Trôi dạt di truyền là sự thay đổi tần số gen trong quần thể do may rủi thuần tuý, không phải vì gen đó tốt hay xấu. Mỗi thế hệ, con cái chỉ nhận một "mẫu ngẫu nhiên" gen của bố mẹ, nên tỉ lệ các biến thể cứ lệch lên lệch xuống. Quần thể càng nhỏ, những lần lệch đó càng mạnh, có khi làm một biến thể biến mất hẳn hoặc chiếm toàn bộ chỉ sau vài chục thế hệ.
Chọn lọc tự nhiên là phần có hướng của tiến hoá. Trôi dạt là phần không có hướng. Hai lực này luôn chạy song song, và trong quần thể nhỏ thì nhiều khi trôi dạt mạnh hơn.
Hình dung bằng một lọ bi
Cho vào lọ 50 viên bi đỏ và 50 viên bi xanh. Nhắm mắt bốc ra 10 viên. Gần như chắc chắn bạn không được đúng 5 đỏ 5 xanh mỗi lần. Có lần 6 đỏ 4 xanh, có lần 3 đỏ 7 xanh.
Bây giờ coi 10 viên vừa bốc là "thế hệ con". Đổ vào một lọ mới, nhân mỗi viên lên 10 lần để lọ lại có 100 viên, nhưng giữ đúng tỉ lệ vừa bốc. Rồi lại bốc 10 viên. Cứ thế lặp lại.
Sau vài chục vòng, rất thường xảy ra chuyện một màu biến mất hẳn. Khi lọ chỉ còn toàn đỏ, không có cách nào bốc ra viên xanh nữa. Các nhà di truyền gọi trạng thái đó là màu đỏ đã được cố định, còn màu xanh đã bị mất.
Không viên bi nào "tốt" hơn viên nào. Đỏ thắng chỉ vì may. Đó chính là trôi dạt di truyền.
Làm thử với ít bi và nhiều bi
Nếu mỗi vòng bốc 100 viên thay vì 10, tỉ lệ sẽ dao động ít hơn nhiều và phải rất lâu mới có màu nào mất. Đây là quy luật trung tâm: quần thể càng nhỏ, trôi dạt càng mạnh. Cùng lý do khi tung đồng xu 10 lần, ra 7 sấp 3 ngửa là chuyện thường, nhưng tung 1.000 lần mà ra 700 sấp thì gần như không thể.
Trôi dạt trong sinh vật thật
Ở sinh vật sinh sản hữu tính, mỗi cá thể mang hai bản của phần lớn gen, nhưng mỗi trứng hoặc tinh trùng chỉ mang một bản, chọn ngẫu nhiên. Rồi trong hàng triệu tinh trùng, chỉ vài cái thụ tinh. Rồi trong nhiều con non, chỉ vài con sống tới tuổi sinh sản, nhiều khi vì những lý do không liên quan gì tới gen: một trận lũ, một cành cây gãy, một con diều hâu tình cờ bay qua.
Mỗi bước đều là một lần "bốc bi". Cộng lại qua nhiều thế hệ, tần số gen trôi đi.
Thí nghiệm ruồi giấm của Peter Buri
Năm 1956, nhà di truyền Peter Buri công bố một thí nghiệm nay đã thành kinh điển. Ông nuôi hơn một trăm quần thể ruồi giấm tách biệt. Mỗi thế hệ, ông chỉ chọn ngẫu nhiên 8 con đực và 8 con cái để sinh sản tiếp. Ban đầu, mọi quần thể đều có đúng một nửa số bản gen là một biến thể ảnh hưởng màu mắt, nửa kia là biến thể khác.
Sau 19 thế hệ, các quần thể khác nhau hoàn toàn: có lọ biến thể này chiếm gần hết, có lọ biến thể kia chiếm gần hết, và một phần lớn số lọ đã mất hẳn một trong hai biến thể. Cùng điểm xuất phát, cùng điều kiện nuôi, chỉ khác may rủi, mà kết cục toả đi mọi hướng. Biểu đồ kết quả của ông vẫn được in lại trong nhiều giáo trình di truyền học quần thể.
Trôi dạt khác chọn lọc tự nhiên thế nào
| Chọn lọc tự nhiên | Trôi dạt di truyền | |
|---|---|---|
| Nguyên nhân | Biến thể giúp sống sót, sinh sản tốt hơn | May rủi trong sinh sản và sống sót |
| Có hướng không | Có, theo môi trường | Không, lên xuống ngẫu nhiên |
| Mạnh nhất khi | Khác biệt về lợi ích lớn | Quần thể nhỏ |
| Có tạo thích nghi không | Có | Không, chỉ làm thay đổi tần số |
| Ảnh hưởng tới gen có hại | Đẩy chúng xuống | Có thể vô tình đẩy chúng lên |
Dòng cuối là điểm quan trọng. Trong quần thể nhỏ, may rủi có thể lấn át chọn lọc. Một biến thể hơi có hại vẫn có thể lan ra, một biến thể hơi có lợi vẫn có thể biến mất. Chọn lọc chỉ "nắm quyền" khi lợi ích của biến thể đủ lớn so với độ ồn của may rủi, và độ ồn đó tỉ lệ nghịch với kích thước quần thể.
Trôi dạt và thuyết trung tính
Vào cuối thập niên 1960, nhà di truyền Nhật Bản Motoo Kimura đưa ra một ý tưởng gây tranh cãi lớn: ở mức phân tử, phần lớn các khác biệt ADN giữa các loài là những thay đổi gần như trung tính, được cố định bởi trôi dạt chứ không phải chọn lọc. Đây là thuyết tiến hoá trung tính.
Ngày nay, phần lớn các nhà sinh học chấp nhận rằng trôi dạt đóng vai trò rất lớn ở mức ADN, đặc biệt ở những vùng ADN ít chức năng. Mức độ chính xác thì vẫn còn tranh luận, nhất là ở những loài có quần thể khổng lồ như vi khuẩn, nơi chọn lọc dễ "nhìn thấy" cả những lợi ích rất nhỏ.
Ý tưởng này có một ứng dụng bất ngờ: vì các thay đổi trung tính tích tụ với tốc độ tương đối đều, người ta có thể dùng số khác biệt ADN giữa hai loài để ước tính chúng tách nhau từ bao giờ. Đó là ý tưởng "đồng hồ phân tử", dù đồng hồ này chạy không thật đều và phải hiệu chỉnh bằng hoá thạch.
Vì sao trôi dạt quan trọng với bảo tồn
Với loài sắp tuyệt chủng, trôi dạt là kẻ thù thầm lặng. Khi chỉ còn vài chục cá thể, mỗi thế hệ lại mất thêm vài biến thể gen do may rủi. Quần thể dần trở nên đồng đều về gen, kém khả năng thích nghi khi gặp dịch bệnh hay khí hậu thay đổi. Cùng lúc đó, giao phối cận huyết tăng lên, làm lộ ra các gen lặn có hại.
Vì thế, các chương trình bảo tồn không chỉ đếm số cá thể. Họ theo dõi cả sự đa dạng gen, và đôi khi chủ động chuyển cá thể giữa các quần thể bị chia cắt để "trộn lại lọ bi". Ở Việt Nam, các khu rừng bị chia cắt thành từng mảng nhỏ đặt các loài như voọc, vượn, sao la vào đúng tình huống này: mỗi mảnh rừng như một lọ bi nhỏ, trôi dạt riêng. Hành lang đa dạng sinh học nối các khu rừng với nhau chính là cách giảm bớt tác động đó.
Những hiểu lầm hay gặp
"Trôi dạt di truyền là trôi dạt lục địa"
Hai chuyện khác hẳn. Trôi dạt lục địa là các mảng đá của Trái Đất di chuyển. Trôi dạt di truyền là tần số gen thay đổi do may rủi. Chúng chỉ trùng nhau ở chữ "trôi dạt".
"Trôi dạt chỉ quan trọng với quần thể rất nhỏ"
Nó mạnh nhất ở quần thể nhỏ, nhưng ở quần thể lớn nó vẫn diễn ra, chỉ chậm hơn. Qua hàng triệu năm, nó vẫn cố định được rất nhiều thay đổi trung tính. Hơn nữa, "nhỏ" ở đây là số cá thể thật sự sinh sản, thường ít hơn nhiều so với số cá thể đếm được. Một đàn hải cẩu vài nghìn con mà chỉ vài chục con đực giành được quyền giao phối thì về mặt di truyền, nó nhỏ hơn vẻ ngoài rất nhiều.
"May rủi không thể tạo ra gì"
Trôi dạt không tạo ra thích nghi, nhưng nó có thể làm hai quần thể bị tách ra ngày càng khác nhau, góp phần vào việc hình thành loài mới. Nhiều khác biệt giữa các quần thể trên các đảo nhỏ có thể chỉ do trôi dạt, không cần giải thích bằng lợi ích nào.
Tự làm và đọc thêm
Thí nghiệm lọ bi có thể làm ngay với đậu đen, đậu trắng hoặc kẹo hai màu. Chia lớp thành nhiều nhóm, mỗi nhóm một lọ, cùng xuất phát 50–50, bốc 10 viên mỗi vòng, ghi tỉ lệ vào bảng. Sau 15–20 vòng, đặt kết quả các nhóm cạnh nhau: bạn sẽ thấy đúng hình ảnh "toả đi mọi hướng" như thí nghiệm ruồi giấm của Buri.
Ai thích lập trình có thể viết vài dòng mô phỏng với bảng tính hoặc Python: chạy với quần thể 10, 100, 1.000 cá thể và so thời gian để một biến thể bị cố định. Phần di truyền học quần thể trong sách Sinh học lớp 12 cũng có nhắc tới các yếu tố ngẫu nhiên làm thay đổi tần số alen.
Câu hỏi thường gặp
Trôi dạt di truyền là gì?
Trôi dạt di truyền là sự thay đổi tần số gen trong quần thể do may rủi, không phải do gen đó có lợi hay có hại. Nó xảy ra vì mỗi thế hệ chỉ là một mẫu ngẫu nhiên của thế hệ trước. Ở quần thể nhỏ, trôi dạt có thể làm một biến thể biến mất hoặc chiếm toàn bộ khá nhanh.
Trôi dạt di truyền khác chọn lọc tự nhiên thế nào?
Chọn lọc tự nhiên có hướng: nó ưu ái biến thể giúp sống sót và sinh sản tốt hơn. Trôi dạt không có hướng, tần số gen lên xuống ngẫu nhiên. Chọn lọc tạo ra thích nghi, trôi dạt thì không.
Vì sao quần thể nhỏ trôi dạt mạnh hơn?
Vì mẫu càng nhỏ thì càng dễ lệch khỏi tỉ lệ ban đầu, giống như tung đồng xu 10 lần dễ ra kết quả lệch hơn tung 1.000 lần. Quần thể vài chục cá thể có thể mất một biến thể gen chỉ sau vài chục thế hệ.
Ví dụ về trôi dạt di truyền?
Thí nghiệm ruồi giấm của Peter Buri năm 1956 là ví dụ kinh điển: hơn một trăm quần thể nhỏ cùng xuất phát giống nhau nhưng sau 19 thế hệ đã khác nhau hoàn toàn. Trong tự nhiên, hiệu ứng cổ chai và hiệu ứng người sáng lập là các trường hợp trôi dạt đặc biệt mạnh.
Trôi dạt di truyền có hại cho loài quý hiếm không?
Có. Khi quần thể còn rất ít cá thể, trôi dạt làm mất dần đa dạng gen, khiến loài kém thích nghi với dịch bệnh hay thay đổi môi trường. Vì vậy công tác bảo tồn thường cố nối các quần thể bị chia cắt để gen được trộn lại.