không Thể Tạo Ra Những Sinh Vật Hoàn Hảo

1. Chọn lọc chỉ có thể tác động lên những biến dị có sẵn trong quần thể.
2. Tiến hóa bị giới hạn bởi các trở ngại của lịch sử.
3. Sự thích nghi thường là sự dung hòa.
4. Yếu tố ngẫu nhiên, CLTN và môi trường tương tác với nhau.