Cây phát sinh loài dựa trên hình thái có thể sai lầm như thế nào?

Mối quan hệ tiến hóa giữa nhiều loài sinh vật sống trên Trái Đất có ảnh hưởng lớn đến nhiều lĩnh vực trong sinh học và sinh thái học. Do đó, rất quan trọng để chúng ta lập bản đồ các mối quan hệ này một cách chính xác nhất có thể. Tuy nhiên, chúng ta không thể xác nhận chắc chắn liệu các cây phát sinh loài mà chúng ta xây dựng có đúng không – vì vậy các nhà khoa học vẫn còn tranh cãi về cách nên sắp xếp chúng.

Các nhà sinh học sử dụng hai loại dữ liệu để xác định mức độ liên quan giữa các sinh vật: hình thái và diện mạo, gọi chung là hình thái học, và DNA. Trong nhiều trường hợp, một cây phát sinh loài – hay còn gọi là phylogeny – sẽ phân nhánh khác nhau nếu nó được xây dựng dựa trên các tương đồng về hình thái so với dựa trên DNA. Khi điều này xảy ra, chúng ta nên chọn cây nào? Không có một cây chuẩn, và điều bất ngờ là chưa có nghiên cứu nào đánh giá hai cây xung đột bằng cách sử dụng một phương pháp đo độc lập thứ ba.

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Bath ở Anh đã cố gắng thay đổi điều này. Các nhà khoa học đã đánh giá các cây phát sinh loài dựa trên hình thái và phân tử, cho thấy các mối quan hệ khác nhau trong cùng một nhóm sinh vật. Họ đã sử dụng địa sinh học – sự phân bố địa lý của các loài – như một bài kiểm tra cho các cây này. Kết quả của họ, được công bố trên tạp chí Communications biology, cho thấy các cây phát sinh loài phân tử khớp với dữ liệu địa lý tốt hơn đáng kể so với các cây dựa trên hình thái. Kết quả này chứng minh tính hữu ích của việc sử dụng địa lý để xác thực xác định mối quan hệ tiến hóa. Họ cũng đề xuất rằng chúng ta có thể cần xây dựng lại một số cây phát sinh loài đã sử dụng hình thái thay vì DNA để xác định mối quan hệ giữa các loài.

Những sinh vật trông giống nhau có thể rất khác biệt

Trước khi có công nghệ giải trình tự phân tử, các nhà khoa học chỉ xem xét hình thái khi xác định cách các loài động vật có thể liên quan với nhau. Đây không phải là lý tưởng, vì chúng ta biết rằng nhìn giống nhau không phải lúc nào cũng có nghĩa là có mối quan hệ tiến hóa giữa hai loài. Khi các sinh vật khác nhau gặp phải cùng một yếu tố gây căng thẳng, tiến hóa có xu hướng đưa chúng đến các giải pháp tương tự. Tiến hóa hội tụ mô tả cách các sinh vật xa nhau về mặt tiến hóa độc lập phát triển các đặc điểm giống nhau. Hãy nghĩ về cấu trúc phức tạp của mắt kiểu camera của chúng ta, vốn cũng phát triển độc lập ở động vật thân mềm như bạch tuộc. Cánh của một số loài khủng long, dơi và chim cũng tiến hóa độc lập để phục vụ cùng một chức năng. Điều tương tự cũng có thể áp dụng cho các đặc điểm có vẻ kỳ lạ ở thực vật, như ăn thịt hoặc ký sinh.

Tiến hóa hội tụ xảy ra khi các loài động vật phải thích nghi với các yếu tố gây căng thẳng môi trường tương tự hoặc khi chúng chiếm cùng một ngách sinh thái. Ví dụ, chân chèo và mang của nhiều loài động vật biển đã tiến hóa độc lập với nhau để giải quyết các vấn đề của cuộc sống dưới nước. Các lý thuyết tiến hóa cơ bản như của Charles Darwin và Alfred Wallace dựa vào các mô hình địa lý để củng cố các cây phát sinh loài. Nhưng tiến hóa hội tụ đặt ra một vấn đề cho các cây hình thái: Nếu các sinh vật xa nhau về mặt tiến hóa có thể phát triển các đặc điểm hình thái giống nhau, làm thế nào chúng ta có thể sử dụng hình thái để đánh giá liệu các sinh vật có liên quan không?

Nghiên cứu mối quan hệ giữa hình thái và lịch sử tiến hóa

Để xác định mối quan hệ giữa hình thái và lịch sử tiến hóa, các tác giả đã đánh giá 48 cặp cây phát sinh loài bao gồm nhiều loại sinh vật (như động vật có xương sống sống trên cạn và nước ngọt, côn trùng, thực vật và sinh vật biển). Một cây trong mỗi cặp được xây dựng trên dữ liệu hình thái; cây kia dựa trên dữ liệu phân tử. Khi các tác giả lập bản đồ phân bố địa lý của các loài động vật lên các cây, điều rõ ràng là các cây dựa trên dữ liệu phân tử phù hợp hơn với các phân bố. Nói cách khác, các cây gia đình dựa trên DNA dự đoán phân bố địa lý đáng tin cậy hơn so với hình thái. Vì chúng ta biết rằng các phân bố địa lý có liên quan đến mối quan hệ tiến hóa, các tác giả kết luận rằng các cây gia đình dựa trên DNA thể hiện lịch sử tiến hóa một cách đáng tin cậy hơn.

Vai trò bền vững của hình thái học

Dữ liệu phân tử mang lại một số lợi thế so với hình thái học. Thứ nhất, giải trình tự DNA dễ dàng, vì vậy có thể thu thập được nhiều dữ liệu. Thứ hai, nó ít phụ thuộc vào chuyên môn phân loại hơn. Trong một số trường hợp, chỉ một vài chuyên gia có thể phân biệt hai loài dựa trên các khác biệt hình thái tinh tế. Do đó, dễ dàng hơn để thu thập các tập dữ liệu phân tử lớn hơn là tập hợp các khối lượng dữ liệu hình thái tương đương.

Một vấn đề khác là hình thái học quá chủ quan. Các nhà khoa học khác nhau có thể mã hóa cùng một đặc điểm theo cách khác nhau. Tuy nhiên, hệ thống phân loại phân tử lại có các quy tắc giảm thiểu tính chủ quan và chủ yếu dựa trên các mô hình toán học.

Dù vậy, giải trình tự phân tử cũng có những vấn đề của nó. Nó không phải là một khoa học hoàn hảo. Hơn nữa, trong nhiều trường hợp, chúng ta không thể lấy được DNA. Các tác giả nghiên cứu nhấn mạnh rằng dữ liệu hình thái trong phân tích phát sinh loài vẫn là yếu tố cần thiết, đặc biệt khi 98% các loài đã biết hiện nay đã tuyệt chủng. Đối với nhiều loài này, chúng ta chỉ có thể suy ra mối quan hệ từ hóa thạch không có DNA.

Kiến thức của chúng ta về cách các loài liên quan với nhau sẽ không bao giờ chắc chắn – các phương pháp mới có thể xuất hiện và khiến chúng ta phải suy nghĩ lại về mối quan hệ giữa các loài. Hiện tại, khi có hai cây phát sinh loài xung đột, các tác giả đề xuất rằng các nhà sinh học nên ưu tiên các tập dữ liệu phân tử. Quan trọng là, chúng ta hiện biết rằng có thể sử dụng các bài kiểm tra địa sinh học để kiểm tra các cây phát sinh loài được tạo ra bằng dữ liệu hình thái, phân tử và kết hợp. Khi chúng ta bắt đầu thực hiện điều này, có thể phải vẽ lại hàng trăm cây phát sinh loài kinh điển.