Bướm sâu đo bạch dương và khói nhà máy: chọn lọc trước mắt

Bướm sâu đo bạch dương (Biston betularia) ở Anh vốn có cánh trắng lốm đốm đen. Thế kỷ 19, khi khói than nhà máy làm đen thân cây và giết lớp địa y trên vỏ cây, dạng bướm cánh đen tăng vọt ở vùng công nghiệp vì chim khó thấy chúng hơn. Khi không khí sạch trở lại sau giữa thế kỷ 20, dạng đen giảm dần, nay đã hiếm. Thí nghiệm của Bernard Kettlewell thập niên 1950 bị chê về phương pháp, nhưng Michael Majerus làm lại cẩn thận trong các năm 2001–2007 và xác nhận chim ăn bướm là nguyên nhân chính.

Hai dạng của cùng một loài

Bướm sâu đo bạch dương là một loài bướm đêm phổ biến ở Anh và nhiều nơi ở châu Âu, Bắc Mỹ. Ban ngày chúng đậu bất động trên thân hoặc cành cây; ban đêm mới bay. Loài này có hai dạng chính về màu cánh:

Màu cánh do gen quyết định, và dạng đen trội hơn dạng thường: chỉ cần thừa hưởng một bản gen "đen" từ bố hoặc mẹ là con có cánh đen. Điều này giúp dạng đen lan nhanh khi có lợi.

Dòng thời gian: từ một con bướm lạ tới gần như toàn bộ quần thể

• 1848: mẫu bướm dạng đen đầu tiên được ghi nhận ở vùng Manchester, trung tâm công nghiệp dệt của Anh.
• Cuối thế kỷ 19: ở quanh Manchester, dạng đen đã chiếm phần lớn quần thể; các con số thường được dẫn là khoảng 98% vào năm 1895.
• 1896: nhà côn trùng học J. W. Tutt đưa ra giải thích: khói than giết địa y và làm thân cây sẫm lại, chim dễ thấy và ăn bướm trắng hơn.
• 1924: nhà di truyền học J. B. S. Haldane tính ra rằng để dạng đen lan nhanh như vậy, nó phải có lợi thế sống sót rất lớn, lớn hơn nhiều so với hình dung của người thời đó về tốc độ chọn lọc.
• Thập niên 1950: Bernard Kettlewell làm thí nghiệm thả và bắt lại bướm.
• 1956: Anh ban hành Luật Không khí sạch, giảm khói than đô thị.
• Cuối thế kỷ 20 tới nay: địa y quay lại, dạng đen giảm mạnh; ở nhiều vùng của Anh nay chỉ còn rất hiếm.

Hiện tượng loài côn trùng sẫm màu dần ở vùng công nghiệp được đặt tên là hoá đen công nghiệp, ghi nhận ở hàng chục loài bướm đêm khác chứ không riêng một loài.

Thí nghiệm của Kettlewell

Năm 1953, Bernard Kettlewell thả hàng trăm con bướm đã đánh dấu ở một khu rừng ô nhiễm gần Birmingham; năm 1955 ông làm lại ở một khu rừng sạch ở Dorset. Sau đó ông dùng bẫy đèn bắt lại và đếm.

• Ở Birmingham (ô nhiễm), tỉ lệ bắt lại bướm đen cao hơn bướm trắng — tức bướm đen sống sót nhiều hơn.
• Ở Dorset (sạch), kết quả ngược lại.
• Kettlewell cùng nhà tập tính học Niko Tinbergen còn quay phim chim bắt bướm đậu trên thân cây.

Kết quả khớp đẹp với giả thuyết của Tutt, và thí nghiệm đi vào sách giáo khoa sinh học khắp thế giới.

Những lời chê và vì sao phải làm lại

Từ thập niên 1980, các nhà nghiên cứu, trong đó có chính Majerus, chỉ ra nhiều điểm yếu trong cách làm của Kettlewell:

1. Thả bướm ban ngày: bướm vốn chọn chỗ đậu lúc rạng sáng; thả ban ngày, chúng đậu vội ở chỗ không tự nhiên.
2. Mật độ quá cao: thả rất nhiều bướm một lúc có thể khiến chim "học" được chỗ có mồi.
3. Chỗ đậu: trong tự nhiên, bướm thường đậu dưới cành ngang hoặc chỗ nối cành, ít khi đậu trơ trên thân như trong ảnh sách giáo khoa (nhiều ảnh là bướm chết được dán lên để chụp).
4. Bướm nuôi trong phòng thí nghiệm có thể hành xử khác bướm hoang.

Những điểm này là phê bình phương pháp hợp lý. Một cuốn sách xuất bản năm 2002 còn đi xa hơn, cáo buộc Kettlewell gian lận; cáo buộc đó bị giới nghiên cứu bác bỏ vì không có bằng chứng. Nhưng câu hỏi khoa học vẫn còn: liệu chim ăn bướm có thật là nguyên nhân chính không?

Michael Majerus làm lại: 2001–2007

Nhà di truyền học Michael Majerus ở Đại học Cambridge thiết kế một thí nghiệm khắc phục từng điểm yếu, làm trong khu vườn gần nhà suốt bảy năm:

• Bướm được thả ban đêm trong những chiếc lồng lưới quanh cành cây, để sáng ra tự chọn chỗ đậu như bình thường.
• Mật độ thấp, gần với mật độ tự nhiên.
• Quan sát bằng ống nhòm xem con nào bị chim ăn, ghi loài chim.
• Ghi lại chỗ đậu tự nhiên của hàng trăm con bướm hoang.

Tổng cộng gần năm nghìn con bướm được thả. Kết quả: trong môi trường đã sạch, bướm đen bị chim ăn nhiều hơn rõ so với bướm trắng, đủ để giải thích tốc độ suy giảm của dạng đen ở Anh. Majerus mất năm 2009; các đồng nghiệp hoàn thiện phân tích và công bố năm 2012. Câu chuyện kinh điển, sau khi bị nghi ngờ, đã được kiểm chứng lại bằng phương pháp tốt hơn.

Gen của cánh đen

Năm 2016, một nhóm nghiên cứu tìm ra nguyên nhân di truyền của dạng đen: một đoạn DNA "nhảy" (yếu tố di động) chèn vào gần gen có tên cortex, gen liên quan tới sự phát triển cánh. Ước tính thời điểm đột biến này xuất hiện vào khoảng năm 1819 — chỉ vài chục năm trước khi con bướm đen đầu tiên được ghi nhận, đúng thời kỳ công nghiệp than bùng nổ.

Bên kia Đại Tây Dương cũng lặp lại

Ở Mỹ, quanh các vùng công nghiệp như Michigan, dạng bướm đen của cùng loài cũng phổ biến rồi giảm mạnh sau khi luật không khí sạch của Mỹ có hiệu lực (từ năm 1970), theo các khảo sát dài hạn của Bruce Grant. Hai quần thể ở hai lục địa, cùng một kịch bản: môi trường thay đổi, chọn lọc đổi chiều, tần số gen đổi theo. Việc lặp lại độc lập như vậy là bằng chứng mạnh hơn một thí nghiệm đơn lẻ.

Góc nhìn hôm nay: điều đáng mang về

• Tiến hoá có thể đi ngược: dạng đen tăng rồi giảm. Chọn lọc không có mục tiêu, nó chỉ theo môi trường.
• Khoa học tự sửa: một thí nghiệm nổi tiếng bị chỉ ra điểm yếu, người ta không vứt bỏ câu hỏi mà làm lại kỹ hơn.
• Con người là tác nhân chọn lọc: ô nhiễm, thuốc trừ sâu, kháng sinh, đánh bắt cá lớn — mọi tác động lâu dài của con người đều đang "chọn" sinh vật.
• Quan sát quanh nhà: để ý bướm đêm đậu trên tường, thân cây gần đèn sáng sớm; chụp ảnh và so màu cánh với nền. Không bắt nhốt.
• Đọc thêm: phần hoá đen công nghiệp trong SGK Sinh học 12 và Campbell Biology; sách Melanism: Evolution in Action của Michael Majerus (1998).