Đột biến không phải lúc nào cũng có hại. Phần lớn đột biến trong bộ gen gần như không gây ảnh hưởng gì, một phần có hại, và một phần rất nhỏ có lợi trong môi trường cụ thể. Chính phần nhỏ có lợi ấy, cộng với chọn lọc tự nhiên qua rất nhiều thế hệ, là nguyên liệu của tiến hoá.
Lý do nhiều người nghĩ đột biến là xấu khá dễ hiểu: chữ này hay đi kèm tin tức về bệnh di truyền, phóng xạ, ung thư, hay quái vật trong phim. Nhưng nhìn vào từng con số và từng cơ chế thì bức tranh khác hẳn.
Đột biến là gì, nói ngắn gọn
ADN là một chuỗi rất dài gồm bốn loại "chữ" A, T, G, C. Mỗi lần tế bào phân chia, nó phải chép lại toàn bộ chuỗi ấy. Bộ máy sao chép cực kỳ chính xác và còn có khâu tự soát lỗi, nhưng không hoàn hảo. Thỉnh thoảng một chữ bị chép sai, bị mất, bị thêm, hoặc cả một đoạn bị lặp, bị đảo. Tia tử ngoại, một số hoá chất và phóng xạ cũng có thể làm hỏng ADN. Bất kỳ thay đổi nào trong trình tự ADN như vậy đều gọi là đột biến.
Để có cảm giác về tần số: các nghiên cứu giải trình tự gen của bố mẹ và con cho thấy mỗi người sinh ra mang thêm khoảng vài chục chữ mới không có trong ADN của bố hay mẹ. Bộ gen người dài khoảng 3 tỉ cặp chữ, nên vài chục chữ đổi khác là con số rất nhỏ, nhưng nó nghĩa là ai trong chúng ta cũng là "người đột biến".
Một điểm hay bị bỏ qua: chỉ đột biến trong tế bào sinh trứng hoặc tinh trùng mới truyền được cho con. Đột biến ở tế bào da hay tế bào gan chỉ ảnh hưởng người đó, không đi vào tiến hoá của loài.
Ba nhóm hậu quả: trung tính, có hại, có lợi
| Nhóm | Chiếm bao nhiêu | Vì sao | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Gần như trung tính | Phần lớn | Rơi vào vùng ADN ít chức năng, hoặc đổi chữ mà protein vẫn y nguyên | Đổi chữ cuối ở nhiều bộ ba mã hoá |
| Có hại | Một phần đáng kể trong số đột biến rơi vào gen quan trọng | Làm hỏng protein đang hoạt động tốt | Nhiều bệnh di truyền hiếm |
| Có lợi | Rất ít | Tình cờ giúp sống sót hoặc sinh sản tốt hơn trong môi trường lúc đó | Kháng thuốc ở vi khuẩn, tiêu hoá sữa khi trưởng thành ở người |
Tỉ lệ chính xác của từng nhóm khác nhau giữa các loài và vẫn đang được đo đạc, nên các nhà khoa học thường chỉ nói theo thứ tự lớn nhỏ như trên chứ không đưa ra một con số chung.
Vì sao phần lớn đột biến không gây gì
Phần lớn bộ gen không phải là "công thức protein"
Ở người, phần ADN trực tiếp mã hoá protein chỉ chiếm khoảng 1–2% bộ gen. Phần còn lại gồm vùng điều khiển bật tắt gen, các đoạn lặp, dấu vết của virus cổ chèn vào từ lâu, và nhiều vùng mà chức năng còn đang tranh luận. Đột biến rơi vào những vùng ít quan trọng thì thường không để lại hậu quả nào thấy được.
Mã di truyền có "chữ dự phòng"
Protein được viết bằng các bộ ba chữ, mỗi bộ ba chỉ định một axit amin. Có 64 bộ ba nhưng chỉ khoảng 20 axit amin, nên nhiều axit amin có vài bộ ba khác nhau cùng chỉ định. Đổi chữ thứ ba trong bộ ba thường vẫn ra đúng axit amin cũ. Giống như viết "Hà Nội" thành "Hà Nôi" trong một tin nhắn: người đọc vẫn hiểu.
Mỗi người có hai bản
Phần lớn gen của người có hai bản, một từ bố một từ mẹ. Nếu một bản hỏng, bản kia nhiều khi vẫn đủ làm việc. Đây là lý do nhiều bệnh di truyền chỉ biểu hiện khi một người nhận hai bản hỏng cùng lúc, và vì sao kết hôn cận huyết làm tăng nguy cơ: họ hàng gần dễ mang cùng một bản hỏng.
Khi đột biến có hại
Một protein làm việc tốt là kết quả của rất nhiều thế hệ chọn lọc. Đổi ngẫu nhiên một chi tiết của nó cũng giống như mở một chiếc đồng hồ đang chạy và vặn bừa một bánh răng: khả năng làm hỏng cao hơn nhiều so với khả năng làm nó chạy tốt hơn.
Vì vậy, trong số đột biến thật sự đổi được protein, phần lớn là có hại ở mức nào đó, từ nhẹ tới rất nặng. Chọn lọc tự nhiên làm nhiệm vụ "dọn dẹp": người mang đột biến nặng thường để lại ít con hơn, nên tần số của chúng giữ ở mức thấp. Các nhà di truyền gọi đây là chọn lọc thanh lọc. Đây cũng là lý do những vùng ADN quan trọng nhất, như gen tạo ribosome, gần như giống hệt nhau ở người, chuột và cả nấm men.
Khi đột biến có lợi
Có lợi là có lợi ở đâu
Không có đột biến "tốt" chung chung. Một thay đổi chỉ có lợi hay hại so với một môi trường cụ thể. Gen giúp vi khuẩn chịu được kháng sinh là vô dụng, thậm chí hơi tốn sức, khi không có kháng sinh. Nhưng khi người bệnh uống thuốc, nó là tấm vé sống sót duy nhất.
Vài ví dụ đã được nghiên cứu kỹ
- Tiêu hoá sữa khi trưởng thành: ở phần lớn động vật có vú, gen làm enzyme tiêu hoá đường sữa tắt sau khi cai sữa. Ở một số cộng đồng có truyền thống chăn nuôi lấy sữa lâu đời, những thay đổi nhỏ ở vùng điều khiển gen giữ cho nó bật suốt đời. Các thay đổi này xuất hiện độc lập ở vài vùng khác nhau trên thế giới.
- Gen EPAS1 ở người Tây Tạng: một biến thể giúp cơ thể không tăng hồng cầu quá mức khi sống ở độ cao lớn.
- Muỗi kháng thuốc diệt côn trùng: những đột biến làm thay đổi chỗ thuốc bám vào thần kinh muỗi, lan nhanh ở nơi phun thuốc nhiều.
Có lợi mà vẫn có giá
Nhiều đột biến có lợi đi kèm một cái giá. Ví dụ nổi tiếng nhất là gen hồng cầu liềm: mang một bản giúp chống chịu sốt rét tốt hơn, nhưng mang hai bản thì gây bệnh nặng. Tiến hoá không hướng tới hoàn hảo, nó chỉ cân đo lợi và hại trong môi trường đang có.
Đột biến có "biết" sinh vật cần gì không
Câu hỏi của thập niên 1940
Khi cho vi khuẩn tiếp xúc với virus diệt khuẩn, vài con sống sót và sinh ra cả dòng kháng virus. Câu hỏi đặt ra: virus làm cho vi khuẩn đột biến để kháng, hay những con đột biến kháng virus đã có sẵn từ trước, virus chỉ lọc ra?
Năm 1943, Salvador Luria và Max Delbrück công bố một thí nghiệm trả lời câu đó. Họ nuôi nhiều ống vi khuẩn nhỏ riêng biệt, rồi đổ từng ống lên đĩa có virus và đếm số khuẩn lạc sống sót.
Nếu virus gây ra đột biến, mỗi ống sẽ cho số sống sót gần giống nhau, chỉ dao động nhẹ. Nhưng kết quả thì dao động dữ dội: nhiều ống gần như không có con nào, vài ống lại có rất nhiều. Cách giải thích hợp lý là đột biến xảy ra ngẫu nhiên trong lúc vi khuẩn sinh sôi, trước khi gặp virus. Ống nào có đột biến xảy ra sớm thì con cháu của nó đông, ống nào xảy ra muộn hoặc không xảy ra thì ít. Công trình này góp phần giúp Luria và Delbrück nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1969, cùng Alfred Hershey.
Ngẫu nhiên, nhưng không đều
Ngày nay ta biết đột biến không hoàn toàn đều khắp: có vùng ADN dễ đột biến hơn, và khi tế bào bị căng thẳng, một số vi khuẩn bật chế độ sao chép kém chính xác, làm tỉ lệ đột biến chung tăng lên. Nhưng "ngẫu nhiên" trong tiến hoá có nghĩa cụ thể: đột biến không được nhắm tới đúng chỗ sinh vật đang cần. Chọn lọc mới là phần không ngẫu nhiên.
Góc nhìn hôm nay: đột biến trong đời sống
Hiểu đúng đột biến giúp đọc tin tức tỉnh táo hơn. Một biến thể virus mới không tự nhiên "khôn" hơn, nó chỉ là một trong vô số bản sao chép lỗi, tình cờ lan nhanh hơn những bản khác. Giống cây trồng được tạo bằng gây đột biến cũng không phải "cây quái vật": người ta tạo ra rất nhiều cây đột biến rồi chọn ra số ít có đặc điểm mong muốn, đúng kiểu đột biến cộng với chọn lọc.
Với cơ thể mình, lời khuyên đơn giản vẫn là giảm những thứ đã biết làm tăng tổn thương ADN: che nắng gắt, không hút thuốc, tránh hoá chất độc hại không cần thiết. Những điều này không nhằm "ngăn tiến hoá", mà để giảm đột biến ở tế bào cơ thể, thứ có thể dẫn tới ung thư.
Muốn đọc thêm, cuốn Gen: Lịch sử và tương lai của nhân loại của Siddhartha Mukherjee có bản dịch tiếng Việt, kể dễ hiểu từ Mendel tới giải trình tự gen.
Câu hỏi thường gặp
Đột biến có lợi không?
Có, nhưng hiếm. Phần lớn đột biến gần như trung tính, một phần có hại, chỉ một phần nhỏ có lợi trong môi trường cụ thể. Ví dụ là các biến thể giúp người trưởng thành tiêu hoá sữa, hay giúp vi khuẩn chịu được kháng sinh.
Vì sao phần lớn đột biến không gây hại?
Vì phần lớn bộ gen không trực tiếp mã hoá protein, mã di truyền có nhiều bộ ba cùng chỉ định một axit amin, và phần lớn gen có hai bản. Nhiều thay đổi vì thế không làm đổi gì ở cơ thể.
Mỗi người mang bao nhiêu đột biến mới?
Các nghiên cứu so sánh ADN bố mẹ và con cho thấy mỗi người sinh ra có thêm khoảng vài chục thay đổi chữ mới. So với khoảng 3 tỉ cặp chữ trong bộ gen, con số này rất nhỏ, và phần lớn rơi vào vùng không gây ảnh hưởng.
Thí nghiệm Luria – Delbrück chứng minh điều gì?
Thí nghiệm năm 1943 cho thấy đột biến kháng virus ở vi khuẩn xảy ra ngẫu nhiên từ trước khi gặp virus, chứ không do virus gây ra. Virus chỉ đóng vai bộ lọc, giữ lại những con đã mang sẵn đột biến. Đây là bằng chứng quan trọng cho quan điểm đột biến không nhắm theo nhu cầu.
Đột biến và biến dị khác nhau thế nào?
Đột biến là thay đổi trong trình tự ADN. Biến dị là sự khác nhau giữa các cá thể, có thể do đột biến, do tổ hợp lại gen khi sinh sản hữu tính, hoặc do môi trường. Đột biến là nguồn gốc sâu xa của mọi biến dị di truyền.