Phát hiện mới về quá trình tiến hóa của sự sống

Con người có thể đã không tồn tại trên Trái Đất nếu không có sự kết hợp của hai prokaryotes – dạng sống nhỏ bé chưa có nhân tế bào. Nhà sinh vật học phân tử của UCLA, James A. Lake, công bố kiến thức mới quan trọng về prokaryote và sự tiến hóa của sự sống trên tạp chí Nature số ngày 20 tháng 8.

Cộng sinh nội là trường hợp một tế bào sống bên trong một tế bào khác. Nếu hai tế bào sống cùng nhau đủ lâu chúng sẽ trảo đổi gen; chúng kết hợp với nhau nhưng thường giữ màng tế bào và đôi khỉ cả hệ gen của bản thân.

Lake đã phát hiện cộng sinh nội prokaryotes đầu tiên. Tất cả các cộng sinh nội khác từng được biết đến đều có sự tham gia của một eukaryote – tế bào có nhân. Eukaryote được tìm thấy trong tất cả cac dạng sống đa bào bao gồm con người, động vật và thực vật.

Lake, giáo sư danh dự về sinh học phân tử, tế bào và phát triển và di truyền học ở người, cho biết: “Mối quan hệ này đã dấn đến một dạng sống hoàn toàn khác trên Trái Đất. Chúng tôi đã nghĩ rằng luôn cần đến sự có mặt eukaryote để thực hiện điều đó, nhưng chúng tôi đã sai”.

Trong bài báo trên tờ Nature, Lake báo cáo rằng hai nhóm prokaryotes – actinobacteria và clostridia – đã kết hợp với nhau để tạo ra prokaryotes “hai màng”.

Lake cho biết: “Dạng sống cao cấp hơn có thể đã không tồn tại nếu không có sự kiện này. Đây là những sinh vật hết sức quan trọng. Vào thời điểm hai prokaryotes này tiến hóa, không hề có oxy trong khí quyển của Trái Đất. Con người không thể sống, và không có sinh vật hít thở oxy nào có thể sống”.

Oxy trên Trái Đất là kết quả của một phân nhóm của những prokaryotes hai màng này. Phân nhóm này, cyanobacteria, đã sử dụng năng lượng của Mặt Trời để tạo ra oxy qua quá trình quang hợp. Chúng đã sinh sản rất nhanh chóng, đẩy oxy vào khí quyển; chúng ta không thể thở mà thiếu chúng. Thêm vào đó, sự kết hợp của prokaryotes hai màng đã cung cấp mitochondria xuất hiện trong tất cả các tế bào của con người.

Ảnh hiển vi electron của một loài actinobacteria: Actinomyces israelii. (Ảnh: Wikipedia)

“Nghiên cứu này là một bước tiến mới trong công cuộc tìm hiểu làm thế nào một nhóm vật đã học được cách sử dụng năng lượng Mặt Trời và tạo ra thay đổi môi trường lớn nhất từ trước đến nay trên Trái Đất, và trong trường hợp này để lại những kết quả hết sức có lợi”, Carl Pilcher cho biết. Ông là giám đốc Học viện sinh học ngoài không gian NASA, có trụ sở tại Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA tại Moffett Field, Calif, nơi đồng tài trợ cho nghiên cứu cùng Quỹ khoa học quốc gia.

"Ngoài việc những sinh vật này – prokaryotes hai màng – có thể sử dụng ánh sáng mặt trời”, Lake cho biết, “chúng đã thu thập nguồn năng lượng dồi dào này. Chúng có sự đa dạng di truyền hơn bất cứ loại prokaryotes nào khác”.

Ông nói: “Chúng tôi có một dòng gen từ hai sinh vật khác nhau, clostridia và actinobacteria. Vì nhóm sở hữu dòng gen này có hai màng, chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng đã có sự cộng sinh nội dẫn đến hai màng. Có vẻ như một sinh vật một màng đã “nuốt” một sinh vật khác. Bộ gen của chúng cho chúng ta biết prokaryotes hai màng kết hợp những chuỗi gen từ hai sinh vật khác nhau”.

Trong nghiên cứu này, Lake đã nhìn lại quá khức hơn 2,5 tỷ năm trước. Ông đã thực hiện phân tích gen của 5 nhóm prokaryotes.

Lake rất quan tâm và thích tìm hiểu mối liên hệ giữa các sinh vật đối với nhau.

Ông giải thích: “Chúng ta đều rất quan tâm đến tổ tiên của mình. Một người bạn của tôi tại UC Berkerley, Alan Wilson, là người đầu tiên thu thập ADn của một số lượng lớn người trên thế giới. Anh ta chỉ ra rằng chúng ta đều có quan hệ họ hàng với một người phụ nữ sống tại châu Phi 200.000 năm trước. Một số người trong giới thông tin đại chúng gọi bà là Eve, còn anh ta gọi bà là người mẹ may mắn, người mẹ của tất cả chúng ta”.

“Trong lĩnh vực này, chúng tôi có một lượng lớn dữ liệu nhưng không thể hiểu hết. Cộng sinh nội cho phép chúng tôi bắt đầu làm rõ dần các sự việc; nó cho chúng tôi biết rất nhiều gen đã được trao đổi”.

“Chúng tôi đã bỏ qua tầm quan trọng của sự cộng tác. kết hợp. Nếu hai prokaryotes đến với nhau, chúng có thể thay đổi thế giới. Chúng đã tái cơ cấu khí quyển của Trái Đất. Đó là một thông điệp của quá trình tiến hóa đối với chúng ta: Cộng tác, kết hợp là con đường tiến lên phía trước”.

Actinobacteria có thành phần ADN bất thường, với lượng necleotit “G” và “C” rất cao – những hóa chất chứa dữ liệu cần thiết cho việc hình thành protein. Nucleotit được đặt theo chữ cái G (guanine), C (cytosine), A (adenine) và T (thymine); chuỗi nucleotit có tác dụng như mã hóa hóa học.

Một số actinobacteria là mầm bệnh, bao gồm bệnh lao và bệnh phong. Một số clostridia có thể quang hợp, một điều mà không prokaryote một màng nào có thể làm được. Quang hợp có thể đã được phát triển đầu tiên trong clostridia.

Prokaryotes hai màng bao gồm các mầm bệnh gây ung nhọt, cùng các sinh vật dẫn đến sự hình thành lạp lục trong tất cả các thực vật xanh và là tiền đề cho sự phát triển của thực vật.