Bài 22: Tiến hoá lớn và quá trình phát sinh chủng loại | Sinh Học 12 | Phần năm. Tiến hóa - Chương V: Bằng chứng các học thuyết tiến hoá - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 113)

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

• Phát biểu được khái niệm tiến hoá lớn. Phân biệt được tiến hoá lớn và tiến hoá nhỏ.

• Vẽ được sơ đồ ba giai đoạn phát sinh sự sống trên Trái Đất (tiến hoá hoá học, tiến hoá tiền sinh học, tiến hoá sinh học).

• Dựa vào sơ đồ, trình bày được các đại địa chất và biến cố lớn thể hiện sự phát triển của sinh vật trong các đại đó.

• Nêu được một số minh chứng về tiến hoá lớn.

• Dựa vào sơ đồ cây sự sống, trình bày được sinh giới có nguồn gốc chung và phân tích được sự phát sinh chủng loại là kết quả của tiến hoá.

• Vẽ được sơ đồ các giai đoạn chính trong quá trình phát sinh loài người.

• Nêu được loài người hiện nay (H.sapiens) đã tiến hoá từ loài vượn người (Australopithecus) qua các giai đoạn trung gian.

• Làm được bài tập sưu tầm tài liệu về sự phát sinh và phát triển của sinh giới hoặc của loài người.

I. TIẾN HÓA LỚN

Tiến hoá lớn là quá trình tiến hoá hình thành loài và các đơn vị phân loại trên loài (chi, họ, bộ,...) và toàn bộ sinh giới.Nếu như tiên hóa nhỏ là quá trình biến đổi tần số allele và tần số kiểu gene của quần thể thì tiến hoá lớn là quá tình tiến hoá xảy ra ở quy mô lớn với khoảng thời gian dài hàng trăm triệu năm đến cả tỉ năm. Kết quả của tiến hóa nhỏ là hình thành nên các loài mới. Tuy nhiên, tiến hóa nhỏ phần lớn tạo ra các loài có đặc điểm khác biệt không nhiều nên thường vẫn thuộc cùng một chi. Tiến hoá lớn, do sự biến đổi của điều kiện Trái Đất xảy ra ở quy mô lớn và kéo dài nên loài mới có nhiều đặc điểm khác biệt đến mức có thể xếp vào những đơn vị trên loài. Ví dụ: Từ các loài bò sát (khủng long) đã hình thành nên loài chim đầu tiên. Những bằng chứng về tiến hoá lớn sẽ được đề cập rõ hơn khi nghiên cứu về sự phát triển của sinh vật qua các đại địa chất.

II. QUÁ TRÌNH PHÁT SINH SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT

Phần lớn các nhà sinh học tin rằng, sự tiến hóa của sinh giới được chia thành ba giai đoạn: tiến hóa hóa học, tiến hóa tiền sinh học và tiến hóa sinh học.

(Trang 114)

1. Tiến hoá hoá học

Tiến hoá hoá học là quá trình tiến hoá hình thành các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ xảy ra trên Trái Đất cách đây hơn bốn tỉ năm. Có một số giả thuyết khoa học giải thích về quá trình tiến hóa hóa học.

a) Giả thuyết súp tiền sinh học

Vào những năm 1920, Oparin và Haldane đã cùng đề xuất học thuyết cho rằng các hợp chất hữu cơ đơn giản như đường đơn, nucleotide base, các amino acid có thể hình thành một cách tự phát từ các chất vô cơ trên bề mặt trái đất (trong đại dương nước nông) với nguồn năng lượng từ sấm sét, núi lửa phun trào, bức xạ tử ngoại từ Mặt Trời. Học thuyết này đã được các nhà hoá sinh học của Mỹ là Stanley Miller và Harold Urey làm thí nghiệm kiểm chứng vào những năm 1950. Họ đã tạo ra bầu khí quyển nguyên thủy của Trái Đất trong phòng thí nghiệm và nguồn năng lượng điện được dùng mô phỏng hiện tượng sấm sét thời tiền sử (H 22.2). Sau một tuần thí nghiệm, các nhà khoa học đã phát hiện thấy, 15% lượng carbon trong khí methane đã được chuyển thành các hợp chất hữu cơ đơn giản khác như formaldehyde (CH₂O) và hydrogen cyanide (HCN). Các chất này sau đó kết hợp với nhau tạo ra một số phân tử hữu cơ đơn giản như formic acid (HCOOH), urea (NH₂CONH₂) và một số hợp chất hữu cơ phức tạp hơn như amino acid glycine và alanine.

Nước đun sôi; Vòi cấp nước; Cung cấp hỗn hợp khí; Loại bỏ không khí ban đầu; Hơi nước và hỗn hợp khí; Điện cực wolfram; Hỗn hợp khí (H₂O, CH₄, NH₃, H₂); Bình ngưng kết; Nước nóng; Nước lạnh; Giọt ngưng kết; Nước chứa các chất hữu cơ đơn giản

Hình 22.1^(*). Thí nghiệm của Miller kiểm chứng sự hình thành các chất hữu cơ đơn giản trong bầu khí quyển nguyên thủy

b) Giả thuyết hợp chất hữu cơ đến từ vũ trụ

Một số nhà khoa học cũng cho rằng hợp chất hữu cơ đầu tiên trên Trái Đất có thể đến từ vũ trụ bởi các thiên thạch. Một số chất hữu cơ đơn giản đã được tìm thấy trong các thiên thạch rơi xuống Trái Đất ủng hộ cho giải thuyết này. Ví dụ: Hóa thạch có tên là Murchison 4,5 tỉ năm tuổi rơi xuống Australia năm 1969 có chứa hớn 80 amino acid, lipid, đường đơn và uracil.

2. Tiến hoá tiền sinh học

Tiến hoá tiền sinh học là giai đoạn tiến hoá hình thành nên các tế bào sơ khai trên Trái Đất và được cho là đã xuất hiện cách đây 4,2 - 3,8 tỉ năm. Kết quả của quá trình tiến hóa này hình thành nên tế bào nhân sơ đầu tiên trên Trái Đất (H 22.2).

——————————————

^(*) Nguồn hình: Phạm Minh Kiên.

(Trang 115)

Các nhà sinh học cho rằng, khi các phân tử lipid, đặc biệt là phospholipid ở trong nước tạo nên lớp màng bao bọc lấy các phân tử hữu cơ sẽ hình thành nên cấu trúc protobiont hay các siêu giọt (microsphere). Những protobiont nào chứa tập hợp các đại phân tử hữu cơ khiến nó có được khả năng tăng kích thước; khả năng chuyển hoá vật chất và năng lượng; có thể phân đôi (sinh sản) thì sẽ hình thành nên tế bào sơ khai. Bằng chứng ủng hộ giả thuyết này là những thí nghiệm tổng hợp nhân tạo các protobiont có biểu hiện nhiều đặc điểm giống với tế bào và có thể phân chia kiểu phân đôi, thậm chí có thể chuyển hóa vật chất và năng lượng.

3. Tiến hoá sinh học

Tiến hoá sinh học bắt đầu từ khi tế bào được hình thành. Hoá thạch tế bào nhân sơ cổ nhất có tuổi là 3,5 tỉ năm. Các tế bào nhân sơ sau đó đã tiến hoá thành tế bào nhân thực và hoá thạch tế bào nhân thực cổ nhất được phát hiện cách đây 1,8 tỉ năm. Có bằng chứng cho rằng, màng tế bào nhân sơ gấp nếp vào bên trong bao bọc lấy vùng chứa vật chất di truyền tạo nên màng nhân và hệ thống lưới nội chất của tế bào nhân thực (H 22.2). Giả thuyết nội cộng sinh cho rằng, ở các giai đoạn tiến hoá khác nhau, các tế bào nhân thực sơ khai đã thực bào vi khuẩn hiếu khí và vi khuẩn lam hình thành ti thể và lục lạp. Hiện nay, có nhiều bằng chứng sinh học phân tử và tế bào ủng hộ thuyết nội cộng sinh.

Tế bào nhân sơ tổ tiên: Tế bào chất, Màng sinh chất, DNA; Màng nhân; Nhân; Lưới nội chất; Màng gấp nếp vào trong; Vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí; Nội cộng sinh; Vi khuẩn lam; Tế bào nhân thực dị dưỡng: Ti thể, Lục lạp, Túi tiết, Golgi; Tế bào nhân thực quang tự dưỡng

Hình 22.2. Tiến hóa hình thành lưới nội chất và màng nhân do sự gấp nếp của màng tế bào và nội cộng sinh hình thành nên ti thể và lục lạp của tế bào nhân thực^(*)

Các sinh vật nhân thực đơn bào sau đó tiếp tục tiến hoá thành các sinh vật đa bào khác nhau theo quy luật tiến hoá sinh học mà thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại đã đề cập trong bài trước. Các mốc thời gian tiến hóa của toàn bộ sinh giới được đề cập ở phần sau.

——————————————

^(*) Nguồn: Campbell Biology 12e (2021) - Lisa A. Urry et al.

(Trang 116)

III. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SINH VẬT QUA CÁC ĐẠI ĐỊA CHẤT

Sự phát sinh và phát triển của sinh vật gắn liền với những biến đổi địa chất của Trái Đất. Những biến cố lớn về địa chất như sự trôi dạt lục địa, phân chia rồi tái liên kết làm biến đổi mạnh điều kiện sống khiến nhiều loài sinh vật bị diệt vong và sau đó nhiều loài mới tái xuất hiện. Các sự kiện biến đổi địa chất và sự xuất hiện của các loài sinh vật sau đó (Bảng 22.1) là những bằng chứng về quá trình tiến hoá lớn dẫn đến toàn bộ sinh giới như ngày nay.

Bảng 22.1. Tóm tắt các đại địa chất cùng các mốc xuất hiện và phát triển của các loài sinh vật trên Trái Đất.

(Trang 117)

IV. SƠ ĐỒ CÂY SỰ SỐNG

Sơ đồ cây sự sống là một sơ đồ hình cây phân nhánh thể hiện sự phát sinh của các loài trong quá trình tiến hoá. Từ một gốc chung toả ra các cành, trên các cành lại có các nhánh. Sơ đồ cây sự sống hay sơ đồ phát sinh chủng loại chỉ mang tính giả thuyết và có thể thay đổi theo thời gian khi các nhà khoa học tìm kiếm thêm được các bằng chứng mới.

Dựa vào các bằng chứng tiến hoá, đặc biệt là các bằng chứng phân tử, phần lớn các nhà sinh học hiện nay đều cho rằng toàn bộ sinh giới ngày nay được tiến hoá từ một tổ tiên chung qua quá trình phát sinh chủng loại. Dựa trên các bằng chứng phân tử (sự giống nhau về rRNA của các sinh vật), các nhà khoa học đã chia thế giới sống hiện nay thành ba nhóm lớn gọi là các lãnh giới hay miền (domain) và cả ba đều được tiến hóa từ tổ tiên chung. Tuy vậy, do quá trình tiến hóa diễn ra qua nhiều giai đoạn, giữa các sinh vật thuộc các nhánh tiến hóa khác nhau đã có sự truyền gene từ loài này sang loài khác (qua biến nạp, tải nạp, tiếp hợp và thực bào), nên việc xác định tổ tiên chung của tất cả các loài trên Trái Đất là không thể thực hiện được. Hình 22.3 dưới đây là một sơ đồ cây sự sống gồm ba lãnh giới bắt nguồn từ nhiều quần thể các tế bào tổ tiên.

Lãnh giới Sinh vật nhân thực: Thực vật trên cạn, Động vật, Nấm,...; Lãnh giới Vi khuẩn; Lãnh giới Archaea; Điểm phân nhánh thể hiện tổ tiên chung của toàn bộ sự sống 

Hình 22.3. Sơ đồ cây sự sống: Lãnh giới Sinh vật nhân thực, Archaea và lãnh giới Vi khuẩn cùng được phát sinh từ quần thể các tế bào tổ tiên và đã có sự truyền gene qua lại giữa các lãnh giới^(*)

Sự phát sinh chủng loại là kết quả của quá trình tiến hoá nhỏ và tiến hoá lớn. Tiến hoá nhỏ làm thay đổi tần số allele và tần số kiểu gene của quần thể, đến một mức độ nào đó nếu xuất hiện sự cách li sinh sản giữa các quần thể thì loài mới xuất hiện. Những biến đổi địa chất lớn xảy ra qua hàng triệu, hàng tỉ năm trong tiến hoá lớn dẫn đến các sinh vật bị huỷ diệt hàng loạt sau đó lại phát sinh và phát triển thành nhiều loài mới với các đặc điểm khác biệt đến mức các nhà sinh học xếp chúng vào những đơn vị phân loại trên loài.

——————————————

^(*) Nguồn: Campbell Biology 12e (2021) - Lisa A. Urry et al.

(Trang 118)

V. QUÁ TRÌNH PHÁT SINH LOÀI NGƯỜI

Quá trình phát sinh loài người có thể chia thành ba giai đoạn với các đặc điểm riêng.

Giai đoạn người vượn Ardipithecus: Loài Ardipithecus ramidus được phát hiện năm 1994 ở Ethiopia có tuổi hoá thạch cách đây khoảng 4,4, triệu năm và là loài được cho là loài tổ tiên cổ nhất trong nhánh tiến hoá người. Ardipithecus ramidus là loài ăn tạp, có dáng đi thẳng những cũng leo trèo giỏi và có ngón cái linh hoạt có thể cầm nắm đồ vật.

Giai đoạn người vượn Australopithecus: Từ Ardipithecus hình thành nên chi Australopithecus (người vượn phương nam) với 4 – 5 loài người vượn nhỏ, có dáng đi thẳng, sống cách đây 4 – 2,5 triệu năm. Trong số các loài hóa thạch này có loài Australopithecus atarensis được phát hiện ở châu Phi với tên gọi "Lucy".

Giai đoạn chi Homo: Từ Australopithecus hình thành nên chi Homo. Chi Homo gồm nhiều loài có kích thước cơ thể và não lớn hơn so với những loài thuộc chi Australopithecus và đã biết sử dụng công cụ bằng đá. Tất cả những loài thuộc chi Homo đều được gọi là loài

(Trang 119)

người và sống cách đây từ 2,5 triệu năm đến 500 000 năm. Những loài Homo tiến hóa sau có răng nhỏ, hộp sọ lớn, hàm nhẹ và ít nhô ra phía trước. Nhánh tiến hóa Neanderthals/Denisova và nhánh hình thành nên loài người hiện đại Homo sapiens tách nhau ra từ tổ tiên chung cách đây 550 000 – 760 000 năm. Tất cả các loài trong nhánh tiến hóa của loài người đều đã tuyệt chủng, chỉ còn tồn tại duy nhất người hiện đại Homo sapiens (H 22.4).

Ardipithecus ramidus, Australopithecus afarensis, Homo Habilis, Homo erectus, Homo neanderthalensis, Homo denisova, Homo sapiens

Hình 22.4. Sơ đồ cây phát sinh chủng loại loài người^(*) (Cột số bên phải thể hiện thời gian tiến hóa (từ 6 triệu năm trở lại đến hiệ tại)

——————————————

^(*) Nguồn: Biology concepts and investigations 3^rd (2014), Marielle Hoefnagels.

(Trang 120)

(Trang 121)

SƠ ĐỒ TÓM TẮT KIẾN THỨC CHƯƠNG 5

Tiến hoá

- làm cơ sở nghiên cứu:

  + Học thuyết tiến hóa của Darwin;

  + Di truyền học hiện đại;

  + Bằng chứng tiến hoá gồm: Bằng chứng hoá thạch; Bằng chứng giải phẫu; Bằng chứng tế bào, phân tử

- hình thành sinh giới:

  + Tiến hoá hóa học → Hình thành chất hữu cơ từ chất vô cơ; Hợp chất hữu cơ đến từ vũ trụ

  + Tiến hoá tiền sinh học → Hình thành tế bào sơ khai

  + Tiến hoá sinh học → Sinh vật đơn bào → Sinh vật đa bào → Các giới tính vật → Phát sinh loài người

- Tiến hoá lớn: Biến đổi địa chất; Hình thành các đơn vị phân loại trên loài

- tập trung chủ yếu vào - Tiến hoá nhỏ - chịu ảnh hưởng bởi - Các nhân tố tiến hoá gồm: Chọn lọc tự nhiên; Đột biến; Di - nhập gene; Giao phối không ngẫu nhiên; Phiêu bạt di truyền. Các nhân tố tiến hoá - làm → Phân hoá vốn gene của các quần thể - dẫn đến cách li sinh sản → Hình thành loài mới: Cùng khu vực địa lí; Khác khu vực địa lí