Trình bày quá trình hình thành loài bằng cách li địa lí

Bài 1 trang 128 SGK Sinh học 12. Giải thích vai trò của cách li địa lí trong quá trình hình thành loài mới.

Giải thích vai trò của cách li địa lí trong quá trình hình thành loài mới.

Vai trò của cách li địa lí trong quá trình hình thành loài mới:

- Cách li địa lí là những trở ngại về mặt địa lí như sông, núi, biển… ngăn cản các cá thể của các quần thể cùng loài gặp gỡ và giao phối với nhau.

- Sự cách li địa lí góp phần sự duy trì khác biệt về tần số alen và thành phần kiểu gen giữa quần thể được tạo ra bởi các nhân tố tiến hoá.

- Sự cách li địa lí nên các cá thể của các quần thể cách li ít có cơ hội giao phối với nhau. Những quần thể nhỏ sống cách biệt trong các điều kiện môi trường khác nhau dần dần được CLTN và các nhân tố tiến hoá khác làm cho sự khác biệt về vốn gen của quần thể. Sự khác biệt đó được tích luỹ dần và đến một lúc nào đó có thể xuất hiện các trở ngại dẫn đến cách li sinh sản thì loài mới được hình thành.

I. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH LOÀI

Khái niệm: Hình thành loài là một quá trình lịch sử, cải biến thành phần kiểu gen của quần thể ban đầu theo hướng thích nghi, tạo ra kiểu gen mới cách li sinh sản với quần thể gốc.

I. LOÀI SINH HỌC

1. Khái niệm loài sinh học

- Loài [tiếng Latinh là species] - nghĩa là một loại biểu hiện bề ngoài của một sinh vật, một kiểu hình giúp ta phân biệt các dạng sinh vật với nhau, ví dụ như giữa mèo và chó.

- Các loài sinh vật được gọi tên kép bằng tiếng Latinh, gồm 2 tiếng:

• Tiếng trước chỉ giống, chữ cái đầu tiên luôn viết hoa.
• Tiếng sau chỉ loài, luôn viết thường,

- Ví dụ: loài người Homo sapiens [Homo - giống người, sapiens - thông minh].

- Trong tự nhiên, có các trường hợp:

• Trong cùng một loài nhưng lại rất đa dạng về hình thái [ví dụ: người châu âu, châu á, châu phi thường rất khác nhau].
• Hai loài hoàn toàn khác nhau nhưng lại có kiểu hình tương đối giống nhau [ví dụ: bướm độc và bướm thường, một số loài chim sáo khác nhau có kiểu hình rất giống nhau]

[?] Làm thế nào để biết hai sinh vật nào đó thuộc cùng một loài hay là các loài khác nhau?

- Định nghĩa loài [giới hạn ở loài giao phối]: Loài là một nhóm quần thể có vốn gen chung, có những tính trạng chung về hình thái, sinh lí, có khu phân bố xác định, trong đó các cá thể có khả năng giao phối tự nhiên với nhau sinh ra thế hệ con hữu thụ và được cách li sinh sản với những quần thể thuộc các loài khác.

- Từ định nghĩa, có 2 điểm cần lưu ý:

• Cách li sinh sản: nếu 2 cá thể không giao phối một cách tự nhiên được với nhau thì dù trong điều kiện nhân tạo ép chúng giao phối, sinh con hữu thụ => chúng vẫn thuộc 2 loài khác nhau.Ví dụ: Vịt trời, Anas platyrhynchos và vịt nhọn đuôi, Anas acuta là 2 loài vịt nước ngọt phổ biến nhất ở bắc bán cầu. Khi bị nhốt chung, các loài này giao phối với nhau và tạo ra hậu thế ở các đời lai hoàn toàn hữu thụ. Tuy nhiên, trong tự nhiên, sự giao phối chéo giữa chúng rất hiếm khi xảy ra, mặc dù chúng thường làm tổ cạnh nhau => chúng thuộc 2 loài khác nhau.
• Cách li di truyền: nếu 2 cá thể có thể giao phối hoàn toàn tự nhiên với nhau nhưng sinh ra con bất thụ thì chúng cũng thuộc 2 loài khác nhau.Ví dụ: nhiều loài cóc Bufo giao phối hoặc lai với nhau rất thường xuyên nhưng luôn sản sinh ra đời con bất thụ => chúng thuộc 2 loài khác nhau.

=> Cách thử xem hai sinh vật thuộc cùng một loài hay hai loài khác nhau là xem trong tự nhiên chúng có giao phối bình thường với nhau và tạo ra hậu thế hữu thụ hay không.Ví dụ: Loài bướm Biston betularia bình thường và melanin trông rất khác nhau nhưng chúng giao phối tự do với nhau và tạo ra hậu thế hữu thụ => chúng thuộc cùng một loài.

Lưu ý: Đối với các trường hợp không thể phân biệt 2 loài bằng dấu hiệu cách li sinh sản và cách li di truyền như trên [2 loài thuộc 2 nơi quá xa nhau hoặc các loài đã tuyệt chủng, các loài sinh sản vô tính, các loài vi sinh vật ...] thì ta có thể dựa vào một số tiêu chuẩn khác như hình thái, giải phẫu hoặc các tiêu chuẩn sinh lí, hoá sinh để phân biệt.

2. Các tiêu chuẩn để phân biệt hai loài thân thuộc [các loài có quan hệ gần gũi về nguồn gốc]

a. Tiêu chuẩn hình thái

- Các cá thể cùng loài có chung một hệ tính trạng giống nhau. Cá thể của 2 loài khác nhau có sự gián đoạn về một tính trạng nào đó.Ví dụ: rau dền gai [thân có gai] và rau dền cơm [thân không có gai] là 2 loài khác nhau, chúng gián đoạn về hình thái, không có các dạng trung gian từ ít gai đến nhiều gai.

- Tiêu chuẩn hình thái dễ vận dụng nhưng cũng kém chính xác vì có nhiều loài khác nhau nhưng hình thái lại rất giống nhau [loài đồng hình] => dễ nhầm lẫn và xếp chúng thành một loài. Ví dụ: Dòng muỗi Anôphen ở Châu Âu có 6 loài có hình thái giống nhau, chỉ khác nhau về mặt màu sắc trứng, sinh cảnh, có đốt người hay không, có truyền bệnh sốt rét hay không => dễ nhầm lẫn và sử dụng các thuốc diệt muỗi mà không đạt hiệu quả mong muốn.

b. Tiêu chuẩn địa lí - sinh thái

- Trường hợp đơn giản: mỗi loài có một khu vực phân bố riêng về mặt địa lí. Ví dụ: Loài ngựa hoang phân bố ở vùng Trung Á, loài ngựa vằn sống ở Châu Phi

- Trường hợp phức tạp: các loài phân bố cùng trong một khu vực địa lí thì lại thích nghi với những điều kiện sinh thái nhất định. Ví dụ: hai loài mao lương ở bãi cỏ ẩm và ở gần bờ mương, bờ ao... hoặc ví dụ: ởbang Texas có 40 loài ruồi giấm cùng sống trong một khu vực nhưng không hề có dạng lai.

c. Tiêu chuẩn sinh lí - sinh hoá

- Prôtêin tương ứng ở các loài khác nhau thường khác nhau ở một số đặc tính vật lí [giới hạn chịu nhiệt...] hoặc hoá sinh [trình tự các axit amin trong chuỗi pôlipeptit...]. Ví dụ: prôtêin trong tế bào biểu bì, tế bào hồng cầu, tế bào trứng của loài ếch hồ miền Nam Liên Xô chịu nhiệt cao hơn các prôtêin tương ứng của loài ếch cỏ miền Bắc Liên Xô tới 3 - 4oC.

- Sự sai khác nhau trong cấu trúc của ADN, prôtêin cũng phản ánh mức độ thân thuộc giữa các loài. Các loài càng thân thuộc thì sự sai khác đó càng ít.

d. Tiêu chuẩn cách li sinh sản và cách li di truyền

- Các loài khác nhau thường không giao phối với nhau một cách tự nhiên [tồn tại các rào cản giữa các loài] hoặc giao phối không có kết quả [do bộ NST không tương đồng].

=> Sử dụng các tiêu chuẩn trên để phân biệt các đối tượng khác nhau:

• Đối với các loài giao phối: dùng tiêu chuẩn cách li sinh sản.
• Đối với vi sinh vật, các loài sinh sản vô tính: dùng tiêu chuẩn sinh lí - hoá sinh.
• Đối với động vật, thực vật: kết hợp cả tiêu chuẩn hình thái, địa lí và cách li sinh sản...
• Với các loài hoá thạch: dùng tiêu chuẩn hình thái, giải phẫu...

3. Sơ bộ về cấu trúc của loài

- Các cấp độ chủ yếu trong cấu trúc loài: cá thể => quần thể => nòi => loài.

- Khái niệm: trong tự nhiên, loài tồn tại như một hệ thống quần thể. Quần thể là đơn vị tổ chức cơ sở của loài. các quần thể hoặc nhóm quần thể có thể phân bố gián đoạn hay liên tục tạo thành các nòi. Các cá thể thuộc các nòi khác nhau của một loài vẫn có thể giao phối có kết quả với nhau.

- Các dạng: nòi địa lí, nòi sinh thái và nòi sinh học.

Nòi địa lí:

• Là nhóm quần thể phân bố trong một khu vực nhất định [có khu vực phân bố riêng].
• Hai nòi địa lí khác nhau có khu phân bố không trùm lên nhau.
• Mỗi nòi địa lí có đặc điểm hình thái ổn định nhưng vẫn có thể lai với nhau để sinh ra dạng lai ở những nơi tiếp giáp giữa khu phân bố của hai loài.
• Ví dụ: Chim chào mào ở nước ta có 2 nòi địa lí:
  • Nòi phía bắc: mình nâu xẫm, vòng lông ở ngực nâu.
  • Nòi phía nam: bé hơn, lông nâu nhạt, vòng lông ở ngực rõ hơn.

Nòi sinh thái:

• Là nhóm quần thể phân bố trong cùng một khu vực địa lí.
• Mỗi nòi sinh thái thích nghi với một điều kiện sinh thái khác nhau, chiếm những sinh cảnh xác định trong cùng khu vực phân bố.
• Ví dụ: các nòi sinh thái trên cùng một quả núi thích nghi với sinh cảnh ở các độ cao khác nhau.
  • Nòi sinh học: là nhóm quần thể kí sinh trên loài vật chủ xác định hoặc trên những phần khác nhau của cơ thể vật chủ [thường gặp ở các loài động vật, thực vật kí sinh].

=> Cấu trúc của loài:

4. Các cơ chế cách ly

- Tất cả các yếu tố ngăn cản sự giao phối tự do giữa các cá thể hoặc các nhóm cá thể được gọi là các cơ chế cách li [hàng rào].

- Có hai loại hàng rào có thể ngăn cản các loài có quan hệ thân thuộc không giao phối lẫn nhau:

• Hàng rào địa lí [cách li địa lí]: sự xuất hiện của các vật cản địa lí như núi, sông, biển.... cách li giữa hai loài một cách hình thức khiến chúng không thể giao phối với nhau dầu vẫn có tiềm năng đó.
• Hàng rào sinh sản [cách li sinh sản]: ngăn cản các quần thể thuộc các loài có quan hệ gần gũi không giao phối với nhau được ngay cả khi chúng sống chung trong một vùng lãnh thổ.

- Các cơ chế cách li sinh sản được hiểu là các trở ngại trên cơ thể sinh vật [trở ngại sinh học] ngăn cản các cá thể của các loài khác nhau giao phối với nhau hoặc ngăn cản việc tạo ra con lai hữu thụ giữa chúng.

- Các cơ chế cách li sinh sản gồm 2 loại: cách li trước hợp tử và cách li sau hợp tử.

a. Cách li trước hợp tử: ngăn cản sự giao phối và thụ tinh giữa các loài.

Cách li thời gian

- các cá thể của các loài khác nhau có thể sinh sản vào các mùa, ngày, giờ khác nhau trong năm => chúng không có điều kiện giao phối với nhau.

• Ví dụ 1: hai loài chồn hôi miền đông và miền tây có vùng lãnh thổ chồng chéo lên nhau nhưng có thời điểm giao phối khác nhau.
  • Loài miền tây: giao phối vào mùa đông, tuyết rơi.
  • Loài miền đông: giao phối vào mùa xuân, tuyết tan.
• Ví dụ 2: hai loài thông cùng mọc trên cùng một quả núi.
  • Loài 1: tung phấn vào tháng 2.
  • Loài 2: tung phấn vào tháng 4.
• Vi dụ 3: Một số loài thực vật có hoa nở vào các mùa khác nhau, các ngày khác nhau hoặc các giờ khác nhau trong cùng một ngày => không thụ phấn được cho nhau.

Cách li nơi ở [cách li tổ sinh thái - cách li sinh thái]

- Giao phối của các loài diễn ra trong cùng một thời điểm nhưng lại ở các địa điểm [tổ sinh thái] khác nhau.

- Ví dụ:

• Hai loài cóc cùng có tập tính giao phối sau mùa mưa nhưng mỗi loài lại thích giao phối ở các ao khác nhau hoặc ở các vị trí khác nhau trong cùng một ao [bờ ao, đám lá cỏ giữa ao...].
• Nhiều loài thực vật có họ hàng gần thường có nhu cầu khác nhau về kiểu đất hay điều kiện khí hậu.

Cách li tập tính

- Mỗi loài có một tập tính sinh dục khác nhau => rất ít hoặc hoàn toàn không có sức hấp dẫn sinh dục giữa các con cái và con đực của hai loài khác nhau.

- Ví dụ:

• Các loài đom đóm khác nhau có kiểu chớp sáng lập loè khác nhau => các con cái chỉ đáp ứng tín hiệu sáng của các con đực cùng loài.
• Các loài bướm cái khác nhau tiết ra các pherômôn khác nhau và chỉ hấp dẫn các con đực cùng loài.
• Một số loài có hình thức ve vãn khác nhau, thậm chí có một số loài sử dụng các động tác giống nhau nhưng lặp lại với trật tự khác nhau cũng giúp các con cái cùng loài nhận ra để giao phối.
• Một số loài như dế mèn, ếch, ve sầu, châu chấu, chim sử dụng các âm thanh khác nhau để thu hút bạn tính cùng loài.

Cách li cơ học

- Các loài khác nhau có cấu trúc cơ quan sinh sản không tương hợp với nhau => không giao phối hoặc không giao phấn được. Ví dụ: Hạt phấn nảy mầm nhưng chiều dài ống phấn không hợp => không thụ tinh được.

- Ở các loài thực vật giao phấn nhờ tác nhân sinh học [sâu bọ, chim...] có cấu tạo hoa phù hợp với những tác nhân đặc biệt giúp chúng thụ thấn. Ví dụ: Chim ruồi hút mật hoa và thụ phấn cho hoa có chiều dài của mỏ tương đương với chiều dài của ống hoa.

Cách li giao tử

- Các con đực và cái khác loài có thể giao phối với nhau nhưng các giao tử của chúng bị chết hay suy yếu, không tạo thành hợp tử được.

- Ví dụ:

• Ở nhiều loài động vật, tinh trùng của loài này thường bị chết trong ống dẫn sinh dục cái của loài kia do môi trường sinh lí, sinh hoá không hợp.
• Các giao tử cùng loài có các điểm thụ cảm nhận ra nhau => không cho tinh trùng của loài khác vào trứng.

b. Cách li sau hợp tử [ngăn cản con lai phát triển hay sinh sản]

- Hợp tử lai thiếu sức sống: hình thành được hợp tử nhưng hợp tử không sống được hoặc không phát triển được thành phôi, hoặc xảy thai, hoặc thai chết lưu trong bụng mẹ, hoặc đẻ non, hoặc chết trước khi thành thục sinh dục.

• Nguyên nhân: do bộ gen của bố mẹ không tương hợp. Sự sống của cơ thể không chỉ phụ thuộc vào một vài gen mà phụ thuộc vào sự tương tác lẫn nhau của tất cả các gen trong tế bào như một thể thống nhất.
• Ví dụ: Một số loài ếch thuộc giống Rana cùng sống chung trong cùng một nơi ở, có thể giao phối với nhau bình thường để tạo thành hợp tử nhưng hợp tử thường không sống được, nhiều trường hợp đẻ non hoặc con sinh ra rất yếu ớt và chết sau khi sinh ra.

- Con lai vô sinh: con lai phát triển khoẻ mạnh đến lúc thành thục sinh dục nhưng không tạo được giao tử hoặc giao tử quá yếu và ít => không thụ tinh được => không tạo ra được thế hệ sau.

• Nguyên nhân: do bộ NST của bố và mẹ không tương đồng => rối loạn quá trình tiếp hợp, giảm phân => không tạo được giao tử, hoặc các giao tử sống sót thì yếu và quá ít, không đủ để thụ tinh.
• Ví dụ: con la và con Bacđô là con lai giữa lừa và ngựa.

- Con lai đời hai bất thụ: thế hệ con đời 1 [F1] sống được và sinh sản được [hữu thụ], nhưng con lai đời hai [F2] nếu giao phối lẫn nhau hoặc giao phối trở lại với bố mẹ đều bất thụ do không thụ tinh được.

• Ví dụ: các loài bông khác nhau có thể cho ra các cây lai F1 hữu thụ, nhưng sang cây F2 thì không thụ tinh được => không tạo được hợp tử đời F3.

c. Vai trò và mối quan hệ giữa các cơ chế cách li với sự hình thành loài mới

- Hạn chế quá trình giao phối tự do trong quần thể.

- Tăng cường sự phân hoá trong nội bộ quần thể gốc, làm cho quần thể gốc phân li thành những nhóm cá thể có thành phần kiểu gen khác nhau => có thể dẫn tới hình thành loài mới từ quần thể ban đầu.

- Sự cách li địa lí và cách li sinh thái kéo dài => tích luỹ các đột biến theo những hướng khác nhau làm cho kiểu gen giữa các nhóm cá thể của quần thể ngày càng sai khác => cách li sinh sản [cách li di truyền], đánh dấu sự xuất hiện loài mới.

=> Cách li địa lí và cách li sinh thái => cách li sinh sản [cách li di truyền] là con đường chung của sự hình thành loài mới.

=> Cách li làm tăng cường quá trình phân li tính trạng trong chọn lọc tự nhiên.

5. Phân ly tính trạng trong chọn lọc tự nhiên - Cơ sở hình thành loài mới

- Trong cùng một nhóm đối tượng quần thể, chọn lọc tự nhiên có thể tích luỹ biến dị theo những hướng khác nhau vì cách li địa lí, cách li sinh thái trong thời gian dài.

• Những biến dị có lợi, đặc sắc thì sẽ được duy trì, tích luỹ, tăng cường thành những biến đổi lớn, thíchnghi.
• Những dạng trung gian kém đặc sắc thì bị đào thải.

=> Kết quả: từ một dạng ban đầu, dần dần phát sinh ra nhiều dạng khác nhau và khác xa tổ tiên. Đó là quá trình phân li tính trạng [lan toả thích nghi].

- Theo con đường phân li tính trạng qua thời gian dài, từ một loài gốc phân hoá thành các nòi khác nhau rồi tới các loài khác nhau.