Tiến hóa trong quần thể

Tiến hoá sinh học, còn gọi tiến hoá hữu cơ là sự tiến hoá xảy ra trên cơ sở các quá trình tự nhân đôi, tự đổi mới của các đại phân tử sinh học, sự sinh sản của các cơ thể sống, sự biến đ

Ti n hóa sinh h c ế ọ

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Tiến hóa trong quần thể

Ti n hóa & Đa d ng sinh h c ế ạ ọ

Ch đ :ủ ề

Ti n hóa sinh h c ế ọ

Ti n hóa ế

Tiến hoá (Evolution) là sự biến đổi có kế thừa trong thời gian dẫn tới sự hoàn thiện trạng thái ban đầu và sự

nảy sinh cái mới

Tiến hoá của các nguyên tử là tiến hoá vật lý học,

Tiến hóa của các phân tử là tiến hoá hoá học,

Tiến hóa của các tổ chức sống là tiến hoá sinh học,

Sự biến đổi tiến bộ của các PTSX là tiến hoá xã hội

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Tiến hoá sinh học, còn gọi tiến hoá hữu cơ là sự tiến hoá xảy ra trên cơ sở các quá trình tự nhân đôi, tự đổi mới

của các đại phân tử sinh học, sự sinh sản của các cơ thể sống, sự biến đổi thành phần kiểu gen của quần thể, dẫn tới sự biến đổi các loài sinh vật

Quần thể

“Quần thể là một cộng đồng cá thể cùng loài, trải qua một thời gian tiến hoá lâu dài đã cùng chung sống trong

một khu vực xác định tạo thành một đơn vị sinh sản nhỏ nhất của loài, có hệ thống di truyền độc lập, có ổ sinh

thái riêng (A.V Iablokov, 1986).”

Xét trong tiến hóa quần thể phải là:

Phân loại quần thể

Vi quần thể: Quần thể có mức độ họ hàng gần sống trong khu vực hẹp, cùng hệ sinh thái, tồn tại hàng

chục năm

Vd: Một đàn ong, một bầy ngựa, một đàn gà…

Phân loại quần thể

Quần thể sinh thái: Một nhóm cá thể cùng loài chỉ liên quan (tập hợp với nhau) theo nhịp sống

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Một đàn chim di cư Một bầy côn trùng thời kỳ sinh sản

Phân loại quần thể

Quần thể địa phương: Một nhóm cá thể của loài sống trong khu vực nhất định ổn định qua hàng loạt

thế hệ, không đổi tần số alen và tần số kiểu gen

Đơn vị tiến hóa cơ sở

Đ n v ti n hóa c s ơ ị ế ơ ở

Biến đổi có cơ cấu truyền qua các thế hệ

Theo N.V Timôphêep Rixôpxki (1977) đơn vị tiến hoá cơ sở phải thoả mãn 3 điều kiện là:

Có tính vẹn trong không gian và thời gian

Tồn tại trong tự nhiên

Cá th là đ n v ti n hóa ? ể ơ ị ế

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Biến dị cá thể Cá thể thích nghi nhấtTiến hóa

Theo quan điểm Darwin

hóa

Cá th là đ n v ti n hóa? ể ơ ị ế

Không có biến dị di truyền

Không trao đổi thông tin di truyền

Không được nhân lên trong quần thể

Cá thể

Một kiểu gen

Cá thể không tiến hóa

Tồn tại một thế hệ

Khu vực phân bố

Số lượng cá thể

Tính đa hình của quần thể giao phối

Tần số gen

Quần thể là: + Một tổ chức tồn tại khách quan

+ Cấu trúc tiến hóa độc lập+ Đơn vị sinh sản của loài + Tính thống nhất toàn vẹn

Tuy đa hình về kiểu gen và kiểu hình nhưng vẫn đảm bảo tính toàn vẹn về mặt di truyền, tuy cách ly tương đối với quần thể khác trong loài nhưng vẫn có khả năng trao đổi thông tin di truyền

Quần thể là đơn vị tiến hóa cơ sở.

Điều kiện để quần thể là một đơn vị cơ bản của tiến hóa:

+ Có số lượng cá thể đủ lớn để bảo toàn chúng trong điều kiện môi trường có nghĩa là vững bền qua thời gian

+ Có mật độ tương đối đủ để giữ được tính thống nhất của vốn gen

+ Có sự biệt lập mức độ rõ ràng khiến các cá thể trong đó có quan hệ gần gũi nhau hơn so với các quần thể láng giềng của cùng loài

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Loài không phải là đơn vị tiến hoá vì loài là hệ thống di truyền kín  hạn chế khả năng cải biến thành phần kiểu gen

Loài phân bố quá rộng

Trong quá trình tiến hóa, loài sẽ phân hóa thành nhiều thế hệ con cháu trong cùng loài , nhưng mỗi một quần thể của loài dần dần có được tính trạng mới ( để tiến hóa ) thì không thể xem loài là đơn vị của tiến hóa

Không có sự biệt lập giữa các quần thể  không có tính chất đặc thù vốn có của gen trong quần thể và chỉ

có tính đặc thù này mới quy định khả năng tiến hóa một cách độc lập

Trạng thái cân bằng di truyền trong quần thể giao phối

Năm 1908, nhà toán học người Anh Godfrey H.Hardy và bác sĩ người Đức Wilhelm Weinberg đã độc lập chứng minh rằng có tồn tại một mối quan hệ đơn giản giữa các tần số allen và các tần số kiểu gene mà ngày nay ta gọi là định luật hay nguyên lý Hardy-Weinberg

“Trong một quần thể có số lượng lớn, giao phối tự do và ngẫu nhiên ở vào thế cân bằng, không

có chọn lọc và cũng không có đột biến thì tần số tương đối của các alen ở mỗi gen có khuynh hướng duy trì không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác.”

( p + q )^2 = p^2 + 2pq + q^2 = 1

Tần số của gen A là p, tần số của gen a là q (p + q = 1)

Định luật Hardy – Weinberg được biểu diễn bằng phân phối nhị thức:

Tr ng thái cân b ng di truy n ạ ằ ề

Kiểu hình

Tần số alen 0.36 + 0.24 = 0.6B 0.24 + 0.16 = 0.4b

Tr ng thái cân b ng di truy n ạ ằ ề

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

p=0,6

q=0,4

p=0,6

q=0,4 A

a

Điều kiện để quần thể cân bằng:

+ Quần thể phải có kích thước lớn, số lượng cá thể nhiều

+ Các cá thể trong quần thể phải giao phối với nhau một cách ngẫu nhiên

+ Các cá thể có kiểu gen khác nhau phải có sức sống và khả năng sinh sản giống nhau

+ Đột biến không xảy ra, nếu xảy ra thì tần số đột biến thuận phải bằng tần số đột biến nghịch.+ Quần thể này phải được cách ly với các quần thể khác

+ Không có áp lực của quá trình đột biến, chọn lọc tự nhiên hoặc các nhân tố khác

+ Giao tử hình thành qua giảm phân với tỷ lệ ngang nhau và khả năng thụ tinh ngang nhau

Các nhân tố tiến hóa cơ bản và vai trò của nó

Đột biến là những biến đổi trong gen tạo ra các alen mới

• Đột biến gen là nguồn biến dị di truyền cơ bản cho tiến hóa

• Đột biến gen có tần số thấp (10^-4 – 10^-6) nhưng số gen là rất lớn  Tổng số đột biến khá cao

• Đột biến là vô hướng và có thể là thuận nghịch, tuy nhiên tần số các alen phụ thuộc vào áp lực đột biến

• Sự lan truyền của đột biến gen phụ thuộc vào khả năng sống, khả năng sinh sản của thể đột biến

Phần lớn đột biến gen là có hại nhưng vẫn có vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa vì:

+ Đột biến gen làm thay đổi tần số alen

+ Tạo nguồn nguyên liệu sơ cấp cho quá trình tiến hoá

+ Giá trị thích ứng của gen phụ thuộc vào điều kiện môi trường

+ Giá trị thích ứng của gen phụ thuộc vào tổ hợp gen

+ Là sự lan truyền gen từ quần thể nay sang quần thể khác

+ Là nhân tố làm thay đổi tần số tương đối các alen và vốn gen của quần thể

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Quá trình đột biến là một nhân tố tiến hoá cơ bản.

Vai trò: + Tạo ra nguồn nguyên liệu cơ sở cho quá trình tiến hoá

+ Làm cho mỗi tính trạng có một phổ biến dị phong phú

Áp lực của đột biến: làm thay đổi cấu trúc gen, tạo ra nhiều alen mới (các alen khác nhau do thay đổi ở một hay

vài cặp nuclêotit )

Quá trình đột biến  Áp lực đb  Biến đổi thành phần kiểu gen của quần thể

Áp lực của quá trình đột biến biểu hiện ở tốc độ biến đổi tần số tương của alen đột biến

Một số trường hợp cây có thể vừa giao phấn hoặc tự thụ phấn đều cho thế hệ sau.Nếu một quần thể rơi vào nơi cách ly  tự thụ phấn hoàn toàn.

Cực đoan ở dòng họ  hôn nhân cận huyết Vd: 33% ca bệnh alkapton niệu là do bố mẹ là anh em họ hàng

gần

Do vậy tần số phân bố kiểu gen khác nhau

F1: 1AA : 2Aa : 1aa

F2: 3AA : 2Aa : 3aa

F3: 7AA : 2Aa : 7aa

F4: 15AA : 2Aa : 15aa

Công thức chung tỷ lệ kiểu gen do sinh sản phân hóa:

(2^n – 1)AA : 2Aa : (2^n-1)aa (n là số thế hệ)

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

T th ph n ự ụ ấ

Các quần thể rất ít khi cô lập hoàn toàn vì thường có sự dịch chuyển của một số cá thể từ quần thể này sang quần thể khác một cách chủ động hoặc bị động (di chuyển, gió cuốn, chim chóc tha đi) và làm biến đổi cấu trúc quần thể Hiện tượng này gọi là sự di nhập gen.

Di nhập gen  thay đổi tần số gen, tỷ lệ kiểu gen, tăng biến dị

Hai quần thể có tần số gen giống nhau  ít thay đổi



Hi n t ng di nh p làm tăng t n s gen quy đ nh màu nâu ệ ượ ậ ầ ố ị

 Hiện tượng tần số tương đối của các alen trong quần thể bị thay đổi ngẫu nhiên do một nguyên nhân nào

đó được gọi là sự biến động di truyền (S Wright 1931)

Nguyên nhân biến động di truyền:

Xuất hiện chướng ngại địa lý  chia cắt khu phân bố của quần thể thành những phần nhỏ  tần số tương đối các alen biến động đột ngột

Nhóm cá thể ngẫu nhiên tách ra đi lập quần thể mới, các alen trong nhóm này không đặc trưng cho cho vốn gen của quần thể gốc

Bi n đ ng di truy n (Genetic Drift) ế ộ ề

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Ít có hiệu quả với quần thể lớn

Tác động mạnh đến cấu trúc di truyền quần thể nhỏ

Bi n đ ng di truy n (Genetic Drift) ế ộ ề

Bi n đ ng làm gi m t n s gen quy đ nh màu xanh ế ộ ả ầ ố ị

Quan điểm của Darwin

• Chọn lọc tự nhiên là sự bảo toàn những khác biệt

cá thể có lợi hay sự tiêu vong của những biến đổi

có hại (sự sống còn của những khác biệt thích ứng nhất)

• Chọn lọc tự nhiên liên quan đến sức sống và khả năng sinh sản

• Kết quả chọn lọc tự nhiên là di truyền các đặc điểm thích nghi

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Ví dụ của chọn lọc tự nhiên làm thay đổi cân bằng di truyền

+ Côn trùng sống ở môi trường bị ám khói đen

+ Giả sử ban đầu côn trùng có màu đốm trắng (bb)

+ Khi môi trường bị ám khói đenxuất hiện đột biến thân đen (B)

Ví dụ của chọn lọc tự nhiên làm thay đổi cân bằng di truyền

+Tần số phân bố kiểu gen sau chọn lọc lần đầu

Cơ chế chọn lọc tự nhiên

Chọn lọc kiểu gen thích nghi, chọn lọc tổng thể các gen của cá thể sống tốt, sinh sản tốt.Thực tế là chọn lọc các đột biến gen thích nghi

Khi hoàn cảnh sống không thay đổi qua nhiều thế hệ thì hướng chọn lọc trong quần thể không thay đổi.

Cơ chế: chọn lọc giữ lại các cá thể có giá trị trung bình của tính trạng, đào thải các cá thể sai khác trung ở hai

cực biên

Kết quả: thu gọn phạm vi mức phản ứng của phân bố kiểu gen

Các hình thức chọn lọc

Chọn lọc bình ổn

VD: Chim sẻ Passer domesticus bị chết trong những trận bão tuyết dữ dội ở New York thường có cánh dài

hơn hoặc ngắn hơn so với giá trị trung bình

Cơ chế: chọn lọc giữ lại các cá thể ở cực biên, đào thải các cá thể ở cực đối diện.

Kết quả: Tính trạng thay đổi theo một hướng chọn lọc.

Các hình thức chọn lọc

Chọn lọc định hướng

VD: Loài chim sẻ Geospiza fortis ở quần đảo

Galapagos, vào mùa khô cỏ và những thân cây thường sinh trưởng kém Nhưng những cây có

rễ sâu và hạt to vẫn có quả

• Chọn lọc ưu tiên những con chim sẻ có mỏ

to, có khả năng ăn được những hạt lớn và

chống lại những con có mỏ nhỏ chỉ ăn được những hạt cỏ

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Chọn lọc phân cắt

VD: Chim cắt mái Accipiter nisus có kích

thước lớn gấp đôi chim trống, chuyên bắt

những con mồi lớn chim trống thì bắt mồi

nhỏ

Chọn lọc phân cắt có thể là cơ chế tiến hóa

thành hai loài mới nhưng cần có cơ chế

cách ly trước giao phối

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Tiến hóa là một quá trình biến đổi lâu dài trải qua hàng ngàn hàng vạn năm Để nghiên cứu sâu được quá trình tiến hóa đòi hỏi phải có một thời gian dài nghiên cứu trên một phạm vi rộng lớn và một số lượng khổng lồ những bằng chứng và dữ liệu.

Trong phạm của chúng tôi chỉ cho phép tìm hiểu rất sơ lược về tiến hóa ở mức độ quần thể và một vài yếu

tố tác động đến trạng thái cân bằng di truyền

Nhưng cũng giúp chúng tôi hiểu rõ hơn một số vấn đề về những thay đổi có vai trò thúc đẩy quá trình tiến hóa trong quần thể