Theo các nhà sinh học tiến hóa, khi sự sống nảy sinh, thông qua từng đột biến nhỏ, quá trình đột biến ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên dần dần tạo ra sự đa dạng sinh học. Tất nhiên, tất cả các chức năng phức tạp của sự sống được mã hóa trong DNA của các sinh vật sống. Do đó, việc tạo ra một đặc điểm mới đòi hỏi quá trình tạo ra các thông tin di truyền mới trong DNA. Tuy nhiên, có phải các thông tin di truyền cần thiết được tạo ra theo cách thức gián tiếp, từng bước một như lý thuyết của Darwin?

Phần 2

Vấn đề 3: Đột biến ngẫu nhiên không thể tạo ra thông tin di truyền cần thiết cho các cấu trúc phức tạp

Hầu hết mọi người đều đồng tình rằng quá trình tiến hóa Darwin hoạt động tốt nếu mỗi bước tiến hoá tạo ra một vài lợi thế sinh tồn. Michael Behe, một nhà khoa học thách thức học thuyết Darwin, lưu ý rằng “nếu chỉ cần một đột biến gen có thể tạo ra một vài chức năng mới, khi đó thuyết tiến hóa của Darwin gặp ít vấn đề trong việc tìm ra bằng chứng”.

Tuy nhiên, nếu cần nhiều đột biến xuất hiện cùng một lúc để thu được một chức năng mới, thuyết tiến hóa Darwin bị “mắc kẹt”. Theo Behe giải thích: “Nếu cần nhiều hơn một [đột biến], xác suất tạo ra đúng chức năng cần thiết sẽ khó hơn gấp bội”.

Behe, giáo sư sinh hóa tại Đại học Lehigh, đã đặt ra thuật ngữ “sự phức tạp bất khả giảm” để mô tả các hệ thống đòi hỏi nhiều đột biến phải xuất hiện cùng một lúc trước khi tạo ra bất kỳ lợi thế sinh tồn nào cho loài sinh vật.

Theo Behe, các hệ thống như vậy không thể tiến hóa từng bước như Darwin nói. Do đó, ông kết luận rằng đột biến ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên không thể tạo ra thông tin di truyền cần thiết cho các cấu trúc phức tạp bất khả giảm. Nó yêu cầu nhiều đột biến đồng thời nhưng đây là một sự kiện rất khó xảy ra.

Không chỉ các nhà khoa học chỉ trích Darwin công nhận vấn đề này. Một bài báo của một nhà sinh học tiến hóa nổi tiếng đăng trong tạp chí uy tín Proceedings of the National Academy of Science thừa nhận rằng “sự xuất hiện đồng thời của tất cả các thành phần của một hệ thống là không thể”. 

Tương tự như vậy, nhà sinh vật học tiến hóa của Đại học Chicago Jerry Coyne – một người bảo vệ kiên định thuyết Darwin – cũng đồng tình: “Chọn lọc tự nhiên không thể tạo ra một chức năng mà các bước trung gian không cung cấp lợi thế sinh tồn nào”. Ngay cả Darwin bằng trực giác cũng nhận ra “lỗ hổng” đó, như ông viết trong Nguồn gốc của các loài:

“Nếu có thể chứng minh rằng tồn tại một bộ phận cơ thể phức tạp nào mà không thể được hình thành từ rất nhiều, liên tiếp, các thay đổi nhỏ, thì lý thuyết của tôi sẽ sụp đổ hoàn toàn”.

Nhà khoa học tiến hóa như Darwin và Coyne tuyên bố họ không biết trường hợp thực tế nào trong đó chọn lọc Darwin vấp phải khó khăn trên. Nhưng về nguyên tắc, họ đồng ý rằng có những giới hạn về mặt lý thuyết mà thuyết tiến hoá mắc phải: Nếu một chức năng không thể được xây dựng bởi “rất nhiều, liên tiếp, các thay đổi nhỏ”, và nếu “các bước tiến hóa trung gian không mang lại lợi ích gì cho các sinh vật”, khi đó tiến hóa Darwin sẽ “sụp đổ hoàn toàn”.

Sinh học hiện đại tiếp tục phát hiện ra ngày càng nhiều ví dụ về sự phức tạp sinh học dường như vượt xa khả năng tạo ra thông tin di truyền theo thuyết tiến hóa Darwin.

Bộ máy phân tử

Trong cuốn sách Hộp đen của Darwin, Michael Behe thảo luận về các bộ máy phân tử cần phải có nhiều bộ phận trước khi chúng hoạt động và mang lại lợi thế sinh tồn nào đó cho sinh vật. Ví dụ nổi tiếng nhất của Behe là vi khuẩn tiên mao (flagellum), có một chân vịt ở cấp độ vi phân tử, hoạt động giống như một động cơ đẩy nước để giúp vi khuẩn di chuyển trong môi trường nước khi tìm thức ăn.

Như vậy, vi khuẩn tiên mao thiết kế cơ bản rất giống với một động cơ do con người chế tạo, có chứa nhiều bộ phận quen thuộc với các kỹ sư, bao gồm roto, stato, khớp chữ u, chân vịt, phanh và ly hợp.

Là một trong những nhà sinh vật học phân tử viết trên tạp chí Cell, “như nhiều động cơ khác, vi khuẩn tiên mao giống như những cỗ máy đang được thiết kế bởi con người”. Tuy nhiên, hiệu suất về năng lượng của các cỗ máy vi khuẩn này cao hơn so với bất cứ cỗ máy nào được tạo ra bởi con người. Bài viết đó cũng phát hiện ra rằng hiệu suất của vi khuẩn tiên mao “có thể gần bằng 100%”.

Có nhiều loại vi khuẩn tiên mao khác nhau, nhưng tất cả đều cấu tạo từ một số thành phần cơ bản nhất định. Một bài báo đăng trên Nature Reviews Microbiology đã chỉ ra rằng: “Tất cả vi khuẩn tiên mao có một bộ protein cốt lõi được bảo tồn,” do đó “Ba bộ phận chính của vi khuẩn tiên mao: roto-stato tạo ra sự quay của phần đuôi, phần trung gian thay đổi theo hướng chuyển động và hệ thống bài tiết loại ba (T3SS) làm trung gian bài tiết dọc trục của đuôi”.

Tiên mao rất phức tạp, các thí nghiệm loại bỏ gen đã chỉ ra rằng nếu thiếu một trong số khoảng 35 gen của nó, ta không thể lắp ráp lại nó hoặc tạo ra các chức năng hoạt động giống như vi khuẩn ban đầu.

Trong trò chơi lắp ghép này, các đột biến không thể tạo ra sự phức tạp cần thiết để tạo thành chức năng quay chỉ với một đột biến và tỷ lệ để có thể lắp ráp tạo thành một bước tiến hóa nhảy vọt gần như bằng không. Thật vậy, theo một bài viết trên tạp chí Nature Reviews Microbiology thừa nhận rằng “cộng đồng nghiên cứu tiên mao đã hiếm khi xem xét cách các hệ thống này đã tiến hóa như thế nào”.

Tuy nhiên, tiên mao chỉ là một ví dụ về hàng ngàn cỗ máy phân tử được biết đến trong sinh học. Một dự án nghiên cứu tư nhân đã phát hiện hơn 250 cỗ máy phân tử có trong men vi sinh. Cựu chủ tịch của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Bruce Alberts, đã viết một bài báo trên tạp chí Cell ca ngợi “tốc độ”, “sự gọn gàng”, “sự tinh tế”, “hoạt động có tổ chức cao” của những bộ máy phân tử “kỳ diệu” này.

Ông giải thích điều gì thúc đẩy ông nói vậy: “Tại sao chúng ta gọi ‘các tổ hợp protein lớn đã được kết hợp lại’ là các cỗ máy cấp độ tế bào? Đúng thế, vì như các cỗ máy phát minh bởi con người được dùng hiệu quả trong thế giới vĩ mô, các phần của cỗ máy đó phối hợp rất nhuần nhuyễn”. Nhà hóa sinh như Behe và những người khác tin rằng với các bộ phận tương tác và phối hợp nhuần nhuyễn, những cỗ máy này không thể đã tiến hóa từng bước theo kiểu Darwin.

Nhưng không chỉ những cỗ máy nhiều phần vượt ra khỏi tầm giải thích của thuyết tiến hóa Darwin. Các phần protein tạo ra các cỗ máy này cũng sẽ cần nhiều đột biến đồng thời để phát sinh.

Những thách thức với cơ chế Darwin

Năm 2000 và 2004, nhà khoa học protein Douglas Axe đã công bố nghiên cứu thực nghiệm trên Journal of Molecular Biology về các kiểm tra độ nhạy đột biến mà ông thực hiện trên enzyme ở vi khuẩn. Enzyme là những chuỗi axit amin dài được gấp thành hình dạng ba chiều cụ thể, ổn định.

Các thí nghiệm độ nhạy đột biến bắt đầu bằng cách đột biến các chuỗi axit amin của các protein đó, sau đó kiểm tra các protein đột biến để xác định xem chúng có thể gấp lại thành hình dạng ổn định và thực hiện tốt chức năng hay không. Nghiên cứu của Axe cho thấy số chuỗi axit amin tạo ra các protein ổn định là 1 trên 1074 chuỗi, phần lớn các chuỗi axit amin sẽ không tạo ra protein ổn định và do đó không thể hoạt động trong các sinh vật sống.

Do sự hiếm gặp trên, sẽ rất khó để các đột biến ngẫu nhiên biến một protein với một dạng gấp khúc và tiến hóa thành một dạng khác, mà không trải qua một giai đoạn phi chức năng nào. Thay vì tiến hóa bằng “rất nhiều, liên tục, các sửa chữa nhỏ,” nhiều thay đổi sẽ cần xảy ra đồng thời để “tìm kiếm” các chuỗi axit amin có thể tạo ra protein chức năng.

Trong bối cảnh đó, kết quả của Axe cho thấy rằng tỷ lệ các quá trình Darwin tạo ra một nếp gấp protein chức năng bé hơn so với tỷ lệ ai đó nhắm mắt và bắn một mũi tên vào thiên hà Milky Way, bắn trúng một nguyên tử được chọn trước.

Các protein thường tương tác với các phân tử khác thông qua sự “tâm đầu ý hợp” vừa vặn, nhưng những tương tác này thường đòi hỏi nhiều axit amin ‘vừa đủ’ trước khi chúng xảy ra. Năm 2004, Behe, cùng với nhà vật lý David Snoke của Đại học Pittsburgh, đã mô phỏng sự tiến hóa của Darwin về các tương tác protein-protein như vậy.

Tính toán của Behe và Snoke cho thấy đối với các sinh vật đa bào, việc phát triển một tương tác protein-protein đơn giản có hai hoặc nhiều đột biến phát sinh có thể sẽ cần nhiều sinh vật và nhiều thế hệ hơn so với toàn bộ lịch sử Trái đất. Họ kết luận rằng “cơ chế sao chép và đột biến một đoạn gen sẽ không hiệu quả… bởi vì rất ít loài đa bào đạt kích cỡ quần thể cần thiết”.

Bốn năm sau trong nỗ lực bác bỏ lập luận của Behe, các nhà sinh học Cornell Rick Durrett và Deena Schmidt đã kết thúc một cách dang dở và xác nhận Behe về cơ bản là chính xác. Sau khi tính toán khả năng xảy ra hai đột biến đồng thời phát sinh qua quá trình tiến hóa của Darwin trong quần thể người, họ phát hiện ra rằng một sự kiện như vậy “sẽ mất trên 100 triệu năm”. Con người đã tách khỏi tổ tiên chung của họ với tinh tinh chỉ 6 triệu năm trước, họ cho rằng những sự kiện đột biến như vậy “rất khó xảy ra trong một khoảng thời gian như vậy”.

Bây giờ một người bảo vệ thuyết Darwin có thể trả lời rằng những tính toán này chỉ đo lường sức mạnh của cơ chế Darwin trong các sinh vật đa bào nơi nó kém hiệu quả hơn vì những sinh vật phức tạp hơn này có kích thước quần thể nhỏ hơn và thời gian thế hệ dài hơn so với các sinh vật nhân sơ đơn bào như vi khuẩn.

Sự tiến hóa của Darwin, theo ghi chú của ông, có thể có kiểm nghiệm tốt hơn trong các sinh vật như vi khuẩn, chúng sinh sản nhanh hơn và có kích thước quần thể lớn hơn nhiều. Các nhà khoa học hoài nghi về thuyết tiến hóa của Darwin nhận thức được sự phản đối này và đã phát hiện ra rằng ngay cả trong các sinh vật tiến hóa nhanh hơn như vi khuẩn, tiến hóa Darwin vẫn phải đối mặt với những giới hạn lớn.

Năm 2010, Douglas Ax đã công bố bằng chứng chỉ ra rằng mặc dù tỷ lệ đột biến cao và giả định áp dụng quá trình Darwin, các thích ứng cấp độ phân tử đòi hỏi nhiều hơn sáu đột biến trước khi mang lại bất kỳ lợi thế sinh tồn nào sẽ cực kỳ khó xảy ra trong lịch sử Trái đất.

Năm sau, Ax đã công bố nghiên cứu với nhà sinh vật học phát triển Ann Gauger liên quan đến các thí nghiệm để chuyển đổi một loại enzyme vi khuẩn thành một loại enzyme khác rất gần với loại kia – loại chuyển đổi mà các nhà tiến hóa tuyên bố có thể dễ dàng xảy ra.

Trong trường hợp này, họ thấy rằng việc chuyển đổi sẽ yêu cầu tối thiểu ít nhất bảy thay đổi đồng thời, vượt quá giới hạn sáu đột biến mà Axe đã thiết lập trước đây là ranh giới của những gì tiến hóa của Darwin có thể đạt được ở cấp độ vi khuẩn. Bởi vì việc chuyển đổi này được cho là tương đối đơn giản, nó cho thấy các chức năng sinh học phức tạp hơn sẽ đòi hỏi nhiều hơn sáu đột biến đồng thời để mang lại một chức năng mới.

Trong các thí nghiệm khác do Gauger và nhà sinh vật học Ralph Seelke thuộc Đại học Wisconsin hướng dẫn, nhóm nghiên cứu của họ đã làm đứt gãy một gen trong vi khuẩn E. coli cần thiết để tổng hợp axit amin tryptophan. Khi bộ gen của vi khuẩn bị phá vỡ chỉ ở một chỗ, các đột biến ngẫu nhiên có khả năng khắc phục lỗi gen. Nhưng ngay cả khi chỉ cần hai đột biến để khôi phục chức năng đầu, tiến hóa Darwin đã bị “mắc kẹt”, không có khả năng lấy lại chức năng đầy đủ ban đầu.

Những loại kết quả này cho thấy rằng thông tin cần thiết cho protein và enzyme hoạt động là quá lớn để có thể được tạo ra bởi các quá trình của Darwin trên bất kỳ khoảng thời gian tiến hóa nào.

Những hoài nghi về thuyết tiến hóa Darwin

Không phải chỉ có tiến sĩ Axe, Gauger và Seelke là những nhà khoa học quan sát được sự hiếm có của các chuỗi axit amin tạo ra protein chức năng. Một cuốn sách giáo khoa sinh học cấp đại học nói rằng: “ngay cả một thay đổi nhỏ trong cấu trúc sơ cấp cũng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và khả năng hoạt động của protein”. Tương tự như vậy, nhà sinh vật học tiến hóa David S. Goodsell viết:

“Chỉ có một tỉ lệ nhỏ các tổ hợp axit amin có thể tự gấp lại để hình thành một cấu trúc ổn định. Nếu bạn tạo ra một loại protein với một chuỗi axit amin ngẫu nhiên, rất có thể nó chỉ tạo thành một mớ hỗn độn khi được đặt trong nước”.

Goodsell tiếp tục khẳng định rằng các tế bào đã hoàn thiện các chuỗi axit amin trong nhiều năm chọn lọc tiến hóa. Nhưng nếu trình tự protein chức năng là hiếm, thì có khả năng chọn lọc tự nhiên sẽ không thể lấy protein từ một chuỗi di truyền chức năng để biến thành một chuỗi chức năng khác mà không bị kẹt trong một số giai đoạn trung gian không có lợi hoặc sai cách.

Nhà sinh vật học quá cố Lynn Margulis, một thành viên được kính trọng của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, đã từng nói rằng: “đột biến mới không tạo ra loài mới; chúng tạo ra thế hệ sau bị suy yếu”. Bà giải thích thêm trong một cuộc phỏng vấn năm 2011:

“Các nhà khoa học Tân Darwin nói rằng các loài mới xuất hiện khi đột biến xảy ra và làm thay đổi một loài sinh vật. Tôi đã được dạy đi dạy lại rằng sự tích lũy của các đột biến ngẫu nhiên đã dẫn đến sự thay đổi tiến hóa – dẫn đến các loài mới. Tôi tin điều đó cho đến khi tôi phải đi tìm kiếm bằng chứng về nó”.

Tương tự như vậy, cựu chủ tịch của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp, Pierre-Paul Grasse, cho rằng “những đột biến có ‘khả năng tạo dựng’ rất hạn chế” bởi vì “dù có tạo ra bao nhiêu đi chăng nữa, đột biến không tạo ra bất kỳ loại tiến hóa nào”.

Nhiều nhà khoa học khác cũng cảm thấy như vậy. Hơn 800 tiến sĩ đã ký một tuyên bố chung rằng họ đã “hoài nghi về khả năng đột biến ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên có thể giải thích cho sự phức tạp của sự sống”. Thật vậy, hai nhà sinh học đã viết trong Annual Review of Genomics and Human Genetics: “Làm thế nào quá trình đột biến không mong muốn, kết hợp với chọn lọc tự nhiên, đã dẫn đến việc tạo ra hàng ngàn protein mới với các chức năng được tối ưu hóa và cực kỳ đa dạng vẫn là một bí ẩn.

Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống phân tử mà bao gồm nhiều bộ phận tương tác…”. Có lẽ nó sẽ ít bí ẩn hơn nếu lý thuyết có thể được mở rộng vượt ra ngoài cơ chế tiến hóa không định hướng như đột biến ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên để giải thích nguồn gốc của các chức năng sinh học phức tạp.

Theo “Mười vấn đề lớn về khoa học của Thuyết tiến hóa” của Casey Luskin 

Thiện Căn

Nguồn: NTD Việt Nam