CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Phân loại học đối với đa dạng sinh học 1. Đa dạng sinh học Đa dạng sinh học có vai trò quan trọng đối với các hệ sinh thái, giúp duy trì sự sống của con người và mọi sinh vật khác. Cụ thể đa dạng sinh học cung cấp nguồn nguyên liệu công nghiệp, lương thực, thực phẩm, các loại thuốc quý cho sức khỏe con người.
Bên cạnh đó, đa dạng sinh học cũng là một yếu tố đóng góp lớn vào sự ổn định và khả năng phục hồi của hệ sinh thái. Ví dụ như việc làm cân bằng số lượng cá thể giữa các loài và đảm bảo khống chế sinh học cho các loài với cá thể được tiếp nhận trong hệ sinh thái. Hiện nay, tình trạng các loài bị tuyệt chủng rất nhiều bởi ảnh hưởng của biến đổi khí hậu cũng như quá trình đánh bắt trái pháp luật. Theo nhiều nghiên cứu cho thấy, ảnh hưởng của con người hiện đang gây ra sự suy giảm đa dạng sinh học với tốc độ cao có thể được so sánh với sự kiện tuyệt chủng lớn thứ 6 của hành tinh.
Khác với năm cuộc đại tuyệt chủng lớn trước đây, các nhà khoa học đã đưa ra ý kiến và đồng ý cho rằng sự mất đa dạng sinh học và suy giảm số lượng ở nhiều loài sinh vật đều có liên quan trực tiếp hay gián tiếp bởi hoạt động của con người [25]. Các quần thể côn trùng nói chung còn ít được biết đến, chỉ có 70 vụ tuyệt chủng côn trùng được ghi nhận trong 600 năm qua [16]. Hầu hết sự tuyệt chủng của côn trùng có thể xảy ra giữa các loài chưa được khoa học phát hiện và ghi nhận về mặt hình thái. Hiện trạng này có thể làm ảnh hưởng, giảm khả năng hiểu được các mô hình nghiên cứu tiến hóa và sinh thái.
Để tạo thuận lợi cho việc nghiên cứu và bảo tồn đa dạng sinh học côn trùng, yêu cầu đặt ra hiện nay: (i) cần cải thiện khả năng xác định côn trùng, (ii) cải thiện khả năng nhận biết và ghi lại các loài mới. Định loại các sinh vật sống là yếu tố cần thiết để hiểu và bảo tồn đa dạng sinh học. Trong nhiều thế kỉ, các nhà phân loại học chủ yếu dựa vào hình thái học để xác định và phân loại các loài. Mặc dù đây là phương pháp phân loại phổ biến nhất nhưng hạn chế của nó trở nên rõ ràng hơn khi sự ra đời của các phương pháp 3 Luận văn thạc sĩ_Hồ Thị Yến phân loại dựa trên sinh học phân tử có khả năng phát hiện, nhận dạng loài chính xác mà trước đây các nhà phân loại chưa biết đến.
Những năm đầu của thể kỉ 20, các công trình nghiên cứu mang tính chất cách mạng đã đạt được những tiến bộ lớn mở ra sự hiểu biết về bản chất và chức năng của vật liệu di truyền. Sự ra đời của các kỹ thuật nhận dạng dựa trên trình tự DNA vào những năm 50, 60, 70 nhất là phương pháp giải trình tự Sanger và những tiến bộ trong giải trình tự hàng trăm bộ gen đã dẫn đến những bước tiến cho các nhà phân loại học, di truyền học và cả các nhà sinh vật học trong tất cả các lĩnh vực nghiên cứu. Vào đầu thế kỉ 21, việc phát triển công nghệ giải trình tự thế hệ mới đã làm tăng số lượng và tốc độ số lượng loài được giải mã hoàn chỉnh bộ gen. Phân loại học Phân loại học là khoa học phân loại được áp dụng trong sinh học cho tổ chức có hệ thống và phân cấp của các nhóm động vật và thực vật liên quan đến xác định, đặt tên và phân loại các loài.
Đây là quá trình mà các nhà khoa học phân nhóm các sinh vật sống dựa trên mức độ giống nhau và khác nhau của đặc điểm hình thái của chúng. Qua đó, phản ánh sự liên quan tiến hóa của các sinh vật và nhóm sinh vật. Phân loại học là khoa học cung cấp các kiến thức cơ bản về sinh vật và có vai trò ý nghĩa trong các ngành sinh học, khoa học môi trường cũng như nhiều lĩnh vực khác. Nhờ vào các hệ thống phân loại học, chúng ta có thể dự đoán được vị trí của sinh vật trong hệ thống phân loại, nghiên cứu được con đường tiến hóa của các loài sinh vật.
Phân loại học phân loại chủ yếu dựa trên các đặc điểm hình thái của sinh vật với nhiệm vụ cơ bản là phát hiện, mô tả, đặt tên và sắp xếp sinh vật thành hệ thống phân loại. Sự đóng góp của phân loại học là một phần không thể thiếu trong các tiến bộ của khoa học. Nhiệm vụ cơ bản của phân loại học là phát hiện, mô tả, đặt tên và sắp xếp sinh vật thành hệ thống phân loại giúp nhận diện được đặc điểm của nhiều sinh vật một cách có hệ thống. Dựa trên hệ thống phân loại, các nhà khoa học có thể dự đoán được vị trí sinh học của sinh vật.
Từ đó phục vụ cho quá trình nghiên cứu, bảo tồn và tránh nhầm lẫn trong định danh. 4 Luận văn thạc sĩ_Hồ Thị Yến 1. Phân loại học truyền thống Phương pháp phân loại học hình thái có lịch sử phát triển lâu đời và đã xây dựng được hệ thống phân loại sinh vật cũng như động thực vật tương đối đầy đủ và toàn diện. Phương pháp phân loại học truyền thống dựa trên các đặc điểm hình thái của các loài sinh vật [3].
Đây là phương pháp được sử dụng nhiều trong phân loại học với các ưu điểm được biết đến bởi nó có thể phân biệt được các loài dựa trên các đặc điểm hình thái bên ngoài quan sát được. Cụ thể phương pháp này rất dễ hiểu và dễ áp dụng, đặc biệt là đối với các loài sinh vật có kích thước nhỏ hoặc không cần phải sử dụng các kỹ thuật phức tạp. Bên cạnh đó, phương pháp này còn giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự đa dạng của các loài sinh vật và cung cấp một cách tiếp cận đơn giản để phân loại chúng. Tuy nhiên, thực tế cho thấy phương pháp này còn gặp nhiều khó khăn, nhất là định loại các mẫu đang trong giai đoạn phát triển, mẫu không đầy đủ bộ phận,… Ví dụ đối với các loài thuộc bộ cánh Vảy, giai đoạn phát triển của trứng, sâu, nhộng và bướm.
Với mỗi giai đoạn khác nhau, chúng lại có hình dạng khác nhau hoặc nơi sống khác nhau. Vì vậy, dựa trên các đặc điểm bên ngoài của các loài sinh vật, phương pháp phân loại truyền thống không thể phân loại được các loài sinh vật có sự khác biệt di truyền hoặc sống trong môi trường khác nhau. Mặt khác, phương pháp phân loại học truyền thống thường được thực hiện: (i) bởi các chuyên gia phân loại có kinh nghiệm nhiều năm như các nhà phân loại học hoặc kỹ thuật viên được đào tạo mới có thể xác định chính xác các đơn vị phân loại, (ii) thời gian phân loại lâu và tốn nhiều công sức cũng như chi phí thực hiện [7] [28]. Vì vậy, việc phân loại chính xác các loài sinh vật cần được đưa ra bởi sự kết hợp giữa phương pháp phân loại học truyền thống và các phương pháp phân tích di truyền, các phương pháp sử dụng các chỉ thị sinh học phân tử.
Mặc dù còn tồn tại hạn chế, tuy nhiên không thể phủ nhận vai trò quan trọng của phân loại học tuyền thống, vì nó đóng vai trò quan trọng và là tiền đề mà các phương pháp phân loại khác không thể thay thế được. 5 Luận văn thạc sĩ_Hồ Thị Yến 1. Phân loại học hiện đại Phân loại học hiện đại là phương pháp phân loại dựa trên các chỉ thị phân tử hay là phương pháp phân loại bằng đặc điểm hệ gen ở mức độ phân tử hay phân loại bằng các dẫn liệu so sánh hóa sinh các phân tử lớn như protein, DNA, RNA. Axit nucleic là thành phần cấu tạo của gen, protein là sản phẩm của gen nên kết quả so sánh cung cấp những đặc điểm phân loại ở mức độ phân tử phản ánh chính xác và khách quan mối quan hệ giữa các taxon sinh vật, làm cơ sở xác định và sắp xếp các taxon sinh vật trong hệ thống phân loại tự nhiên.
Các kỹ thuật sinh học phân tử đã được sử dụng trong phương pháp phân loại bao gồm: giải trình tự DNA, đa hình các đoạn DNA nhân bản ngẫu nhiên (Random Amplified Polymorphic DNA), đa hình chiều dài các đoạn cắt giới hạn (Restriction Fragment Length Polymorphism) hay kỹ thuật nghiên cứu đa hình (isozyme),…Bằng phương pháp phân loại này, việc xác định loài trở nên nhanh chóng, thuận tiện, chính xác và tiết kiệm chi phí. Mặt khác, các số liệu phân tích và so sánh phân tử có giá trị phân loại sinh học tùy thuộc vào tốc độ tiến hóa của các phân tử khác nhau [5]. Đặc biệt, phương pháp này còn hữu ích trong trường hợp các loài đồng hình hay nghiên cứu các biến dị. Việc sử dụng chỉ thị phân tử sẽ giúp giảm được sự tranh cãi dựa trên các quan điểm của các chuyên gia về các đặc điểm hình thái.
Ngoài ra, việc dựa trên chỉ thị sinh học phân tử cũng giúp giảm được thời gian và chi phí trong việc đào tạo các chuyên gia phân loại hình thái giúp việc xác định loài trở nên dễ dàng, tiết kiệm chi phí và nhanh chóng hơn về mặt thời gian. Mặt khác, đối với sinh học phân tử, việc giải trình tự thông tin di truyền có thể được thực hiện bằng bằng phương pháp khuếch đại từ một lượng mẫu rất nhỏ. Bên cạnh đó, bằng cách sử dụng hệ gen hoặc nghiên cứu các gen cụ thể, việc so sánh cá thể này với cá thể khác hay xác định mối quan hệ họ hàng trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, không thể khẳng định phương pháp phân loại dựa trên chỉ thị phân tử có thể thay thế hoàn toàn phương pháp phân loại học truyền thống trong việc phân loại.
Việc xác định loài bằng chỉ thị phân tử chưa thể hiện được hết các đặc tính về hình thái hay thông tin sinh thái của loài. Vì vậy, việc kết 6 Luận văn thạc sĩ_Hồ Thị Yến hợp giữa hai phương pháp sẽ có vai trò rất quan trọng trong việc hỗ trợ và giúp cho việc phân loại được dễ dàng, nhanh chóng và chính xác hơn. Mục tiêu chính của phân loại học cũng được xác định rõ ràng như: (i) Xác định mối quan hệ phân cấp giữa các loài hiện có theo mối quan hệ tiến hóa của chúng. Các sinh vật có cùng một tổ tiên chung tập hợp lại thành nhóm gần gũi hơn so với những sinh vật có tổ tiên chung xa.