Phân tích hệ gen điểu cầm tái lập cây tiến hóa

Nghiên cứu hệ gen loài chim lớn nhất từ trước đến nay không chỉ gây ngỡ ngàng mà còn làm thay đổi hoàn toàn cây tiến hóa của chúng. Nghiên cứu đã thách thức hệ thống phân loại hiện thời, thay đổi hiểu biết của chúng ta về quá trình tiến hóa của loài chim, đồng thời cung cấp nguồn thông tin vô giá cho các nghiên cứu phát sinh loài hay so sánh khác.
> Những cặp chim tưởng giống mà khác nhau

Chim nằm trong số những loài được yêu mến và cũng được nghiên cứu nhiều nhất, dựa trên các nghiên cứu về chúng mà chúng ta hiểu biết về sinh học động vật, từ lịch sử tự nhiên cho đến sinh thái, sự hình thành loài hay sự sinh sản… Tất cả đều dựa trên thông tin từ loài chim. Tuy nhiên, cây sự sống của chúng cho đến nay vẫn là một vấn đề gây nhiều tranh cãi, khó nắm bắt được.

Trong suốt hơn 5 năm qua, dự án nghiên cứu cây sự sống của loài chim Early Bird Assembling the Tree-of-Life Research triển khai tại Bảo tàng Field đã tiến hành phân tích ADN từ tất cả các loài chim lớn còn tồn tại hiện nay. Cho đến thời điểm hiện tại, các nhà khoa học đã thiết lập và phân tích thông tin của hơn 32 kilobazơ lấy từ 19 vị trí khác nhau trên chuỗi ADN của 169 loài chim. Kết quả của nghiên cứu đồ sộ này tương đương với một dự án nghiên cứu hệ gen nhỏ được đăng tải trên số ra ngày 27 tháng 6 trên tờ Science.

Shannon Hackett – một trong ba tác giả chính của nghiên cứu đồng thời là người quản lý tại bảo tàng Field – cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cùng với hiểu biết mới - có ý nghĩa đáng kể về mối quan hệ tiến hóa của loài chim - khám phá được chính là nhờ có tiến bộ kỹ thuật trong những năm gần đây; tạo điều kiện cho chúng tôi lấy mẫu tỉ lệ hệ gen lớn hơn nhiều. Nghiên cứu đã thu được nhiều kết quả có ý nghĩa lớn đồng thời chứng minh khả năng thu thập dữ liệu hệ gen nhằm tái tạo lại cây tiến hóa”.

Chim ưng. Khi nói đến loài chim, ngoại hình có thể đánh lừa chúng ta. Ví dụ như nghiên cứu mới được đăng tải trên số ra 27 tháng 6 năm 2008 trên tờ Science đã xác định được rằng loài chim ưng không có quan hệ gần gũi với diều hâu hay đại bàng như chúng ta vẫn nghĩ trước đây. (Ảnh: Stephanie Ware, courtesy of The Field Museum)

Kết quả của nghiên cứu rất rộng nên tên khoa học của hàng chục loài chim buộc phải bị thay đổi. Sách sinh học cũng như hướng dẫn dành cho những người quan sát nhận dạng chim cũng phải chỉnh sửa. Ví dụ, hiện chúng ta đã biết rằng:

Chim thích nghi với môi trường đa dạng qua nhiều giai đoạn khác biệt do nhiều loài chim hiện sống trên nước (như hồng hạc, chim biển nhiệt đới hay chim lặn) không tiến hóa từ một nhóm chim nước khác. Rất nhiều loài hiện sống trên cạn (như chim turaco, chim bồ câu, gà gô cát và chim cu cu) cũng không tiến hóa từ một nhóm chim cạn khác.

Tương tự, lối sống đặc trưng (ví dụ như sống về đêm, chuyên ăn thịt, sống gần biển, sống trên biển hay các vùng biển rộng chẳng hạn) cũng tiến hóa vài lần. Ngược lại với suy nghĩ thông thường, loài chim ruồi sống ban ngày có bộ cánh rực rỡ lại tiến hóa từ loài cú muỗi màu nâu xám hoạt động ban đêm. Chim ưng không có quan hệ gần gũi với diều hâu hay đại bàng. Chim biển nhiệt đới (loài chim sống trên biển màu trắng, bay rất nhanh) cũng không phải họ hàng gần với loài bồ nông hay các loài chim nước khác.

Các loài chim sống trên bờ cũng không phải là nhóm tiến hóa cơ bản, điều này đã bác bỏ quan điểm tồn tại rộng khắp rằng chim cạn đã khiến quần thể chim ngày nay phát triển mạnh mẽ.

Sushma Reddy – một tác giả khác của nghiên cứu đồng thời là nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại bảo tàng Field – cho biết: “Với nghiên cứu này, chúng tôi học được hai điều quan trọng. Đầu tiên, ngoại hình có thể đang đánh lừa chúng ta. Những loài chim trông giống nhau hoặc họat động tương tự nhau không nhất thiết phải là họ hàng. Thứ hai, đa số các mục phân loại điểu cầm cũng như kiến thức thông thường về mối quan hệ tiến hóa giữa các loài điểu cầm là không đúng”.

Quá trình tiến hóa của loài chim

Để hiểu được quá trình tiến hóa của loài chim là công việc vô cùng khó khăn. Có lẽ do các loài chim hiện tại phát sinh tương đối nhanh (chỉ trong vòng vài triệu năm) sau một vụ bức xạ nổ ra vào khoảng 65 triệu năm đến 100 triệu năm trước. Kết quả của quá trình phân tách nhanh chóng vào thời điểm đầu lịch sử tiến hóa của điểu cầm chính là nhiều nhóm chim có ngoại hình giống nhau (như chim cú, vẹt hay bồ câu) lại có rất ít hoặc hầu như không có các dạng trung gian liên kết chúng với các nhóm chim khác có cơ sở rõ ràng hơn. Điều này khiến việc xác định một số nhóm có liên quan về mặt tiến hóa như thế nào trở nên rất gian nan.

Rất nhiều nghiên cứu trước đó tìm hiểu về quá trình tiến hóa của loài chim cũng chỉ mang lại các kết quả mâu thuẫn. Nghiên cứu mới này tuy nhiên lại là nghiên cứu đồ sộ nhất bởi số lượng trình tự gen lớn chưa từng có. Nhóm nghiên cứu đã phân tích khoảng 32 kilobazơ thông tin di truyền ở mỗi loài, khối lượng dữ liệu lớn gấp khoảng 5 lần so với bất cứ nghiên cứu nào trước đây. Bên cạnh đó, dữ liệu được phân tích nhờ sử dụng các phương pháp và chương trình khác nhau.

Rebecca Kimball – tác giả chính thứ ba của nghiên cứu đồng thời là phó giáo sư ngành động vật học thuộc đại học Florida, Gainesville – cho biết: “Không giống các nghiên cứu trước đó, chúng tôi đã phát hiện một số nhóm phân chia cơ bản trong chi Neoaves với một vài bằng chứng hỗ trợ (đây là một nhóm điểu cầm cơ bản chiếm tới 95% số lượng chim hiện tại), dấu hiệu này cũng ổn định trong suốt các nghiên cứu khác”.

Các đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học thuộc đại học California, Berkeley, Viện Smithsonian, đại học Stellenbosch (Nam Phi), đại học Maryland, đại học bang Louisiana, đại học bang Wayne, và đại học bang New Mexico. Hơn một nửa thành viên cộng tác hay đào tạo trong nghiên cứu là nữ giới.

Tại bảo tàng Field, đa số các thử nghiệm phân tích và thiết lập trình tự ADN đều được tiến hành tại phòng thí nghiệm Tiến hóa và hệ thống phân tử Pritzker. Phòng thí nghiệm được thành lập vào năm 1974 nhằm nghiên cứu di truyền đồng thời nghiên cứu nhằm bảo tồn tính đa dạng sinh học trên thế giới. Kể từ năm 2000, trên 190 khoa học gia đến từ 29 quốc gia đã được đào tạo tại đây. Hiện nay, có hơn 60 dự án đang được tiến hành tại phòng thí nghiệm Pritzker, nghiên cứu mọi thứ từ cá mập cho đến thực vật và địa y, từ loài chim cú cho đến hồng hạc. Chỉ mới tháng trước, bảo tàng Field đã mở cửa Trung tâm khám phá ADN Daniel F. và Ada L. Rice nhằm tạo nên gương mặt cộng đồng cho phòng thí nghiệm. Trung tâm mới giúp khách tham quan có thể quan sát các họat động trong phòng thí nghiệm ví dụ như quan sát các nhà nghiên cứu tách chiết, lập trình tự và phân tích ADN cho một số dự án, trong đó bao gồm cả dự án Early Bird. Bên cạnh đó, khách tham quan cũng có thể nói chuyện với các nhà khoa học với số lần hạn định trong thời gian làm việc của họ.

Ngoài việc được tham quan khu vực, Trung tâm khám phá ADN có diện tích 1.850 fit vuông cũng được trang bị video, các thiết bị tương tác bằng tay và các biểu trưng chứa đựng nhiều thông tin. Trung tâm dự định mở triển lãm dành cho người lớn cùng các học sinh từ cấp 2 trở lên. Nằm trên ban công nhìn ra đại sảnh Stanley Field, Trung tâm khám phá ADN miễn phí vé vào cửa.

Tính riêng tại Hoa Kì đã có khoảng 82 triệu người quan sát nhận dạng chim, khiến việc này trở thành sở thích phổ biến thứ hai sau làm vườn tại Mỹ. Do đó, những thích thú và kết quả nghiên cứu của dự án Early Bird mang lại sẽ còn có nhiều ảnh hưởng lớn hơn nữa.

Reddy cho biết: “Hiện chúng tôi có một cái cây tiến hóa khổng lồ để từ đó nghiên cứu quá trình tiến hóa của loài chim cùng tất cả các đặc tính thú vị của chúng đã lôi cuốn rất nhiều khoa học gia cũng như những người nghiệp dư nhiều thế kỉ nay. Loài chim có khả năng đa dạng hóa rất lớn (chúng là nhóm có số lượng đông nhất trong số nhóm loài bốn chi). Sử dụng cây phả hệ chúng tôi có thể bắt đầu tìm hiểu tính đa dạng này bắt nguồn từ đâu cũng như mối liên hệ giữa các nhóm điểu cầm diễn ra như thế nào”.