Ba kiểu chọn lọc tự nhiên: ổn định, định hướng và phân hoá khác nhau ra sao

Chọn lọc tự nhiên có ba kiểu chính, phân biệt theo việc nó "ưu ái" phần nào của quần thể. Chọn lọc ổn định giữ lại những cá thể ở mức trung bình và loại bớt hai đầu cực. Chọn lọc định hướng đẩy cả quần thể dịch dần về một phía. Chọn lọc phân hoá thì ưu ái hai đầu cực và làm phần giữa thưa đi, có khi chẻ quần thể ra làm hai nhóm.

Ba kiểu này không phải ba quy luật khác nhau. Chúng là cùng một cơ chế: cá thể nào hợp với môi trường hơn thì để lại nhiều con hơn. Điều khác nhau chỉ là môi trường lúc đó đang "thưởng" cho ai.

Hình dung bằng một biểu đồ hình chuông

Lấy một đặc điểm đo được bằng số, ví dụ chiều dài mỏ chim, cân nặng lúc mới sinh hay độ dài lông thú. Đo hàng trăm cá thể rồi vẽ thành biểu đồ, ta thường được một đường cong hình chuông: phần đông nằm quanh mức trung bình, càng ra xa hai bên càng ít.

Giờ tưởng tượng mỗi thế hệ, môi trường "cắt" bớt một phần của cái chuông đó, tức những cá thể ở phần ấy chết sớm hơn hoặc ít con hơn. Cắt ở đâu thì cái chuông của thế hệ sau đổi hình theo kiểu đó.

Cần nhớ một điều: chọn lọc chỉ làm việc được khi đặc điểm đó có phần do gen quyết định. Nếu con chim mỏ to chỉ vì hồi nhỏ được ăn no, còn con của nó vẫn mỏ bình thường, thì có chọn lọc bao nhiêu thế hệ sau cũng không đổi.

Chọn lọc ổn định: giữ cái vừa phải

Đây là kiểu chọn lọc phổ biến nhất mà lại ít được nhắc nhất, vì nó không tạo ra thay đổi gì nhìn thấy. Nó giống người thợ may giữ cho cái áo vừa người: dài quá cắt bớt, ngắn quá bỏ đi.

Cân nặng lúc chào đời

Ví dụ kinh điển trong sách giáo khoa là cân nặng trẻ sơ sinh. Các nghiên cứu số liệu bệnh viện ở nước Anh giữa thế kỷ 20 cho thấy trẻ sinh ra quá nhẹ hoặc quá nặng có tỉ lệ tử vong cao hơn hẳn trẻ ở mức cân nặng trung bình. Trẻ quá nhẹ thường yếu, khó giữ ấm. Trẻ quá to dễ gặp nguy khi sinh, và người mẹ cũng vậy.

Trong hàng trăm nghìn năm trước khi có y học hiện đại, áp lực này giữ cân nặng sơ sinh của loài người dao động quanh một mức khá hẹp. Ngày nay, nhờ chăm sóc sơ sinh và mổ lấy thai, chênh lệch tỉ lệ sống giữa các nhóm cân nặng đã thu hẹp rất nhiều. Đây là một ví dụ hiếm hoi mà con người tự làm yếu đi một áp lực chọn lọc lên chính mình.

Ổ trứng chim và cánh chim

Ở nhiều loài chim, số trứng trong một ổ cũng chịu chọn lọc ổn định. Đẻ ít trứng thì nuôi được ít con. Đẻ quá nhiều thì bố mẹ không kiếm đủ mồi, cả ổ đều còi cọc và nhiều con chết. Số trứng thường gặp nhất trong tự nhiên thường nằm gần mức mà bố mẹ nuôi được nhiều con trưởng thành nhất. Ý tưởng này gắn với nhà điểu học người Anh David Lack và được kiểm tra bằng cách thêm hoặc bớt trứng trong tổ chim ngoài thực địa.

Chọn lọc ổn định giải thích vì sao nhiều loài trông gần như không đổi qua hàng triệu năm. Không phải tiến hoá dừng lại. Chỉ là môi trường ổn định, nên chọn lọc cứ đều đặn gọt bỏ những cá thể lệch khỏi khuôn.

Chọn lọc định hướng: cả quần thể dịch về một phía

Khi môi trường thay đổi theo một chiều, ví dụ khí hậu khô đi, thức ăn cứng hơn, hay xuất hiện một loại thuốc mới, thì những cá thể ở một đầu của cái chuông bỗng có lợi. Thế hệ sau, mức trung bình nhích về phía đó. Nếu áp lực kéo dài, quần thể có thể đổi khác rất xa so với ban đầu.

Mỏ chim sẻ sau một mùa hạn

Ví dụ được đo kỹ nhất là chim sẻ đất cỡ vừa trên đảo nhỏ Daphne Major ở quần đảo Galápagos, nơi vợ chồng nhà sinh học Peter và Rosemary Grant theo dõi chim từ thập niên 1970. Năm 1977 đảo gặp hạn nặng. Hạt nhỏ, mềm hết sạch, chỉ còn loại hạt to, vỏ cứng. Chim mỏ dày khoẻ mới tách nổi những hạt đó, còn chim mỏ nhỏ chết nhiều hơn. Số chim trên đảo giảm mạnh. Thế hệ con sinh ra sau đó có mỏ trung bình dày hơn đo được bằng thước kẹp.

Điều thú vị là vài năm sau, khi mưa nhiều trở lại và hạt nhỏ nhiều lên, chiều chọn lọc lại đảo ngược. Tức là chọn lọc định hướng không có "mục tiêu" cố định. Nó đi theo môi trường của từng năm.

Ví dụ ngay quanh ta

Vi khuẩn kháng kháng sinh, sâu hại kháng thuốc trừ sâu, cỏ dại kháng thuốc diệt cỏ đều là chọn lọc định hướng. Mỗi lần phun thuốc, những cá thể nhạy với thuốc chết, những cá thể sẵn có chút sức chịu đựng sống sót và sinh sôi. Lặp lại nhiều lần, cả quần thể dịch về phía "chịu thuốc".

Chọn lọc phân hoá: hai đầu thắng, phần giữa thua

Kiểu này hiếm gặp hơn, nhưng quan trọng vì nó có thể là bước đầu tách một loài thành hai. Nó xảy ra khi môi trường có hai "lựa chọn tốt" khác nhau rõ rệt, còn kiểu ở giữa thì làm gì cũng không giỏi.

Chim mỏ to và chim mỏ nhỏ ở Cameroon

Ví dụ hay được dẫn là một loài chim sẻ ăn hạt ở Tây Phi có tên tiếng Anh là black-bellied seedcracker. Nhà sinh học Thomas Bates Smith nghiên cứu chúng ở Cameroon và thấy trong cùng một quần thể có hai nhóm kích thước mỏ khá tách biệt. Chim mỏ to giỏi bẻ loại hạt cói vỏ cứng, chim mỏ nhỏ ăn nhanh loại hạt mềm. Chim có mỏ cỡ trung gian ăn loại nào cũng kém hơn chuyên gia của loại đó, và tỉ lệ sống qua mùa khó khăn thấp hơn.

Điểm đáng chú ý: hai nhóm này vẫn giao phối với nhau, nên chưa phải hai loài. Kích thước mỏ ở đây phần lớn do một vùng gen quyết định, nên con sinh ra rơi vào một trong hai nhóm thay vì trải đều ở giữa.

Khi nào phân hoá dẫn tới loài mới

Nếu hai nhóm bắt đầu thích chọn bạn đời giống mình, ví dụ chim mỏ to chỉ ghép đôi với chim mỏ to, thì dòng gen giữa hai nhóm giảm dần. Qua thời gian rất dài, chúng có thể thành hai loài. Các nhà sinh học vẫn tranh luận chuyện này xảy ra thường đến mức nào khi hai nhóm sống chung một chỗ, không có núi sông ngăn cách. Có những trường hợp được ủng hộ khá tốt, như cá hoa trong một số hồ miệng núi lửa nhỏ ở châu Phi, nhưng đây vẫn là vùng nghiên cứu đang mở.

Còn một kiểu nữa: chọn lọc cân bằng

Ngoài ba kiểu trên, sách chuyên sâu còn nói tới chọn lọc cân bằng, tức khi chọn lọc giữ lại nhiều biến thể cùng lúc thay vì chọn một. Có vài cách xảy ra:

• Ưu thế dị hợp: mang một bản gen kiểu A và một bản kiểu B lại tốt hơn mang hai bản giống nhau. Ví dụ nổi tiếng là gen hồng cầu liềm ở vùng có sốt rét.
• Chọn lọc phụ thuộc tần số: kiểu nào đang hiếm thì có lợi. Ví dụ, cá ăn vảy ở hồ Tanganyika có hai dạng miệng lệch trái và lệch phải. Dạng nào ít hơn thì con mồi ít đề phòng phía đó, nên dạng ấy kiếm ăn dễ hơn và tăng lên, cho tới khi hai dạng xấp xỉ cân bằng.
• Môi trường đổi theo mùa hoặc theo năm: năm này kiểu A thắng, năm sau kiểu B thắng, nên cả hai không biến mất.

Chọn lọc cân bằng giải thích một câu hỏi tưởng nghịch lý: nếu chọn lọc luôn chọn cái tốt nhất, sao trong quần thể vẫn còn nhiều biến dị đến thế?

Những hiểu lầm hay gặp

"Chọn lọc là kẻ mạnh thắng kẻ yếu"

Không hẳn. "Hợp" trong tiến hoá nghĩa là để lại nhiều con cháu hơn trong môi trường cụ thể, không phải to khoẻ hơn. Trong mùa hạn ở Galápagos, chim mỏ to thắng. Trong mùa mưa, chim mỏ nhỏ ăn hạt mềm nhanh hơn lại có lợi. Ở chọn lọc ổn định, cái "thắng" lại chính là cái bình thường nhất.

"Cá thể tiến hoá để thích nghi"

Một con chim không làm cho mỏ mình to ra được. Thứ thay đổi là tỉ lệ các kiểu chim trong quần thể qua các thế hệ. Đơn vị thay đổi là quần thể, đơn vị bị chọn lọc là cá thể.

"Ba kiểu là ba loài sinh vật khác nhau"

Cùng một quần thể có thể chịu chọn lọc ổn định ở đặc điểm này và chọn lọc định hướng ở đặc điểm khác, cùng một lúc. Cân nặng trẻ sơ sinh chịu chọn lọc ổn định, trong khi một gen chống bệnh trong cùng quần thể có thể đang chịu chọn lọc định hướng.

Tự quan sát và tìm hiểu thêm

Muốn thấy chọn lọc tận mắt, có thể làm một mô phỏng nhỏ ở lớp học: rải hạt đậu nhiều màu trên tấm vải hoa, cho bạn bè đóng vai "chim" nhặt trong 15 giây. Hạt nào cùng màu với vải còn lại nhiều hơn. Cho "sống sót" nhân đôi rồi lặp lại vài vòng, bạn sẽ thấy tỉ lệ màu dịch dần, đúng kiểu chọn lọc định hướng. Đổi sang vải hai màu tách bạch, có thể thấy cả chọn lọc phân hoá.

Sách nên đọc: The Beak of the Finch của Jonathan Weiner kể lại công việc của vợ chồng Grant, đã đoạt giải Pulitzer và đọc như tiểu thuyết. Chương chọn lọc tự nhiên trong sách giáo khoa Sinh học lớp 12 cũng có phần ba kiểu chọn lọc, nên đọc kèm để nắm thuật ngữ.