Thuyết tiến hoá trung tính do nhà di truyền học Nhật Bản Motoo Kimura đề xuất năm 1968 cho rằng phần lớn thay đổi trong ADN và protein qua thời gian là đột biến trung tính, tức không tốt cũng không xấu cho sinh vật, và chúng lan ra trong loài nhờ may rủi chứ không nhờ chọn lọc tự nhiên. Thuyết này không phủ nhận chọn lọc làm sinh vật thích nghi, mà nói rằng ở mức phân tử, ngẫu nhiên đóng vai trò lớn hơn người ta tưởng. Nó gây tranh cãi mạnh suốt nhiều thập kỷ và nay là một trong những công cụ nền của sinh học phân tử.
Motoo Kimura là ai
Kimura sinh năm 1924 ở Okazaki, tỉnh Aichi, Nhật Bản, mất năm 1994. Thời trẻ ông mê thực vật, học ngành thực vật học ở Đại học Hoàng gia Kyoto, rồi chuyển hướng sang di truyền học quần thể vì thích dùng toán để nghiên cứu sinh học. Ông làm việc gần như cả đời tại Viện Di truyền học Quốc gia ở Mishima, tỉnh Shizuoka, nơi nhìn ra núi Phú Sĩ.
Năm 1953, Kimura sang Mỹ học tiếp, rồi lấy bằng tiến sĩ ở Đại học Wisconsin, làm việc cùng James Crow, người về sau là cộng sự thân thiết suốt nhiều năm. Ông tìm đến các công trình của Sewall Wright về trôi dạt di truyền và phát triển thêm bằng công cụ toán học từ vật lý, đặc biệt là phương trình khuếch tán, để mô tả cách tần số một gen trôi nổi ngẫu nhiên theo thời gian.
Câu đố về tốc độ tiến hoá phân tử
Những năm 1960, kỹ thuật giải trình tự protein cho phép so sánh cùng một protein, ví dụ hemoglobin hay cytochrome c, giữa các loài. Hai phát hiện khiến các nhà sinh học bất ngờ.
Đồng hồ phân tử
Emile Zuckerkandl và Linus Pauling nhận thấy số khác biệt axit amin giữa hai loài tỉ lệ khá đều với thời gian kể từ khi chúng tách nhánh, theo hoá thạch. Protein dường như đổi với tốc độ gần như hằng định, như một chiếc đồng hồ. Nếu chọn lọc tự nhiên điều khiển mọi thay đổi, khó hiểu vì sao tốc độ lại đều đặn như vậy, vì môi trường của mỗi loài biến động rất khác nhau.
Quá nhiều biến dị
Năm 1966, các nhóm nghiên cứu ở Mỹ và Anh dùng kỹ thuật điện di protein, phát hiện các quần thể ruồi giấm và người chứa rất nhiều biến thể protein khác nhau. Nếu mỗi biến thể đều được chọn lọc giữ lại, gánh nặng chọn lọc lên loài sẽ quá lớn. Kimura tính toán và cho rằng tốc độ thay thế axit amin mà người ta đo được, nếu đều do chọn lọc, sẽ đòi hỏi một cái giá sinh sản không loài nào chịu nổi.
Đề xuất năm 1968
Năm 1968, Kimura đăng trên tạp chí Nature bài báo đề xuất rằng phần lớn các thay thế phân tử là trung tính. Năm 1969, Jack King và Thomas Jukes ở Mỹ độc lập công bố ý tưởng tương tự trên tạp chí Science, với nhan đề gây chú ý "Tiến hoá không theo Darwin". Kimura thì cẩn thận hơn trong cách gọi, luôn nhấn mạnh rằng thuyết của ông nói về mức phân tử, không phủ nhận chọn lọc ở mức hình thái.
Lý lẽ cốt lõi, giải thích dễ hiểu
Hình dung một quần thể có N cá thể. Mỗi cá thể mang hai bản sao của mỗi gen, nên có 2N bản sao trong quần thể. Một đột biến trung tính mới xuất hiện chỉ là một bản trong số đó. Do may rủi trong sinh sản, nó có thể mất đi, hoặc hiếm hoi hơn, lan ra cho tới khi thay thế mọi bản khác. Xác suất nó thắng cuộc bằng đúng 1 chia 2N.
Mỗi thế hệ, số đột biến trung tính mới xuất hiện trong quần thể tỉ lệ với 2N nhân tốc độ đột biến. Nhân hai con số với nhau, N bị triệt tiêu. Kết quả rất gọn: tốc độ thay thế trung tính bằng tốc độ đột biến, không phụ thuộc kích thước quần thể. Đó là lý do đồng hồ phân tử chạy đều.
Dự đoán và bằng chứng
Thuyết trung tính đưa ra những dự đoán kiểm được. Nếu thay đổi chủ yếu là trung tính, thì những vị trí ít quan trọng cho chức năng sẽ đổi nhanh hơn những vị trí quan trọng, vì đột biến ở chỗ quan trọng thường có hại và bị loại.
| Vùng ADN hoặc protein | Ràng buộc chức năng | Tốc độ thay đổi quan sát được |
|---|---|---|
| Gen giả (bản sao gen đã hỏng, không còn dùng) | Gần như không | Nhanh nhất |
| Vị trí đồng nghĩa trong gen (đổi chữ nhưng vẫn ra cùng axit amin) | Rất ít | Nhanh |
| Phần nối của insulin bị cắt bỏ khi hoàn thiện | Ít | Nhanh hơn phần chính của insulin |
| Histone H4 (protein cuộn ADN) | Rất chặt | Gần như không đổi qua hàng trăm triệu năm |
Những quan sát này khớp với thuyết trung tính. Điều thú vị là nó đảo ngược trực giác: theo chọn lọc thuần tuý, người ta có thể nghĩ phần quan trọng sẽ tiến hoá nhanh nhất. Thực tế thì phần quan trọng lại được giữ nguyên nhất.
Năm 1983, Kimura viết cuốn The Neutral Theory of Molecular Evolution tổng kết lý thuyết và bằng chứng. Năm 1992, Hội Hoàng gia Anh trao ông Huân chương Darwin.
Cuộc tranh luận trung tính và chọn lọc
Thập niên 1970 và 1980 chứng kiến cuộc đấu khá căng giữa phe trung tính và phe chọn lọc. Phe chọn lọc cho rằng nhiều biến thể có tác dụng nhỏ mà ta chưa đo được. Phe trung tính đáp rằng muốn chứng minh chọn lọc thì phải đưa bằng chứng, còn trung tính nên là giả thuyết mặc định.
Cuộc tranh luận dẫn tới những công cụ thống kê mới. Năm 1991, John McDonald và Martin Kreitman đề xuất một phép kiểm so sánh tỉ lệ thay đổi đồng nghĩa và không đồng nghĩa trong loài và giữa các loài. Nếu thay đổi không đồng nghĩa giữa loài nhiều hơn mức thuyết trung tính dự đoán, đó là dấu hiệu chọn lọc thích nghi. Chính nhờ có một "đường nền trung tính" mà người ta phát hiện được những gen chịu chọn lọc mạnh.
Thuyết gần trung tính của Ohta
Tomoko Ohta, học trò và đồng nghiệp của Kimura ở Mishima, đề xuất năm 1973 rằng nhiều đột biến không hẳn trung tính mà hơi có hại một chút. Trong quần thể lớn, chọn lọc đủ mạnh để loại chúng. Trong quần thể nhỏ, may rủi lấn át chọn lọc, nên chúng hành xử như trung tính. Ý tưởng này giúp giải thích vì sao tốc độ đồng hồ phân tử khác nhau phần nào giữa các nhóm sinh vật. Ohta nhận nhiều giải thưởng lớn và được xem là một trong những nhà di truyền học nữ hàng đầu thế giới.
Hiểu nhầm hay gặp
- "Thuyết trung tính bác bỏ Darwin": không đúng. Kimura khẳng định chọn lọc tự nhiên vẫn là lực tạo ra thích nghi như cánh, mắt, chân. Thuyết của ông nói về phần lớn thay đổi ở ADN, mà phần lớn trong số đó không ảnh hưởng gì đến hình dạng.
- "Trung tính nghĩa là vô dụng": không đúng. Trung tính nghĩa là các biến thể có giá trị như nhau, không có nghĩa là gen đó vô dụng.
- "Đồng hồ phân tử chạy chính xác tuyệt đối": không đúng. Tốc độ dao động theo nhóm sinh vật, thời gian thế hệ, kích thước quần thể; phải hiệu chỉnh bằng hoá thạch.
Góc nhìn hôm nay
Thuyết trung tính là nền cho nhiều việc hằng ngày của sinh học: ước tính thời điểm người và tinh tinh tách nhánh, dựng cây họ hàng giữa các loài, theo dõi đường lây của virus dựa trên những thay đổi nhỏ trong bộ gen. Khi các nhà khoa học tìm dấu chọn lọc trong bộ gen người, ví dụ gen giúp tiêu hoá sữa khi trưởng thành hay gen thích nghi với độ cao, họ dùng thuyết trung tính làm thước đo nền.
Câu chuyện của Kimura cũng cho thấy giá trị của toán học trong sinh học. Ông thuyết phục được giới khoa học bằng phương trình và bằng dữ liệu, không bằng hình ảnh đẹp.
Muốn tìm hiểu thêm:
- Tìm hiểu về cytochrome c và cách so sánh trình tự giữa các loài, có trong nhiều tài liệu sinh học phổ thông nâng cao.
- Thử mô phỏng trôi dạt bằng cách tung đồng xu: chọn mười "cá thể", mỗi thế hệ rút ngẫu nhiên để thay, xem một biến thể mất đi hay thắng thế sau bao nhiêu lượt.
- Đọc các bài tổng quan về đồng hồ phân tử, chú ý cách người ta hiệu chỉnh bằng hoá thạch.
Câu hỏi thường gặp
Thuyết tiến hoá trung tính là gì?
Đó là thuyết của Motoo Kimura, đề xuất năm 1968, cho rằng phần lớn thay đổi trong ADN và protein giữa các loài là đột biến trung tính lan ra nhờ may rủi. Chọn lọc tự nhiên vẫn tạo ra thích nghi, nhưng không điều khiển phần lớn thay đổi phân tử.
Motoo Kimura là ai?
Kimura là nhà di truyền học quần thể người Nhật (1924–1994), làm việc tại Viện Di truyền học Quốc gia ở Mishima. Ông nổi tiếng với thuyết trung tính và các mô hình toán học về trôi dạt di truyền.
Đột biến trung tính là gì?
Đột biến trung tính là đột biến không làm tăng hay giảm khả năng sống sót và sinh sản của sinh vật. Ví dụ hay gặp là đột biến đồng nghĩa, đổi một chữ trong gen nhưng vẫn mã hoá cùng một axit amin.
Thuyết trung tính có mâu thuẫn với Darwin không?
Không mâu thuẫn ở điểm cốt lõi. Darwin giải thích thích nghi bằng chọn lọc tự nhiên, Kimura giải thích phần lớn thay đổi phân tử không ảnh hưởng tới thích nghi. Hai thuyết bổ sung cho nhau và cùng nằm trong sinh học tiến hoá hiện đại.
Đồng hồ phân tử là gì?
Đồng hồ phân tử là ý tưởng dùng số khác biệt trong ADN hoặc protein giữa hai loài để ước tính thời điểm chúng tách nhánh. Nó hoạt động được vì thay đổi trung tính tích luỹ với tốc độ tương đối đều, nhưng phải được hiệu chỉnh bằng hoá thạch.