Lựa chọn tự nhiên hoạt động như thế nào

Vài trăm triệu năm trước, không có động vật có xương sống trên cạn. Các loài động vật có xương sống duy nhất trên thế giới là cá, tất cả đều sống dưới nước. Cạnh tranh về thức ăn rất khốc liệt. Một số loài cá sống gần bờ biển đã phát triển một đột biến kỳ lạ: khả năng tự đẩy mình trong bùn và cát trên bờ bằng vây của chúng. Điều này giúp chúng tiếp cận với nguồn thức ăn mà không loài cá nào có thể tiếp cận được. Lợi thế mang lại cho họ khả năng sinh sản thành công cao hơn, do đó đột biến đã được truyền đi. Đây là những gì chúng tôi gọi là chọn lọc tự nhiên .

Chọn lọc tự nhiên là động cơ thúc đẩy quá trình tiến hóa . Những sinh vật phù hợp nhất để tồn tại trong những hoàn cảnh cụ thể của chúng có cơ hội lớn hơn để truyền những đặc điểm của chúng cho thế hệ tiếp theo. Nhưng thực vật và động vật tương tác theo những cách rất phức tạp với các sinh vật khác và môi trường của chúng. Những yếu tố này kết hợp với nhau để tạo ra sự đa dạng đáng kinh ngạc của các dạng sống hiện nay trên Trái đất .

Bằng cách hiểu được chọn lọc tự nhiên, chúng ta có thể tìm hiểu lý do tại sao một số loài thực vật tạo ra xyanua, tại sao thỏ lại sinh ra rất nhiều con, làm thế nào động vật xuất hiện lần đầu tiên từ đại dương để sống trên đất liền và làm thế nào một số động vật có vú cuối cùng quay trở lại. Chúng ta thậm chí có thể tìm hiểu về sự sống vi mô, chẳng hạn như vi khuẩn và vi rút , hoặc tìm ra cách con người trở thành con người.

Charles Darwin đã đặt ra thuật ngữ "chọn lọc tự nhiên". Thông thường, bạn sẽ nghe thấy nó cùng với câu cửa miệng thường bị hiểu nhầm về sự tiến hóa " sự sống sót của những người khỏe mạnh nhất ". Nhưng sự sống sót của kẻ khỏe mạnh nhất không nhất thiết phải là cuộc chiến đẫm máu, đẫm máu để giành lấy sự sống còn mà chúng ta có xu hướng thực hiện (mặc dù đôi khi nó là như vậy). Đúng hơn, nó là thước đo để đánh giá mức độ hiệu quả của cây trong việc phân tán hạt giống; khả năng của cá để tìm một bãi đẻ an toàn trước khi đẻ trứng; kỹ năng mà một con chim lấy hạt từ chiếc cốc sâu và thơm của một bông hoa; khả năng kháng thuốc kháng sinh của vi khuẩn.

Với một chút trợ giúp từ chính Darwin, chúng ta sẽ tìm hiểu về chọn lọc tự nhiên và cách nó tạo ra sự phức tạp và đa dạng đáng kinh ngạc của sự sống trên hành tinh Trái đất.

1. Hiểu biết về sự tiến hóa
2. Sự khỏe khoắn
3. Áp lực dân số
4. Siêu tổ chức so với Gene ích kỷ
5. Nghiên cứu điển hình trong chọn lọc tự nhiên

Tiến hóa là kết quả của xu hướng một số sinh vật có khả năng sinh sản thành công tốt hơn những sinh vật khác - chọn lọc tự nhiên.

Điều quan trọng cần nhớ là sự khác biệt giữa các cá thể, thậm chí các cá thể từ các thế hệ khác nhau, không cấu thành quá trình tiến hóa. Đó chỉ là những biến thể của các tính trạng . Đặc điểm là những đặc điểm có thể di truyền - chúng có thể được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Không phải tất cả các đặc điểm đều là thể chất - khả năng chịu đựng sự tiếp xúc gần gũi với con người là một đặc điểm phát triển ở chó . Dưới đây là một ví dụ giúp giải thích những khái niệm này:

Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng một số điều kiện phát sinh khiến cho các tay đua ngựa có nhiều khả năng sinh sản thành công hơn các cầu thủ bóng rổ. Những người chạy bộ có con thường xuyên hơn và những đứa trẻ này có xu hướng thấp bé. Người chơi bóng rổ có ít trẻ em hơn, vì vậy có ít người cao hơn. Sau một vài thế hệ, chiều cao trung bình của con người giảm dần. Con người đã tiến hóa để ngắn hơn.

Tiến hóa là tất cả về sự thay đổi, nhưng cơ chế gây ra những thay đổi này là gì? Mọi sinh vật đều có mọi thứ về cấu tạo của nó được mã hóa trong một cấu trúc hóa học đặc biệt gọi là DNA . Bên trong DNA là các trình tự hóa học xác định một đặc điểm hoặc tập hợp các tính trạng nhất định. Các trình tự này được gọi là gen. Phần của mỗi gen dẫn đến sự biểu hiện khác nhau của các tính trạng được gọi là alen . Vì một tính trạng là sự biểu hiện của một alen, nên xu hướng của một tính trạng nhất định xuất hiện trong quần thể được gọi là tần số alen . Về bản chất, tiến hóa là sự thay đổi tần số alen trong một vài thế hệ.

Các alen khác nhau (và do đó các tính trạng khác nhau) được tạo ra theo ba cách:

Bản thân sinh sản hữu tính là sản phẩm của chọn lọc tự nhiên - các sinh vật pha trộn các gen theo cách này sẽ tiếp cận được với nhiều loại đặc điểm hơn, khiến chúng có nhiều khả năng tìm thấy những đặc điểm phù hợp để tồn tại. Để biết thêm thông tin chi tiết về quá trình tiến hóa, hãy xem Cách thức hoạt động của sự tiến hóa .

Dân số là gì?

Quần thể là một nhóm sinh vật xác định. Về mặt khoa học tiến hóa, một quần thể thường dùng để chỉ một nhóm sinh vật có khả năng sinh sản tiếp cận với nhau. Ví dụ, ngựa vằn sống trên đồng bằng của châu Phi là một quần thể. Nếu những con ngựa vằn khác sống ở Nam Mỹ (không có loài nào, nhưng hãy giả như chúng làm vì lợi ích của ví dụ), chúng sẽ đại diện cho một quần thể khác vì chúng ở quá xa để giao phối với ngựa vằn châu Phi. Sư tử sống trên đồng bằng châu Phi cũng là một quần thể khác, bởi vì sư tử và ngựa vằn về mặt sinh học không thể giao phối với nhau.

Thể lực là chìa khóa của chọn lọc tự nhiên. Chúng ta không nói về việc một con rái cá biển có thể đốt cháy bao nhiêu đại diện tại phòng tập thể dục - thể dục sinh học là khả năng sinh vật tồn tại đủ lâu để sinh sản thành công. Ngoài ra, nó còn phản ánh khả năng sinh sản tốt của một sinh vật. Nó không đủ để một cái cây tạo ra một chùm hạt. Những hạt giống đó cần khả năng kết thúc trong đất màu mỡ với đủ nguồn lực để nảy mầm và phát triển.

Đầu tiên Charles Darwin , người đã quan sát động vật hoang dã trên khắp thế giới, giải thích chi tiết về thể chất và chọn lọc tự nhiên , sau đó tìm hiểu những gì mình đã thấy. Chọn lọc tự nhiên có lẽ được giải thích tốt nhất bằng lời của ông, trích từ tác phẩm mang tính bước ngoặt của ông "Về nguồn gốc của các loài."

Các sinh vật biểu hiện sự biến đổi của các tính trạng . "Nhiều sự khác biệt nhỏ xuất hiện ở con cái của cùng một cặp bố mẹ có thể được gọi là sự khác biệt riêng lẻ. Không ai cho rằng tất cả các cá thể của cùng một loài được đúc trong cùng một khuôn thực tế."

Nhiều sinh vật được sinh ra hơn bao giờ hết có thể được hỗ trợ bởi các nguồn tài nguyên của hành tinh . "Mọi sinh vật ... đều phải chịu sự hủy diệt vào một thời điểm nào đó trong cuộc đời của nó, nếu không, theo nguyên tắc gia tăng hình học, số lượng của nó sẽ nhanh chóng trở nên ... lớn đến mức không quốc gia nào có thể hỗ trợ sản phẩm."

Vì vậy, mọi sinh vật đều phải đấu tranh để sống . "Vì nhiều cá thể được tạo ra hơn mức có thể tồn tại, nên trong mọi trường hợp phải có một cuộc đấu tranh để tồn tại, hoặc một cá thể này với một cá thể khác cùng loài, hoặc với các cá thể của các loài khác biệt, hoặc với các điều kiện vật chất của cuộc sống."

Một số đặc điểm mang lại lợi thế trong cuộc đấu tranh . "Chúng ta có thể nghi ngờ ... rằng những cá nhân có bất kỳ lợi thế nào, dù nhỏ hơn những người khác, sẽ có cơ hội sống sót và sinh sản tốt nhất không?"

Các sinh vật có những đặc điểm đó có nhiều khả năng sinh sản thành công và truyền những đặc điểm đó cho thế hệ sau . "Những khác biệt nhỏ nhất có thể biến quy mô cân bằng độc đáo trong cuộc đấu tranh giành sự sống, và vì vậy được bảo tồn."

Các biến dị thành công tích lũy qua nhiều thế hệ khi các sinh vật phải chịu áp lực về dân số. "Chọn lọc tự nhiên chỉ hoạt động bằng cách duy trì và tích lũy các biến thể có lợi trong các điều kiện mà mỗi sinh vật tiếp xúc.

Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về khái niệm sức ép dân số. 

Quá trình chọn lọc tự nhiên có thể được thúc đẩy nhanh chóng bởi sức ép dân số mạnh mẽ . Áp lực dân số là một hoàn cảnh khiến sinh vật khó tồn tại hơn. Luôn có một số loại áp lực dân số, nhưng các sự kiện như lũ lụt , hạn hán hoặc những kẻ săn mồi mới có thể làm tăng nó. Dưới áp lực cao, nhiều thành viên trong quần thể sẽ chết trước khi sinh sản. Điều này có nghĩa là chỉ những cá thể có những đặc điểm cho phép chúng đối phó với áp lực mới sống sót và truyền lại các alen của chúng cho thế hệ sau. Điều này có thể dẫn đến những thay đổi mạnh mẽ đối với tần số alen trong vòng một hoặc hai thế hệ.

Đây là một ví dụ - hãy tưởng tượng một quần thể hươu cao cổ với các cá thể có chiều cao từ 10 feet đến 20 feet. Một ngày nọ, một ngọn lửa quét qua và phá hủy tất cả các thảm thực vật dưới 15 feet. Chỉ những con hươu cao cổ cao hơn 15 feet mới có thể vươn những chiếc lá cao hơn để ăn. Hươu cao cổ ở dưới độ cao đó hoàn toàn không thể tìm thấy thức ăn . Hầu hết chúng chết đói trước khi có thể sinh sản. Trong thế hệ tiếp theo, rất ít hươu cao cổ ngắn được sinh ra. Chiều cao trung bình của dân số đã tăng thêm vài feet.

Có những cách khác để ảnh hưởng nhanh chóng và mạnh mẽ đến tần số alen. Một chiều là tắc nghẽn dân số . Trong một quần thể lớn, các alen phân bố đều trên quần thể. Nếu một sự kiện nào đó, chẳng hạn như bệnh tật hoặc hạn hán, xóa sổ một tỷ lệ lớn quần thể, các cá thể còn lại có thể có tần số alen rất khác với quần thể lớn hơn. Một cách tình cờ, chúng có thể có nồng độ alen cao mà trước đây tương đối hiếm. Khi những cá thể này sinh sản, các đặc điểm hiếm trước đây trở thành điểm trung bình của quần thể.

Hiệu ứng người sáng lập cũng có thể mang lại sự phát triển nhanh chóng. Điều này xảy ra khi một số lượng nhỏ cá thể di cư đến một địa điểm mới, "thành lập" một quần thể mới không còn giao phối với quần thể cũ. Cũng giống như tắc nghẽn quần thể, những cá thể này có thể có tần số alen bất thường, dẫn đến các thế hệ tiếp theo có những đặc điểm rất khác với quần thể ban đầu mà những người sáng lập đã di cư đến.

Sự khác biệt giữa sự thay đổi chậm, dần dần qua nhiều thế hệ ( chủ nghĩa dần dần ) và sự thay đổi nhanh chóng dưới áp lực dân số cao xen kẽ với thời gian tiến hóa ổn định lâu dài ( trạng thái cân bằng ngắt quãng ) là một cuộc tranh luận đang diễn ra trong khoa học tiến hóa.

Tiến hóa ổn định

Cho đến nay, chúng tôi coi chọn lọc tự nhiên như một tác nhân của sự thay đổi. Tuy nhiên, khi nhìn quanh thế giới, chúng ta thấy nhiều loài động vật tương đối không thay đổi trong hàng chục nghìn năm - trong một số trường hợp, thậm chí hàng triệu năm. Cá mập là một ví dụ. Nó chỉ ra rằng chọn lọc tự nhiên cũng là một tác nhân của sự ổn định .

Đôi khi một sinh vật đạt đến trạng thái tiến hóa trong đó các đặc điểm của nó rất phù hợp với môi trường của nó. Khi không có gì xảy ra gây áp lực quần thể mạnh lên quần thể đó, thì chọn lọc tự nhiên sẽ ưu tiên tần số alen đã có. Khi đột biến tạo ra các đặc điểm mới, chọn lọc tự nhiên sẽ loại bỏ những đặc điểm này vì chúng không hiệu quả bằng những đặc điểm khác.

Nhà sinh vật học tiến hóa Richard Dawkins đã viết một cuốn sách có tên "Gien ích kỷ" vào những năm 1970. Cuốn sách của Dawkins đã tái cấu trúc quá trình tiến hóa bằng cách chỉ ra rằng chọn lọc tự nhiên ủng hộ việc truyền lại các gen chứ không phải bản thân sinh vật. Khi một sinh vật đã sinh sản thành công, chọn lọc tự nhiên không quan tâm đến điều gì xảy ra sau đó. Điều này giải thích tại sao một số đặc điểm kỳ lạ vẫn tiếp tục tồn tại - những đặc điểm tưởng chừng như gây hại cho sinh vật nhưng lại có lợi cho các gen. Ở một số loài nhện , con cái ăn thịt con đực sau khi giao phối. Đối với sự chọn lọc tự nhiên, một con nhện đực chết 30 giây sau khi giao phối cũng giống như một con nhện đang sống một cuộc sống sung túc và giàu có.

Kể từ khi xuất bản cuốn "The Selfish Gene", hầu hết các nhà sinh vật học đồng ý rằng ý tưởng của Dawkins giải thích rất nhiều về chọn lọc tự nhiên, nhưng chúng không giải đáp được tất cả. Một trong những điểm gắn bó chính là lòng vị tha . Tại sao con người (và nhiều loài động vật) lại làm những điều tốt cho người khác, ngay cả khi điều đó không mang lại lợi ích trực tiếp cho chính họ? Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hành vi này là bản năng và xuất hiện mà không được đào tạo văn hóa ở trẻ sơ sinh của con người [nguồn: CBC ]. Nó cũng xuất hiện ở một số loài linh trưởng. Tại sao chọn lọc tự nhiên lại ủng hộ bản năng giúp đỡ người khác?

Một lý thuyết xoay quanh quan hệ họ hàng . Những người có quan hệ họ hàng với bạn chia sẻ nhiều gen của bạn. Giúp họ có thể giúp đảm bảo rằng một số gen của bạn được truyền lại. Hãy tưởng tượng hai gia đình của loài người sơ khai, cả hai đều cạnh tranh nhau để tìm nguồn thức ăn giống nhau. Một gia đình có các alen cho lòng vị tha - họ giúp nhau săn bắn và chia sẻ thức ăn. Gia đình còn lại thì không - họ săn riêng, và mỗi người chỉ ăn bất cứ thứ gì mình bắt được. Nhóm hợp tác có nhiều khả năng đạt được thành công về sinh sản hơn, di truyền các alen về lòng vị tha.

Các nhà sinh vật học cũng đang khám phá một khái niệm được gọi là siêu tổ chức. Về cơ bản nó là một sinh vật được tạo ra từ nhiều sinh vật nhỏ hơn. Siêu tổ chức kiểu mẫu là thuộc địa côn trùng. Trong một đàn kiến, chỉ có kiến ​​chúa và một vài con đực sẽ truyền gen của chúng cho thế hệ tiếp theo. Hàng nghìn con kiến ​​khác dành cả đời làm công nhân hoặc máy bay không người lái mà hoàn toàn không có cơ hội truyền gen trực tiếp của chúng. Tuy nhiên, họ làm việc để đóng góp vào sự thành công của thuộc địa. Về "gen ích kỷ", điều này không có ý nghĩa gì cả. Nhưng nếu bạn xem một thuộc địa côn trùng như một sinh vật đơn lẻ được tạo thành từ nhiều bộ phận nhỏ (kiến), thì nó đúng. Mỗi con kiến ​​làm việc để đảm bảo sự thành công sinh sản của cả đàn. Một số nhà khoa học cho rằng khái niệm siêu tổ chức có thể được sử dụng để giải thích một số khía cạnh của quá trình tiến hóa của loài người [nguồn: Wired Science ].

Đặc điểm tiền đình và tâm lý

Tất cả các sinh vật đều mang những đặc điểm không còn mang lại lợi ích thực sự nào cho chúng trong điều kiện chọn lọc tự nhiên. Nếu đặc điểm không gây hại cho sinh vật, thì chọn lọc tự nhiên sẽ không loại bỏ nó, vì vậy những đặc điểm này tồn tại qua nhiều thế hệ. Kết quả: các cơ quan và hành vi không còn phục vụ mục đích ban đầu của chúng. Những đặc điểm này được gọi là tiền đình .

Có rất nhiều ví dụ trong cơ thể con người một mình. Xương cụt là phần còn lại của đuôi của tổ tiên và khả năng lắc tai của bạn còn sót lại từ một loài linh trưởng trước đó có khả năng di chuyển tai của mình để xác định âm thanh. Thực vật cũng có các đặc điểm sâu bệnh. Nhiều loài thực vật từng sinh sản hữu tính (cần côn trùng thụ phấn) đã phát triển khả năng sinh sản vô tính. Họ không cần côn trùng để thụ phấn nữa, nhưng họ vẫn tạo ra hoa, điều này ban đầu cần để dụ côn trùng đến thăm cây.

Đôi khi, một đột biến làm cho một đặc điểm tiền đình biểu hiện đầy đủ hơn. Điều này được gọi là một sự suy giảm . Con người đôi khi được sinh ra với những cái đuôi nhỏ. Việc tìm thấy cá voi có chân sau khá phổ biến . Đôi khi rắn có móng chân tương đương, mặc dù chúng không có ngón chân. Hoặc bàn chân.

Chúng ta thường nghĩ về sự tiến hóa như một cái gì đó mà chúng ta không thấy xảy ra ngay trước mắt mình, thay vào đó nhìn vào các hóa thạch để tìm bằng chứng về việc nó đã xảy ra trong quá khứ. Trên thực tế, quá trình tiến hóa dưới áp lực dân số quá lớn diễn ra nhanh đến mức chúng ta từng thấy nó xảy ra trong khoảng thời gian tồn tại của con người.

Voi châu Phi thường có ngà lớn. Ngà voi được một số người coi trọng, vì vậy những người thợ săn đã săn bắt voi để xé ngà và bán chúng (thường là bất hợp pháp) trong nhiều thập kỷ. Một số loài voi châu Phi có một đặc điểm hiếm gặp - chúng không bao giờ phát triển ngà. Năm 1930, khoảng 1% tổng số voi không có ngà. Những người săn ngà voi không thèm giết chúng vì không có ngà để phục hồi. Trong khi đó, những con voi có ngà đã bị giết chết hàng trăm con, trong đó có nhiều con trước khi chúng có cơ hội sinh sản.

Các alen cho "không có ngà" chỉ được truyền qua một vài thế hệ. Kết quả: Có tới 38% số voi trong một số quần thể hiện đại không có ngà [nguồn: BBC News ]. Thật không may, đây thực sự không phải là một kết thúc có hậu cho những con voi, vì ngà của chúng được sử dụng để đào và phòng thủ.

Sâu đục quả, một loài dịch hại ăn và phá hại cây bông vải, đã chỉ ra rằng chọn lọc tự nhiên có thể hoạt động nhanh hơn cả việc các nhà khoa học có thể tạo ra một thứ gì đó về mặt di truyền. Một số cây bông đã được biến đổi gen để tạo ra độc tố gây hại cho hầu hết các loài sâu đục quả. Một số ít sâu đục quả bị đột biến giúp chúng có khả năng miễn dịch với độc tố. Chúng ăn bông và sống, trong khi tất cả sâu đục quả không có miễn dịch đều chết. Áp lực quần thể mạnh mẽ đã tạo ra khả năng miễn dịch rộng rãi đối với độc tố của toàn bộ loài chỉ trong vòng vài năm [nguồn: EurekAlert ].

Một số loài cỏ ba lá đã phát triển một đột biến khiến chất độc xyanua hình thành trong tế bào của cây . Điều này khiến cỏ ba lá có vị đắng nên ít có khả năng bị ăn hơn. Tuy nhiên, khi nhiệt độ xuống dưới mức đóng băng, một số tế bào bị vỡ, giải phóng xyanua vào các mô của cây và giết chết cây. Ở những vùng khí hậu ấm áp, chọn lọc tự nhiên đã ủng hộ cỏ ba lá sản xuất xyanua, nhưng ở những nơi có mùa đông lạnh giá, cỏ ba lá không chứa xyanua lại được ưu ái hơn. Mỗi loại hầu như chỉ tồn tại ở mỗi vùng khí hậu [nguồn: Purves ].

Còn con người thì sao? Chúng ta có phải là đối tượng của chọn lọc tự nhiên không? Chắc chắn rằng chúng ta - con người chỉ trở thành con người vì một loạt các đặc điểm (bộ não lớn hơn, đi đứng) đã mang lại lợi thế cho những loài linh trưởng đã phát triển chúng. Nhưng chúng tôi có khả năng ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố gen của mình. Chúng ta có thể sử dụng biện pháp kiểm soát sinh đẻ để những người "khỏe nhất" về mặt chọn lọc tự nhiên có thể không di truyền gen của chúng ta. Chúng tôi sử dụng y học và khoa học để cho phép nhiều người sống (và sinh sản ), những người nếu không sẽ không thể sống sót trong quá khứ thời thơ ấu. Giống như những loài động vật được thuần hóa, được chúng ta lai tạo để đặc biệt ưa thích một số đặc điểm nhất định, con người bị ảnh hưởng bởi một kiểu chọn lọc phi tự nhiên.

Tuy nhiên, chúng tôi vẫn đang phát triển. Một số người có khả năng sinh sản thành công hơn những người khác, và các yếu tố ảnh hưởng đến phương trình đó đã thêm một lớp phức tạp của con người lên trên những tương tác vốn đã phức tạp của thế giới động vật. Nói cách khác, chúng tôi không thực sự biết mình sẽ phát triển thành gì. Thay đổi là không thể tránh khỏi, nhưng hãy nhớ rằng chọn lọc tự nhiên không quan tâm đến việc làm cho con người "tốt hơn", chỉ là chúng ta nhiều hơn.

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn