Loài mới hình thành khi một quần thể hoặc nhóm quần thể tích luỹ đủ khác biệt di truyền để không còn giao phối được, hoặc không sinh con hữu thụ được, với quần thể gốc. Mấu chốt là cách li sinh sản: khi dòng gen giữa hai nhóm bị chặn hẳn, mỗi nhóm đi theo con đường tiến hoá riêng.
Sách Sinh học 12 trình bày ba con đường chính: hình thành loài khác khu vực địa lí, hình thành loài cùng khu vực bằng cách li tập tính hoặc cách li sinh thái, và hình thành loài bằng lai xa kèm đa bội hoá. Bài này giải thích khái niệm loài sinh học, các loại cơ chế cách li, từng con đường với ví dụ đã được nghiên cứu, và cách luyện dạng câu hỏi tình huống với AI.
Loài là gì theo quan niệm sinh học
Định nghĩa loài được dùng phổ biến trong chương trình phổ thông là loài sinh học, gắn với tên Ernst Mayr: loài là một hoặc một nhóm quần thể gồm các cá thể có khả năng giao phối với nhau trong tự nhiên và sinh ra con có sức sống, có khả năng sinh sản, đồng thời cách li sinh sản với các nhóm quần thể khác. Điểm cốt lõi là khả năng trao đổi gen, không phải hình dáng bên ngoài.
Vì thế, hai sinh vật trông rất khác nhau có thể cùng loài, như các giống chó từ chó nhỏ cảnh đến chó chăn cừu cỡ lớn; ngược lại hai sinh vật trông gần như giống hệt có thể là hai loài, như một số loài muỗi hay ếch chỉ phân biệt được qua tiếng kêu, mùa sinh sản hoặc dữ liệu di truyền. Những cặp loài như vậy gọi là loài đồng hình.
Định nghĩa loài sinh học có giới hạn. Nó không áp dụng được cho sinh vật sinh sản vô tính như nhiều vi khuẩn, cho các loài chỉ biết qua hoá thạch, và gặp khó với những nhóm thực vật hay lai với nhau. Trong thực tế, các nhà phân loại dùng nhiều tiêu chuẩn kết hợp: hình thái, sinh lí – hoá sinh, sinh thái – địa lí và di truyền. Khi làm bài, bạn chỉ cần biết tiêu chuẩn cách li sinh sản là tiêu chuẩn quan trọng nhất với loài giao phối.
Các cơ chế cách li sinh sản
Cách li sinh sản là mọi trở ngại ngăn hai nhóm sinh vật tạo ra con lai hữu thụ. Chương trình chia làm hai nhóm theo thời điểm so với sự hình thành hợp tử.
| Nhóm | Kiểu cách li | Diễn ra thế nào | Ví dụ minh hoạ |
|---|---|---|---|
| Trước hợp tử | Cách li nơi ở (sinh cảnh) | Sống cùng vùng nhưng ở sinh cảnh khác nhau nên ít gặp nhau | Một nhóm sống trên tán cây, nhóm kia dưới tầng đất |
| Trước hợp tử | Cách li tập tính | Khác tiếng kêu, điệu múa, màu sắc tán tỉnh nên không nhận ra nhau | Các loài đom đóm có kiểu nháy sáng khác nhau |
| Trước hợp tử | Cách li thời gian (mùa vụ) | Mùa sinh sản hoặc thời điểm ra hoa khác nhau | Hai loài cây gần nhau nhưng ra hoa lệch tháng |
| Trước hợp tử | Cách li cơ học | Cấu tạo cơ quan sinh sản không tương hợp | Hoa có cấu tạo chỉ hợp với một loài côn trùng thụ phấn |
| Sau hợp tử | Con lai không sống hoặc bất thụ | Hợp tử có hình thành nhưng chết sớm, hoặc con lai sống mà không sinh sản được | Ngựa cái lai lừa đực sinh ra con la, thường bất thụ |
Câu trắc nghiệm hay hỏi "cách li trước hợp tử thực chất là gì": đó là ngăn cản sự thụ tinh tạo hợp tử. Cách li sau hợp tử là ngăn cản việc tạo ra con lai hữu thụ. Cả hai đều chặn dòng gen; trong tự nhiên, các cơ chế trước hợp tử thường đỡ "lãng phí" hơn cho sinh vật nên hay được chọn lọc củng cố.
Con đường thứ nhất: hình thành loài khác khu vực địa lí
Đây là con đường phổ biến ở động vật. Một quần thể bị chia cắt bởi trở ngại địa lí như sông lớn hình thành, núi nâng lên, biển ngập vùng thấp, hoặc một nhóm cá thể phát tán sang đảo xa. Dòng gen giữa hai phần bị cắt đứt. Mỗi phần chịu điều kiện môi trường riêng nên chọn lọc tự nhiên tác động theo hướng riêng; cộng thêm đột biến và yếu tố ngẫu nhiên khác nhau, vốn gen của hai quần thể ngày càng khác biệt.
Cần nhớ một điểm hay bị hiểu sai: cách li địa lí không trực tiếp tạo ra loài mới, nó chỉ là điều kiện duy trì sự khác biệt bằng cách ngăn dòng gen. Loài mới chỉ thật sự xuất hiện khi khác biệt đủ lớn để dẫn tới cách li sinh sản. Nếu trở ngại biến mất trước khi điều đó xảy ra, hai quần thể có thể hoà lại làm một.
Trong giai đoạn trung gian, các nhà phân loại thường gọi những quần thể đã khác biệt rõ nhưng còn lai được với nhau là các nòi địa lí hay phân loài. Đây là lý do một số loài có tên ba chữ trong danh pháp khoa học: chữ thứ ba chỉ phân loài. Khi đọc tài liệu, bạn sẽ thấy ranh giới giữa phân loài và loài đôi khi được các nhà khoa học tranh luận và sửa lại khi có thêm dữ liệu di truyền.
Con đường này thường diễn ra chậm, qua rất nhiều thế hệ, và hay gặp ở loài có khả năng phát tán mạnh. Các quần đảo là "phòng thí nghiệm tự nhiên" điển hình: mỗi đảo một quần thể sáng lập nhỏ, điều kiện khác nhau, và qua thời gian dài, nhiều loài đặc hữu xuất hiện, như chim sẻ ở Galápagos.
Con đường thứ hai: cùng khu vực, bằng cách li tập tính hoặc sinh thái
Hình thành loài vẫn có thể xảy ra khi các quần thể sống trong cùng một vùng. Trong cách li tập tính, các cá thể có một đột biến làm thay đổi tập tính giao phối, như màu sắc hay điệu bộ tán tỉnh, có xu hướng chỉ giao phối với nhau; dần dần chúng tạo thành một quần thể cách li sinh sản. Ở các hồ lớn châu Phi, nhiều loài cá họ hàng thuộc họ Cichlidae, cùng họ với cá rô phi, sống chung một hồ nhưng không giao phối với nhau vì con cái chọn bạn tình theo màu sắc; các nghiên cứu cho thấy khi nước bị đục làm khó nhận màu, ranh giới giữa vài loài bị mờ đi.
Trong cách li sinh thái, hai nhóm cùng vùng nhưng khai thác nguồn sống hay sinh cảnh khác nhau. Ví dụ được nghiên cứu kỹ là loài ruồi đục quả táo gai ở Bắc Mỹ: một phần quần thể chuyển sang đẻ trứng trên cây táo trồng do con người đưa tới. Vì ruồi giao phối ngay trên cây chủ và hai loại cây ra quả vào thời điểm khác nhau, dòng gen giữa hai nhóm đã giảm đi rõ rệt. Các nhà khoa học xem đây là một trường hợp đang trên đường hình thành loài, chưa phải hai loài tách biệt hoàn toàn.
Ví dụ này cho thấy hình thành loài là quá trình, không phải sự kiện xảy ra trong một ngày. Có những cặp quần thể đứng ở giữa đường, vẫn còn lai được một chút nhưng đã khác biệt rõ.
Con đường thứ ba: lai xa và đa bội hoá
Vì sao con lai xa thường bất thụ. Khi lai hai loài khác nhau, con lai mang hai bộ nhiễm sắc thể đơn bội của hai loài. Các nhiễm sắc thể này không có cặp tương đồng để tiếp hợp trong giảm phân, nên giao tử tạo ra bị mất cân bằng, con lai không sinh sản được dù có thể sống khoẻ.
Đa bội hoá khôi phục khả năng sinh sản. Nếu bộ nhiễm sắc thể của con lai được nhân đôi, mỗi nhiễm sắc thể lại có bạn tương đồng của chính nó, giảm phân diễn ra bình thường. Cơ thể mới gọi là thể song nhị bội, mang bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của cả hai loài bố mẹ.
Ví dụ kinh điển của Karpechenko. Năm 1928, nhà di truyền học Georgii Karpechenko lai cải củ với cải bắp, cả hai đều có 2n = 18. Con lai có 18 nhiễm sắc thể nhưng bất thụ; một số cây tình cờ bị nhân đôi bộ nhiễm sắc thể thành 36 và trở nên hữu thụ. Cây mới không lai được với hai loài bố mẹ, thoả tiêu chuẩn của một loài mới.
Con đường nhanh và phổ biến ở thực vật. Loài mới có thể xuất hiện chỉ sau một vài thế hệ. Nhiều cây trồng quan trọng có nguồn gốc đa bội, như lúa mì làm bánh mì là thể lục bội hình thành qua các lần lai giữa ba loài cỏ hoang dã khác nhau. Ở động vật con đường này hiếm vì đa bội hoá thường gây rối loạn xác định giới tính và phát triển.
Luyện câu hỏi tình huống về hình thành loài với AI
Dạng bài vận dụng thường cho một tình huống rồi hỏi con đường hình thành loài nào. AI có thể tạo nhiều tình huống mới để bạn luyện, miễn là bạn tự trả lời trước.
- Câu lệnh: "Viết 6 tình huống giả định ngắn về quần thể động vật hoặc thực vật bắt đầu tách thành loài mới. Mỗi tình huống thuộc một con đường hoặc một kiểu cách li. Chưa nói đáp án."
- Với mỗi tình huống, tự xác định con đường hình thành loài và kiểu cách li sinh sản đang tác động, viết một câu lý do.
- Gửi đáp án và yêu cầu: "Chỉ ra câu nào mình nhầm giữa cách li địa lí và cách li sinh thái, giải thích bằng việc hai nhóm có gặp nhau được không."
- Hỏi thêm: "Trong tình huống số 3, nếu trở ngại địa lí biến mất sau 100 thế hệ thì chuyện gì có thể xảy ra?" để luyện tư duy quá trình.
- Kiểm lại mọi ví dụ "có thật" mà AI nêu bằng sách giáo khoa hoặc tài liệu tin cậy, vì AI có thể gán nhầm tên loài hay địa điểm.
Tình huống giả định hợp hơn ví dụ thật khi luyện tập, vì bạn không bị phân tâm bởi việc nhớ tên loài, và cũng tránh được chuyện AI gán sai thông tin về sinh vật có thật.
Câu hỏi thường gặp
Con la có phải là một loài không?
Không. Con la là con lai giữa ngựa cái và lừa đực, hầu như luôn bất thụ nên không tạo được quần thể tự duy trì qua các thế hệ. Sự tồn tại của con la lại là ví dụ cho cách li sau hợp tử giữa hai loài ngựa và lừa.
Cách li địa lí có phải lúc nào cũng dẫn tới loài mới không?
Không. Cách li địa lí chỉ tạo điều kiện để các quần thể tích luỹ khác biệt. Nếu thời gian cách li ngắn, áp lực môi trường hai bên giống nhau, hoặc trở ngại biến mất sớm, các quần thể có thể vẫn cùng một loài và hoà lại khi gặp nhau.
Hình thành loài mới mất bao lâu?
Rất khác nhau. Con đường lai xa và đa bội hoá ở thực vật có thể cho loài mới sau vài thế hệ. Con đường cách li địa lí ở động vật thường cần thời gian rất dài, từ hàng nghìn đến hàng triệu năm, tuỳ tốc độ sinh sản và cường độ chọn lọc.
Thể song nhị bội khác thể tứ bội thường ở điểm nào?
Thể tứ bội thông thường có bốn bộ nhiễm sắc thể của cùng một loài, gọi là tự đa bội. Thể song nhị bội có hai bộ lưỡng bội của hai loài khác nhau, gọi là dị đa bội, hình thành từ lai xa rồi đa bội hoá. Thể song nhị bội là con đường tạo loài mới điển hình ở thực vật.
Con người có tạo ra được loài mới không?
Trong phòng thí nghiệm và chọn giống thực vật, con người đã tạo ra các dạng song nhị bội hữu thụ, như thí nghiệm của Karpechenko và nhiều cây lai nhân tạo. Các giống vật nuôi cây trồng thông thường như giống chó hay giống lúa thì vẫn thuộc cùng loài với tổ tiên hoang dã vì còn lai được với nhau.
Vì sao ở động vật hiếm gặp hình thành loài bằng đa bội hoá?
Ở nhiều động vật, giới tính được xác định bằng cơ chế nhiễm sắc thể giới tính, và đa bội hoá làm rối loạn cơ chế này. Động vật cũng nhạy cảm hơn với mất cân bằng liều gen. Một số loài lưỡng cư và cá có dạng đa bội, nhưng nhìn chung con đường này phổ biến ở thực vật hơn nhiều.