Sự sống đa bào đã tiến hóa như thế nào?

Các tế bào của Dictyostelium purpureum, một loại vi khuẩn đất phổ biến, phát triển để tạo thành sinh vật đa bào.

Các nhà khoa học đang khám phá ra cách thức các tế bào đơn lẻ có thể đã tiến hóa những đặc điểm hành vi nhóm của chúng, mở đường cho sự sống đa bào. Những phát hiện này có thể làm sáng tỏ sự sống phức tạp ngoài trái đất có thể tiến hóa như thế nào ở các thế giới xa lạ.

Các sinh vật đơn bào đầu tiên được biết xuất hiện trên Trái đất khoảng 3,5 tỷ năm trước, khoảng một tỷ năm sau khi Trái đất hình thành. Các dạng sống phức tạp hơn mất nhiều thời gian hơn để tiến hóa, cụ thể là các động vật đa bào đầu tiên xuất hiện khoảng 600 triệu năm trước.

Sự tiến hóa của sự sống đa bào từ các vi khuẩn đơn bào đơn giản hơn là một thời khắc quan trọng trong lịch sử sinh học trên Trái đất và đã tái cấu trúc mạnh mẽ hệ sinh thái trên hành tinh này. Tuy nhiên, một bí ẩn của sinh vật đa bào là tại sao các tế bào không trở lại sự sống đơn bào.

“Sự sống đơn bào rõ ràng là thành công - các sinh vật đơn bào nhiều hơn, phong phú hơn sinh vật đa bào và đã tồn tại ít nhất nhiều hơn khoảng 2 tỷ năm”, Eric Libby, nhà toán sinh tại Viện Santa Fe ở New Mexico, tác giả dẫn đầu nghiên cứu, cho biết. “Vì vậy, cái gì là lợi thế để trở thành đa bào và dừng lại ở sự sống đa bào?”.

Câu trả lời cho câu hỏi này thường là sự hợp tác, do các tế bào được hưởng lợi nhiều hơn từ việc làm việc cùng nhau hơn là khi chúng sống một mình. Tuy nhiên, trong các kịch bản hợp tác, liên tục có những cơ hội hấp dẫn “cho các tế bào trốn tránh trách nhiệm của chúng, đó là sự gian lận”,  Libby nói.

“Ví dụ trong một đàn kiến, chỉ có một con kiến chúa đẻ trứng và các kiến thợ, những con kiến không thể sinh sản, phải hy sinh bản thân cho đàn của nó", Libby nói. “Điều gì ngăn cản những con kiến thợ từ bỏ đàn và tạo ra một đàn mới? Rõ ràng là kiến thợ không thể sinh sản, vì vậy nó không thể bắt đầu một đàn riêng của mình. Nhưng nếu con kiến thợ có một đột biến cho phép nó thực hiện điều đó, sau đó đây sẽ là một vấn đề thực sự cho đàn kiến này. Loại đấu tranh này là phổ biến trong quá trình tiến hóa của sự sống đa bào vì các sinh vật đa bào đầu tiên chỉ có một đột biến so với sinh vật đơn bào”.

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng một nhóm các vi khuẩn tiết ra các phân tử hữu ích mà tất cả các thành viên trong nhóm có thể được hưởng lợi từ đó có thể phát triển nhanh hơn so với các nhóm không tiết ra phân tử hữu ích. Nhưng trong nhóm tiết ra phân tử hữu ích, những kẻ ăn bám không tiêu hao nguồn lực hay năng lượng để tiết ra những phân tử này phát triển nhanh hơn tất cả. Một ví dụ khác là các tế bào phát triển theo cách làm hại đến các thành viên khác trong nhóm của chúng là các tế bào ung thư, là một vấn đề tiềm năng cho tất cả các sinh vật đa bào.

Trên thực tế, nhiều sinh vật đa bào nguyên thủy có thể trải qua cả trạng thái đơn bào và đa bào, cung cấp các cơ hội để từ bỏ một kiểu sống theo nhóm. Ví dụ, vi khuẩn Pseudomonas fluorescens tiến hóa một cách nhanh chóng để tạo ra các thảm đa bào trên bề mặt để tiếp xúc tốt hơn với oxy. Tuy nhiên, khi một thảm đa bào được hình thành, một sinh vật đơn bào không sản xuất keo chịu trách nhiệm hình thành thảm, cuối cùng dẫn đến sự phá hủy thảm đa bào này.

Để giải quyết bí ẩn sự sống đa bào tồn tại như thế nào, các nhà khoa học đang đề xuất những gì họ gọi là “cơ cấu bánh cóc”. Bánh cóc là các thiết bị cho phép chuyển động chỉ theo một hướng. Bằng cách tương tự, cơ cấu bánh cóc có những đặc điểm mang lại những lợi ích trong bối cảnh nhóm nhưng lại có hại cho những sinh vật đơn lẻ, cuối cùng ngăn ngừa sự trở lại trạng thái đơn bào, Libby và đồng tác giả nghiên William Ratcliff tại Viện Công nghệ Georgia ở Atlanta, nói.

Nói chung, càng có nhiều đặc điểm làm cho các tế bào trong một nhóm phụ thuộc lẫn nhau, nó càng có chức năng giống như một bánh cóc. Ví dụ, nhóm tế bào có thể phân chia lao động để một số tế bào phát triển một phân tử quan trọng trong khi các tế bào khác phát triển một hợp chất thiết yếu khác, vì vậy các tế bào này làm tốt hơn khi ở cùng nhau so với làm việc đơn lẻ, một ý tưởng được hỗ trợ bởi các thí nghiệm vi khuẩn gần đây.

Cơ cấu bánh cóc cũng có thể giải thích sự cộng sinh giữa các vi khuẩn cổ đại đã dẫn đến sự sống cộng sinh bên trong các tế bào, chẳng hạn như ty thể và lục lạp tương ứng giúp cho vật chủ của chúng sử dụng oxy và ánh sáng mặt trời. Trong thí nghiệm, các sinh vật đơn bào Paramecia thực hiện kém cỏi khi có nguồn gốc từ các vật cộng sinh quang hợp và kết quả là các vật cộng sinh thường bị mất gen cần thiết cho cuộc sống bên ngoài vật chủ của chúng.

Những cơ cấu bánh cóc này có thể dẫn đến các kết quả dường như vô nghĩa. Ví dụ, cái chết được lập trình sẵn của tế bào (apoptosis) là một quá trình mà một tế bào cơ bản trải qua cái chết tự nhiên. Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy tỷ lệ cao hơn của apoptosis thực sự có thể có lợi. Trong các cụm lớn các tế bào nấm men, các tế bào tự chết đóng vai trò như các liên kết yếu, khi nó chết đi, các nhóm nhỏ tế bào nấm men có thể tách ra và tiếp tục lây lan ở những nơi khác nơi chúng có thể có nhiều chỗ và các chất dinh dưỡng hơn để phát triển.

Nhóm tế bào nấm men. Nếu các tế bào chủ chốt tự chết, các nhóm này có thể tách ra.

“Lợi thế này không hoạt động ở các tế bào đơn lẻ, điều này có nghĩa rằng bất kỳ tế bào nào rời khỏi nhóm sẽ phải chịu sự bất lợi”, Libby nói. “Nghiên cứu này cho thấy một tế bào sống trong một nhóm có thể trải nghiệm một môi trường hoàn toàn khác so với một tế bào sống riêng lẻ. Môi trường này có thể khác đến mức các đặc điểm có hại cho một sinh vật đơn lẻ, như tỷ lệ chết tăng lên, có thể trở thành lợi thế cho các tế bào trong một một nhóm”.

Đối với việc tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh, Libby cho biết nghiên cứu này cho thấy rằng hành vi ngoài trái đất có thể xuất hiện kỳ ​​lạ cho đến khi chúng ta hiểu rằng một sinh vật có thể là một thành viên của một nhóm.

“Những vi khuẩn trong cộng đồng có thể chấp nhận những hành vi đáng nhẽ là kỳ ​​lạ hoặc bất thường khi không cân nhắc thích đáng đến bối cảnh xã hội của chúng”, Libby nói. “Nó thực chất là một lời nhắc nhở rằng một mảnh ghép là một câu đố cho đến khi bạn biết làm thế nào để nó phù hợp với một bối cảnh rộng hơn”.

Theo Vista.gov.vn