Cơ quan tương đồng là những bộ phận có cùng nguồn gốc từ tổ tiên chung, dù ngày nay có thể làm những việc rất khác nhau: tay người, cánh dơi, vây cá voi và chân ngựa đều dựng trên cùng một khung xương. Cơ quan tương tự thì ngược lại: làm cùng một việc, trông có thể giống nhau, nhưng có nguồn gốc khác nhau, như cánh chim và cánh bướm. Phân biệt hai loại này là cách các nhà sinh học đọc ra cây phả hệ của sự sống.
Nói gọn: tương đồng là "cùng gốc, khác việc", tương tự là "cùng việc, khác gốc".
Một bộ xương, bốn công việc
Hãy nhìn vào cánh tay của chính bạn. Từ vai xuống có một xương cánh tay, rồi hai xương cẳng tay, rồi một cụm xương cổ tay nhỏ, rồi năm xương bàn tay và các đốt ngón. Bây giờ đặt cạnh đó bộ xương của vài loài thú khác:
| Loài | Chi trước dùng để | Bộ khung xương |
|---|---|---|
| Người | Cầm nắm, làm việc khéo | Năm ngón dài vừa, ngón cái đối diện được các ngón khác |
| Dơi | Bay | Bốn ngón kéo rất dài, căng màng da làm cánh, ngón cái ngắn có móng |
| Cá voi, cá heo | Bơi, lái hướng | Xương ngắn, dẹt, các đốt ngón nằm gọn trong vây |
| Ngựa | Chạy nhanh | Chỉ còn một ngón giữa phát triển thành móng guốc, các ngón khác còn lại dạng thoái hoá |
| Chuột chũi | Đào đất | Xương ngắn, rất dày, bàn tay xoè rộng như cái xẻng |
Nếu được thiết kế riêng cho từng việc, chẳng có lý do gì một cái cánh để bay, một cái vây để bơi và một cái chân để chạy lại phải dùng chung một bố cục xương. Một kỹ sư thiết kế cánh máy bay sẽ không bắt đầu từ năm ngón tay. Nhưng nếu tất cả cùng thừa hưởng từ một tổ tiên bốn chân đầu tiên, rồi mỗi nhánh kéo dài, rút ngắn, gộp lại các xương theo nhu cầu riêng, thì bố cục chung đó là điều dễ hiểu.
Các nhà giải phẫu thế kỷ 19 đã nhận ra sự giống nhau này trước cả Darwin. Nhà giải phẫu người Anh Richard Owen dùng chữ "tương đồng" theo nghĩa hiện đại từ thập niên 1840. Nhưng chính thuyết tiến hoá mới đưa ra lời giải thích: tương đồng là dấu vết của tổ tiên chung.
Cơ quan tương tự: cùng việc, khác gốc
Cánh chim, cánh dơi và cánh côn trùng đều dùng để bay. Nhưng:
- Cánh chim là chi trước với lông vũ, ngón tay gần như gộp lại.
- Cánh dơi là chi trước với màng da căng giữa các ngón dài.
- Cánh côn trùng không có xương nào cả. Nó là lớp vỏ cứng mỏng mọc ra từ thành cơ thể, không liên quan gì tới chân.
Cánh côn trùng và cánh chim là tương tự: cùng làm việc bay, nhưng nguồn gốc hoàn toàn khác. Còn cánh chim và cánh dơi thì thú vị hơn: là cánh thì tương tự, vì chim và dơi tự học bay riêng rẽ, nhưng là chi trước thì tương đồng, vì cùng xuất phát từ chân trước của tổ tiên bốn chân. Một bộ phận có thể vừa tương đồng vừa tương tự, tuỳ ta hỏi ở cấp độ nào.
Cơ quan tương tự là sản phẩm của tiến hoá hội tụ: những vấn đề giống nhau, như bay trong không khí hay bơi nhanh trong nước, có số lời giải hợp lý giới hạn, nên các nhánh khác nhau tình cờ đi đến kết quả giống nhau.
Vì sao phải phân biệt cho đúng
Nếu xếp họ hàng chỉ dựa vào bề ngoài, ta sẽ xếp cá heo cạnh cá mập, xếp dơi cạnh chim. Những phân loại ban đầu đúng là đã mắc những lỗi kiểu này. Chỉ đặc điểm tương đồng mới cho biết quan hệ họ hàng. Đặc điểm tương tự chỉ cho biết hai loài từng đối mặt với cùng một môi trường.
Tương đồng nhìn thấy trong phôi
Có những tương đồng không thấy được ở con trưởng thành nhưng lộ ra khi nhìn phôi. Trong vài tuần đầu, phôi của cá, gà, chuột và người đều có một dãy cung ở vùng cổ, gọi là cung hầu.
- Ở cá, các cung này phát triển thành khung đỡ mang.
- Ở thú và người, chúng biến thành những thứ rất khác: một phần xương hàm, xương móng, sụn thanh quản, và ba xương nhỏ trong tai giữa.
Hoá thạch và phôi học cùng cho thấy: hai trong ba xương tai giữa của thú, xương búa và xương đe, có nguồn gốc từ những xương ở khớp hàm của tổ tiên bò sát cổ. Ở nhóm tổ tiên của thú, khi một khớp hàm mới hình thành, các xương ở khớp hàm cũ dần thu nhỏ và chuyển sang làm việc truyền âm. Đây là một trong những chuỗi chuyển tiếp được ghi nhận khá đầy đủ trong hoá thạch.
Lưu ý: hình vẽ phôi nổi tiếng của Ernst Haeckel thế kỷ 19 đã bị phê phán vì làm các phôi trông giống nhau hơn thực tế. Ý tưởng "phôi lặp lại toàn bộ lịch sử tiến hoá" của ông nay không còn được chấp nhận. Nhưng những tương đồng có thật như cung hầu thì vẫn được xác nhận bằng ảnh chụp phôi hiện đại.
Tương đồng ở mức gen: bất ngờ lớn nhất
Mắt ruồi giấm là mắt kép gồm hàng trăm mắt nhỏ. Mắt chuột là mắt máy ảnh có thuỷ tinh thể. Hai kiểu mắt này rất khác nhau, và từng được coi là ví dụ kinh điển của cơ quan tương tự.
Nhưng vào thập niên 1990, nhóm của nhà sinh học Thuỵ Sĩ Walter Gehring phát hiện một gen đóng vai "công tắc chính" để bật quá trình tạo mắt, ở chuột gọi là Pax6, ở ruồi giấm là gen tương ứng có tên riêng. Khi họ đưa gen của chuột vào ruồi giấm và bật nó ở những chỗ bất thường như chân hay râu, ruồi mọc ra những con mắt phụ ở đó. Những con mắt ấy là mắt kép của ruồi, không phải mắt chuột: gen chuột chỉ bấm công tắc, còn bộ máy của ruồi xây mắt theo kiểu ruồi.
Phát hiện này dẫn tới khái niệm tương đồng sâu: những cơ quan trông hoàn toàn khác nhau có thể được điều khiển bởi cùng một bộ gen cổ xưa thừa hưởng từ tổ tiên chung rất xa. Mắt ruồi và mắt chuột vẫn là tương tự ở cấp cấu trúc, nhưng có gốc chung ở cấp gen điều khiển. Có những nhà khoa học vẫn tranh luận về mức độ diễn giải của khái niệm này, nhưng hiện tượng thì đã được lặp lại ở nhiều nhóm sinh vật.
Tương đồng trong ADN của mọi sinh vật
Ở cấp sâu nhất, mọi sinh vật đều dùng chung một mã di truyền gần như giống hệt, chung ADN, chung cách đọc ADN thành protein. Nhiều gen làm những việc căn bản nhất, như sao chép ADN hay làm ribosome, vẫn còn giống nhau rõ rệt giữa người và nấm men, sau hơn một tỉ năm tách nhánh. Đây là tương đồng phân tử, và là bằng chứng mạnh nhất cho ý tưởng mọi sự sống trên Trái Đất có chung nguồn gốc.
Ngày nay, các cây phả hệ sinh vật chủ yếu được dựng từ so sánh ADN, rồi đối chiếu với giải phẫu và hoá thạch. Khi ba nguồn bằng chứng độc lập cho ra cùng một bức tranh, độ tin cậy tăng lên rất nhiều. Khi chúng mâu thuẫn, đó là chỗ các nhà khoa học tập trung nghiên cứu.
Tự quan sát
Lần tới khi ăn cánh gà, hãy để ý: có một đoạn xương đơn, một đoạn hai xương song song và một đầu cánh nhỏ có những xương ngón gộp lại. Đặt cạnh cánh tay mình, bạn sẽ thấy cùng một bố cục: một xương, hai xương, rồi cổ tay và ngón. Đó chính là tương đồng mà các nhà giải phẫu thế kỷ 19 đã thấy.
Các bảo tàng có bộ sưu tập xương, như Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam ở Hà Nội, là nơi tốt để so sánh bộ xương của nhiều loài thú, chim, bò sát cạnh nhau. Sách nên đọc: Your Inner Fish của Neil Shubin, người tìm ra hoá thạch Tiktaalik, kể rất dễ hiểu về những dấu vết cá, bò sát còn lại trong cơ thể người.
Câu hỏi thường gặp
Cơ quan tương đồng là gì?
Cơ quan tương đồng là những bộ phận có cùng nguồn gốc từ tổ tiên chung, dù ngày nay làm việc khác nhau. Ví dụ tay người, cánh dơi, vây cá voi và chân ngựa đều có cùng một bố cục xương. Đây là bằng chứng cho thấy các loài có chung tổ tiên.
Cơ quan tương tự là gì?
Cơ quan tương tự làm cùng một chức năng nhưng có nguồn gốc khác nhau. Cánh chim và cánh côn trùng đều để bay nhưng cấu tạo và nguồn gốc khác hẳn. Chúng là kết quả của tiến hoá hội tụ, khi các loài gặp cùng một kiểu môi trường.
Cánh dơi và cánh chim là tương đồng hay tương tự?
Cả hai, tuỳ cấp độ. Là chi trước thì tương đồng, vì cùng từ chân trước của tổ tiên bốn chân. Là cánh để bay thì tương tự, vì chim và dơi phát triển khả năng bay riêng rẽ.
Xương tai giữa của người có nguồn gốc từ đâu?
Hai trong ba xương nhỏ ở tai giữa, xương búa và xương đe, có nguồn gốc từ những xương ở khớp hàm của tổ tiên bò sát cổ. Hoá thạch và phôi học đều cho thấy quá trình chuyển đổi này. Xương còn lại, xương bàn đạp, có nguồn gốc xa hơn từ một xương liên quan tới khung mang ở cá.
Tương đồng sâu là gì?
Tương đồng sâu là khi những cơ quan rất khác nhau được điều khiển bởi cùng một gen cổ xưa thừa hưởng từ tổ tiên chung. Ví dụ, gen Pax6 của chuột khi đưa vào ruồi giấm vẫn kích hoạt được việc tạo mắt, dù mắt ruồi và mắt chuột khác nhau hoàn toàn về cấu trúc.