Lý thuyết Sinh học 12 Bài 19: Các bằng chứng tiến hoá

- Khái niệm: Hóa thạch là tàn tích của các sinh vật cổ đại được bảo tồn trong các lớp đất đá, hổ phách hoặc các lớp băng tuyết.

- Ví dụ về một số dạng hoá thạch: xác sinh vật đã bị tuyệt chủng tồn tại trong các lớp băng, xác sinh vật đã bị tuyệt chủng trong lớp dung nham núi lửa, bộ xương hóa thạch, dấu chân hóa thạch,…

Hóa thạch bọ ba thùy (Trilobita) tồn tại trên đá	Hóa thạch lá dương xỉ
Hóa thạch côn trùng tồn tại trong hổ phách	Gỗ hóa thạch

- Phương thức hình thành:  Hóa thạch được hình thành theo nhiều phương thức khác nhau.

+ Hóa đá: Xác sinh vật bị các lớp trầm tích bao bọc, chất hữu cơ phân hủy được thay thế bởi calcium cùng các khoáng chất khác nhưng vẫn giữ được hình dạng, đặc điểm cấu trúc hình thái của sinh vật.

+ Hổ phách: Nhựa cây tiết ra ra tạo thành hổ phách bao phủ sinh vật.

+ Dung nham núi lửa bao phủ phần xác sinh vật và quá trình trầm tích hóa.

+ Xác sinh vật được bao phủ băng tuyết quanh năm.

- Phương pháp xác định tuổi của hoá thạch: Tuổi của hóa thạch có thể được xác định nhờ phân tích các đồng vị phóng xạ có trong hóa thạch hoặc trong đá bao quanh hóa thạch. Một số loại đồng vị phóng xạ hay được sử dụng để tính tuổi của hóa thạch là potassium-40 (thời gian bán rã 1,3 tỉ năm), uranium-235 (thời gian bán rã 1704 triệu năm), carbon-14 (thời gian bán rã 5730 năm).

Phương pháp định tuổi hoá thạch bằng carbon-14

- Ý nghĩa của hoá thạch:

+ Cung cấp những bằng chứng trực tiếp về lịch sử phát triển của sinh giới, cho thấy lịch sử phát sinh, phát triển và diệt vong của sinh vật:

Hoá thạch là bằng chứng xác định được loài sinh vật từng sống ở những địa điểm và thời gian cụ thể nhờ xác định niên đại của những hoá thạch thu thập được. Ví dụ: Hoá thạch vi khuẩn cổ chứng minh sinh vật xuất hiện đầu tiên có niên đại khoảng 3,8 tỉ năm trước đây.

Hoá thạch cho phép so sánh đặc điểm hình thái giữa các dạng sinh vật tổ tiên với các dạng sinh vật đang tồn tại để phán đoán tổ tiên chung và chiều hướng tiến hoá của các loài. Ví dụ: Hoá thạch chim đầu tiên (Archaeopteryx) được tiến hoá từ bò sát vẫn còn răng của loài khủng long ăn thịt, sống cách đây khoảng 165 triệu năm với đuôi có các đốt sống. Bằng chứng hoá thạch cũng cho thấy cá voi và cá heo đã được tiến hoá từ loài tổ tiên là một loài động vật móng guốc sống trên cạn. Hoá thạch của tế bào nhân thực có thành tế bào giống với tảo hiện nay đã được phát hiện có tuổi cách đây khoảng 1,8 tỉ năm.

Hoá thạch cây (a) và hoá thạch chim đầu tiên (Archaeopteryx) (b)

Hoá thạch cho phép tìm hiểu nguyên nhân tồn tại và biến mất của những loài sinh vật trước đây và trong hiện tại. Ví dụ: Hoá thạch cho phép xác định sự thay đổi khí hậu thời kì băng hà là nguyên nhân chính dẫn đến sự tuyệt chủng của các loài khủng long.

Kỉ băng hà với sự tuyệt chủng của khủng long

+ Là dẫn liệu quý để nghiên cứu lịch sử vỏ Trái Đất: Từ các sinh vật hóa thạch đã xác định tuổi có thể suy ra tuổi của lớp đất đá.

Từ tuổi của hoá thạch dự đoán tuổi của lớp đất đá

1. Cấu trúc/cơ quan tương đồng

- Những đặc điểm giống nhau giữa các loài sinh vật do cùng thừa hưởng các gene từ tổ tiên chung được gọi là các cấu trúc tương đồng (hay cơ quan tương đồng).

→ Cấu trúc tương đồng phản ánh sự mối quan hệ tiến hóa về nguồn gốc chung giữa các nhóm sinh vật (phản ánh sự tiến hóa phân li).

- Ví dụ:

+ Tuyến nọc độc của rắn và tuyến nước bọt của động vật khác.

+ Lá đậu hà lan và gai cây xương rồng.

+ Chim và các loài động vật có vú như người, mèo, cá voi, ngựa, dơi đều có bốn chi với trình tự sắp xếp các bộ phận của xương chi giống nhau mặc dù đã có những biến đổi thích nghi với các chức năng khác nhau.

Sự tương đồng về trình tự sắp xếp các loại xương ở chi trước của người, mèo, cá voi, ngựa, dơi và chim chứng tỏ các loài này đều được tiến hoá từ tổ tiên chung

+ Hươu cao cổ có cổ dài hơn nhiều so với cổ của con người và nhiều loài thú khác, nhưng nó cũng chỉ có 7 đốt sống cổ như tất cả các loài thú khác. Điều đó cho thấy, các loài thú tiến hoá từ tổ tiên chung chỉ có 7 đốt sống cổ.

Bộ xương của hươu cao cổ

2. Cấu trúc/cơ quan thoái hoá

- Một số cấu trúc/cơ quan ở sinh vật không có chức năng rõ ràng nhưng rất giống với cấu trúc vốn có chức năng nhất định ở loài tổ tiên được gọi là cấu trúc/cơ quan thoái hoá.

- Cấu trúc thoái hóa cũng là cấu trúc tương đồng vì được bắt nguồn từ một cơ quan ở một loài tổ tiên nhưng không còn chức năng hoặc chức năng bị tiêu giảm, chỉ để lại vết tích.

- Ví dụ:

+ Ở người, ruột thừa, lông trên bề mặt cơ thể được xem là những cấu trúc thoái hoá.

Một số cơ quan thoái hoá ở người

+ Cá voi có cấu trúc xương thoái hoá, là dấu vết của xương chi sau ở tổ tiên bốn chân sống trên cạn.

Dấu tích chi sau của cá voi

- Trường hợp các cấu trúc thoái hóa phát triển mạnh và biểu hiện ở một cá thể nào đó gọi là hiện tượng lại tổ ví dụ như trường hợp người có nhiều lông ở mặt,…

Một số hiện tượng lại tổ ở người

2. Cấu trúc/cơ quan tương tự

- Đặc điểm giống nhau giữa các loài nhưng không phải là do được thừa hưởng những gene từ tổ tiên chung mà là do tác động của môi trường sống được gọi là cấu trúc tương tự.

→ Cấu trúc tương tự phản ánh chiều hướng tiến hoá hội tụ, chỉ có giá trị giải thích sự hình thành đặc điểm thích nghi.

- Ví dụ: Cánh sâu bọ và cánh dơi; mang cá và mang tôm; chân chuột chũi và chân dế chũi; gai cây hoàng liên là biến dạng của lá và gai cây hoa hồng là do sự phát triển của biểu bì thân;…

Cánh côn trùng và cánh dơi là các cơ quan tương tự

1. Bằng chứng tế bào học

- Có rất nhiều bằng chứng ở cấp độ tế bào cho thấy mọi sinh vật trên Trái Đất đều có chung tổ tiên. Ví dụ: Tất cả các sinh vật đều được cấu tạo từ một hoặc nhiều tế bào và các tế bào đều có những đặc điểm cấu trúc giống nhau như màng tế bào, vùng nhân/nhân, tế bào chất. Các hoạt động chuyển hoá vật chất và năng lượng ở các tế bào cơ bản là giống nhau.

→ Học thuyết tế bào cho thấy nguồn gốc thống nhất của sinh giới, nghĩa là mọi sinh vật đều có cùng nguồn gốc.

2. Bằng chứng phân tử

- Bằng chứng sinh học phân tử phản ánh nguồn gốc chung của sinh giới:

+ Các tế bào của mọi sinh vật đều có các thành phần phân tử hoá học cơ bản như nhau.

+ Vật chất di truyền của các tế bào đều là DNA.

+ Mã di truyền về cơ bản được dùng chung cho các loài.

+ Protein ở hầu hết các loài đều được cấu tạo từ 20 loại amino acid.

 - Bằng chứng phân tử giúp làm sáng tỏ mối quan hệ tiến hóa giữa các loài sinh vật:

+ Sự giống và khác nhau nhiều hay ít về thành phần, số lượng và đặc biệt là trình tự sắp xếp của các nucleotide, amino acid phản ánh mức độ quan hệ họ hàng giữa các loài. Các loài có họ hàng càng gần gũi thì trình tự nucleotide của các gene và trình tự amino acid trong phân tử protein của chúng càng giống nhau.

Ví dụ:

Bằng chứng phân tử về mối quan hệ họ hàng giữa các loài: Sự khác biệt về số lượng amino acid trong cytochrome C ở một số loài sinh vật so với người.

Cytochrome C của người và tinh tinh không có sự khác biệt về số lượng amino acid chứng tỏ người và tinh tinh có họ hàng gần nhất. Hai loài mới được tách nhau ra từ tổ tiên chung, thời gian tiến hoá còn chưa đủ lớn để đột biến gene tạo nên sự khác biệt.

Một số loài cá ở Nam Cực được gọi là cá băng, là những loài thuộc họ Channichthyidae, bộ Perciformes có thân trong suốt như pha lê do không có hemoglobin. Tuy nhiên, trong hệ gene của chúng vẫn có gene quy định hemoglobin bị đột biến mất chức năng. Điều đó chứng tỏ các loài cá băng đã tiến hoá từ loài cá có hemoglobin.

- Bằng chứng phân tử có thể giúp truy tìm nguồn gốc xuất xứ của các chủng trong cùng một loài. Ví dụ: So sánh trình tự nucleotide của DNA ti thể ở các chủng tộc khác nhau của loài người đã cho thấy, loài người được sinh ra từ châu Phi rồi di cư đến các châu lục khác.

Nguồn gốc loài người

→ Bằng chứng sinh học phân tử là bằng chứng chính xác nhất để xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài sinh vật vì dựa trên sự khác biệt về phân tử DNA, RNA hay protein (số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp).

Hệ thống hoá 3 bằng chứng giải phẫu so sánh then chốt trong tiến hóa: