Cơ chế tiến hóa

Tiến hóa là sự thay đổi các đặc điểm di truyền của quần thể qua các thế hệ, được thúc đẩy bởi một nhóm nhỏ các quá trình: chọn lọc tự nhiên, trôi dạt di truyền, đột biến, dòng gen và tái tổ hợp.

Definition

Các cơ chế tiến hóa là các quá trình ở cấp độ quần thể làm thay đổi thành phần di truyền của quần thể giữa các thế hệ. Chúng cùng nhau giải thích cả sự thay đổi thích nghi (do chọn lọc thúc đẩy) và sự thay đổi không thích nghi (do trôi dạt, áp lực đột biến và di cư thúc đẩy).

Scope

Lĩnh vực này bao gồm các lực lượng cốt lõi làm thay đổi tần số alen và kiểu gen trong quần thể theo thời gian. Nó coi chọn lọc tự nhiên là quá trình duy nhất tạo ra sự thích nghi một cách có hệ thống, cùng với quá trình ngẫu nhiên của trôi dạt di truyền, sự xuất hiện của biến dị mới thông qua đột biến, hiệu ứng pha trộn của dòng gen và tái tổ hợp, cũng như các khái niệm về độ thích nghi (fitness) và sự thích nghi (adaptation) liên kết chúng lại với nhau.

Sub-topics

• Adaptation and Fitness
• Genetic Drift and Gene Flow
• Mutation and Variation
• Natural Selection

Core questions

• Những quá trình nào làm thay đổi tần số alen trong một quần thể, và quá trình nào trong số đó tạo ra sự thích nghi?
• Các lực lượng xác định (chọn lọc) và các lực lượng ngẫu nhiên (trôi dạt) tương tác như thế nào trong các quần thể hữu hạn?
• Nguồn gốc cuối cùng của biến dị di truyền mà tiến hóa tác động là gì?
• Độ thích nghi được định nghĩa và đo lường như thế nào, và nó kết nối kiểu gen với thành công tiến hóa như thế nào?

Key theories

Chọn lọc tự nhiên

Các biến thể di truyền giúp cải thiện sự sống sót và sinh sản sẽ tăng tần số, tạo ra sự thích nghi; đây là cơ chế duy nhất liên tục xây dựng sự phù hợp của sinh vật với môi trường.

Trôi dạt di truyền và lý thuyết gần trung tính

Trong các quần thể hữu hạn, tần số alen thay đổi do lấy mẫu ngẫu nhiên; nhiều sự thay thế là trung tính về mặt chọn lọc hoặc gần như vậy, với kích thước quần thể hiệu dụng quyết định liệu trôi dạt hay chọn lọc chi phối số phận của một biến thể.

Mechanisms

Tần số alen được định hình lại mỗi thế hệ bởi bốn lực. Chọn lọc tự nhiên thay đổi tần số một cách có xác định theo sự khác biệt về độ thích nghi giữa các kiểu gen. Trôi dạt di truyền thay đổi chúng một cách ngẫu nhiên thông qua việc lấy mẫu ngẫu nhiên các giao tử, với phương sai tỷ lệ nghịch với kích thước quần thể hiệu dụng. Đột biến đưa các alen mới vào với tốc độ thấp trên mỗi locus và cung cấp nguyên liệu thô cuối cùng. Dòng gen làm đồng nhất các quần thể bằng cách trao đổi các cá thể di cư. Tái tổ hợp sắp xếp lại các alen hiện có thành các tổ hợp mới. Sức mạnh tương đối của chọn lọc so với trôi dạt trên một alen nhất định phụ thuộc vào tích của hệ số chọn lọc và kích thước quần thể hiệu dụng.

Clinical relevance

Hiểu biết về các cơ chế này là nền tảng cho các lĩnh vực ứng dụng từ quản lý kháng thuốc kháng sinh và thuốc trừ sâu đến di truyền học bảo tồn, nơi kích thước quần thể hiệu dụng nhỏ khiến trôi dạt và giao phối cận huyết trở nên quyết định đối với sự sống sót của các loài có nguy cơ tuyệt chủng.

History

Darwin và Wallace đã đề xuất chọn lọc tự nhiên vào năm 1858-1859, nhưng cơ chế di truyền vẫn chưa được biết đến. Sự tổng hợp hiện đại vào những năm 1930-1940, do Fisher, Wright và Haldane dẫn đầu, đã dung hòa di truyền học Mendel với chọn lọc thông qua di truyền học quần thể toán học. Từ những năm 1960, Kimura và Ohta đã lập luận rằng phần lớn sự tiến hóa phân tử được điều chỉnh bởi trôi dạt tác động lên các đột biến trung tính hoặc gần như trung tính, mở rộng bức tranh vượt ra ngoài chỉ chọn lọc.

Debates

Chọn lọc so với trôi dạt trong tiến hóa phân tử

Các lý thuyết trung tính và gần trung tính cho rằng phần lớn biến dị và thay thế phân tử được điều chỉnh bởi trôi dạt hơn là chọn lọc dương tính; mức độ tiến hóa phân tử thích nghi vẫn đang được tranh luận và kiểm tra tích cực bằng dữ liệu bộ gen.

Key figures

• Charles Darwin
• Ronald A. Fisher
• Sewall Wright
• J. B. S. Haldane
• Motoo Kimura
• Tomoko Ohta

Seminal works

• futuyma2017
• ridley2004
• ohta1973

Frequently asked questions

Chọn lọc tự nhiên có phải là cơ chế duy nhất của tiến hóa không?

Không. Chọn lọc là quá trình duy nhất liên tục tạo ra sự thích nghi, nhưng trôi dạt di truyền, đột biến, dòng gen và tái tổ hợp cũng làm thay đổi quần thể và có thể thúc đẩy tiến hóa mà không tạo ra sự thích nghi.

Nguyên liệu thô cho tiến hóa là gì?

Đột biến là nguồn gốc cuối cùng của tất cả các biến dị di truyền mới; tái tổ hợp và dòng gen sắp xếp lại và phân phối lại biến dị đó nhưng không tạo ra các alen mới.