Chọn lọc tự nhiên, khái niệm được phát triển bởi nhà tự nhiên học người Anh Charles Darwin và được ghi lại trong cuốn Về nguồn gốc các loài thông qua chọn lọc tự nhiên (1859) của ông, là cơ chế tiến hóa chính trong các sinh vật, tạo ra những mức độ sinh tồn và khả năng sinh sản khác nhau. Các sinh vật có khả năng sinh sản thành công càng cao thì sẽ truyền gen của chúng cho càng nhiều thế hệ sau, nên các cá thể với những đặc điểm này trở nên phổ biến hơn.

Tiến tới Galapagos

Charles Darwin trẻ tuổi lần đầu suy ngẫm về tiến hóa trong chuyến thám hiểm khoa học tiên phong vòng quanh thế giới trên con tàu HMS Beagle từ năm 1831 đến năm 1836. Từ thời thiếu niên, Darwin đã chấp nhận cách diễn giải chính thống về Kinh Thánh, rằng Trái Đất chỉ vài ngàn năm tuổi.

Tuy nhiên, khi ở trên tàu Beagle, Darwin đã đọc Nguyên lý địa chất mới được xuất bản của nhà địa chất học người Scotland Charles Lyell, trong đó chứng minh rằng đá chứa đựng những dấu vết của sự biến đổi siêu nhỏ, dần dần và tích lũy qua những khoảng thời gian vô cùng dài - không phải hàng ngàn mà đến hàng triệu năm.

Khi Darwin mục kích những vùng đất trên thế giới đã bị ảnh hưởng bởi các quá trình xói mòn, trầm tích và hoạt động của núi lửa, ông bắt đầu suy đoán về cách các loài động vật biến đổi qua những khoảng thời gian rất dài và lý do cho sự biến đổi đó. Bằng việc nghiên cứu các hóa thạch và quan sát những loài động vật sống, Darwin đã xác định được những quy luật; chẳng hạn, ông nhận thấy rằng các loài đã tuyệt chủng thường bị thay thế bởi những loài hiện đại trông giống nhưng thực chất là khác.

Khảo sát thực địa của Darwin trên quần đảo Galapagos ngoài khơi Nam Mỹ vào mùa thu năm 1835 đã cung cấp các bằng chứng đặc biệt vững chắc cho học thuyết sau này của ông về tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên. Ở nơi đây, ông đã quan sát thấy hình dáng phần mai (vỏ) của những con rùa khổng lồ trên mỗi hòn đảo lại hơi khác nhau.

Darwin cũng ngạc nhiên khi thấy rằng có bốn loài chim nhại rất giống nhau, nhưng rõ ràng là khác nhau, và không một đảo nào có nhiều hơn một loại chim này. Ông cũng thấy những chú chim nhỏ trông giống nhau nhưng có chiếc mỏ đa dạng về kích cỡ và hình dáng. Darwin rút ra rằng mỗi nhóm đều có một tổ tiên chung nhưng đã phát triển những tính trạng khác nhau trong những môi trường khác nhau.

So sánh cấu tạo mỏ chim sẻ Galapagos. Ảnh trong sách Sinh thái học - Khái lược những tư tưởng lớn.

Những kết luận của Darwin

Trên hải trình trở lại Anh, Darwin vẫn suy ngẫm về cái mỏ khác biệt của những chú chim nhỏ mà ông thấy trên quần đảo Galapagos, thường được gọi là “chim sẻ” dù chúng không thuộc họ chim sẻ thật sự. Ông biết rằng mỏ chim là công cụ chính để chúng ăn uống, nên chiều dài và hình dáng chiếc mỏ cho ta biết chúng ăn gì.

Nghiên cứu sau đó phát hiện ra rằng có 14 loài chim sẻ khác nhau trên quần đảo Galapagos. Mỏ của chúng khác biệt rõ ràng và có hàm ý. Chẳng hạn, sẻ xương rồng có mỏ dài, nhọn, lý tưởng để mổ hạt từ quả xương rồng, còn sẻ đất có mỏ ngắn, tù hơn, thích hợp để ăn các loại hạt lớn trên mặt đất. Sẻ chích có mỏ mảnh, sắc, lý tưởng để bắt các loài côn trùng biết bay.

Darwin suy đoán rằng các loài sẻ bắt nguồn từ một loài sẻ tổ tiên chung đã đến quần đảo Galapagos từ lục địa Nam Mỹ. Ông kết luận rằng sự đa dạng quần thể chim sẻ tiến hóa ở những sinh cảnh khác nhau thuộc Galapagos, mỗi nhóm thích nghi với một loại thức ăn ít nhiều chuyên biệt bằng một quá trình mà sau này ông gọi là “chọn lọc tự nhiên”. Theo thời gian, các quần thể chim sẻ đã trở thành những loài riêng biệt.

Đầu thế kỷ XXI, các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard đã khám phá những bằng chứng mới về cách chọn lọc tự nhiên xảy ra ở cấp độ gen. Phát hiện của họ được công bố năm 2006, cho thấy rằng một phân tử gọi là calmodulin điều hòa các gen tham gia vào việc định hình mỏ chim, và thấy rằng sẻ xương rồng mỏ dài có nồng độ calmodulin cao hơn sẻ đất mỏ ngắn.

Cải tiến học thuyết

Darwin chịu ảnh hưởng bởi Tiểu luận về nguyên lý dân số (1798) của Thomas Malthus, trong đó Malthus dự đoán rằng sự phát triển của dân số cuối cùng sẽ vượt quá nguồn cung thực phẩm. Ý tưởng này khớp với bằng chứng Darwin đã quan sát được về sự cạnh tranh đang diễn ra giữa các cá thể động vật và các loài để có được tài nguyên. Tính chất cạnh tranh này đã hình thành nên xương sống của thuyết tiến hóa hợp nhất của Darwin.

Năm 1839, Darwin phát triển ý tưởng về tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên. Tuy vậy, ông chần chừ không công bố vì ông hiểu rằng học thuyết này có thể gây ra một trận cuồng phong tranh cãi từ những người xem đây là một sự tấn công vào tôn giáo và Giáo hội.

Năm 1857, khi ông bắt đầu trao đổi với nhà tự nhiên học đồng nghiệp người Anh Alfred Russel Wallace, người đã độc lập đi đến những kết luận rất giống của Darwin, ông nhận ra rằng phải công bố các ý tưởng của mình. Tháng 7, 1858, các nghiên cứu của Darwin và Wallace cùng được giới thiệu tại một buổi họp của Hội Linnaeus ở London dưới nhan đề “Về xu hướng hình thành biến dị của các loài; và việc xác định biến dị và loài thông qua chọn lọc tự nhiên”.

Năm tiếp theo, Darwin công bố học thuyết trong cuốn Về nguồn gốc các loài thông qua chọn lọc tự nhiên. Cuốn sách làm mếch lòng một số nhà khoa học vì nó khác với những ý tưởng của Lamarck về chuyển đổi loài, và cũng chọc giận những người theo thuyết sáng tạo vì họ cho rằng nó làm suy yếu cách diễn giải Kinh Thánh theo nghĩa đen. Những người khác thì cảm thấy học thuyết không giải thích được cho số lượng khổng lồ các đặc điểm ở muôn loài, đồng thời gọi đây là học thuyết “vớ vẩn” và “cũ rích”.

Darwin vẫn tự tin. Ông biết rằng mọi cá thể sinh vật trong một loài thể hiện một mức độ biến dị tự nhiên; chẳng hạn, con thì có ria dài hơn, chân ngắn hơn, hay có màu sắc sặc sỡ hơn. Vì các thành viên của muôn loài cạnh tranh để giành những tài nguyên có hạn, ông rút ra rằng những con có các tính trạng phù hợp nhất với môi trường thì dễ tồn tại và sinh sản hơn.

Ông cũng cho rằng những đặc điểm giúp một cá thể sinh vật sống càng lâu và sinh sản càng thành công sẽ được truyền cho càng nhiều thế hệ con, còn những đặc điểm khiến sinh vật kém thành công sẽ biến mất. Darwin gọi đây là “chọn lọc tự nhiên” - một quá trình kéo dài hàng thế hệ, cho phép quần thể của bất kỳ loài nào thích nghi tốt hơn và phát triển mạnh trong sinh cảnh được chọn.