Cây ăn thịt đã trở thành kẻ săn mồi như thế nào?

Cây ăn thịt từ lâu đã là chủ đề thu hút sự chú ý kể từ khi chế độ ăn kỳ lạ của chúng được phát hiện.

Vào cuối thế kỷ 19, những câu chuyện ly kỳ về các loài cây sát thủ bắt đầu xuất hiện khắp nơi. Những cây khổng lồ với xúc tu khủng khiếp đã bắt giữ và nuốt chửng những người du hành bất cẩn ở những vùng đất xa xôi. Các giáo sư điên rồ nuôi dưỡng cây gọng vó và cây nắp ấm bằng thịt sống cho đến khi những sinh vật khát máu này quay lại và ăn chính người đã nuôi chúng.

Arthur Conan Doyle trẻ tuổi gắn bó với khoa học nhiều hơn trong một câu chuyện về loài cây ăn thịt mà mọi người đều yêu thích, cây bắt ruồi Venus. Dựa trên những khám phá thực vật mới nhất, ông mô tả chính xác các bẫy hai thùy, cách chúng bắt côn trùng và cách chúng tiêu hóa con mồi. Nhưng ngay cả trong câu chuyện của ông, những chiếc bẫy cũng lớn đến mức khó tin, đủ lớn để nhốt và tiêu hóa một con người. Những câu chuyện về Cây ăn thịt người và ăn thịt người đang trở thành một xu hướng, và nguyên nhân có thể truy ngược về Charles Darwin.

Cho đến thời của Darwin, hầu hết mọi người đều từ chối tin rằng thực vật có thể ăn động vật. Điều này đi ngược lại với trật tự tự nhiên: động vật di chuyển mới ăn, còn thực vật là nguồn thức ăn và không thể di chuyển – nếu chúng giết chết thứ gì đó thì chắc chắn đó là tự vệ hoặc vô tình. Darwin đã dành 16 năm để thực hiện các thí nghiệm tỉ mỉ chứng minh điều ngược lại. Ông cho thấy rằng lá của một số loài thực vật đã được biến đổi thành những cấu trúc thông minh không chỉ để bẫy côn trùng và các sinh vật nhỏ khác mà còn để tiêu hóa chúng và hấp thụ các chất dinh dưỡng được giải phóng từ cơ thể của chúng.

Thời kỳ đầu khám phá về Cây ăn thịt

Năm 1875, Darwin xuất bản cuốn sách Insectivorous Plants (Các loài thực vật ăn côn trùng), trong đó chi tiết hóa tất cả những gì ông đã khám phá. Đến năm 1880, ông xuất bản thêm một cuốn sách khác phá bỏ những định kiến, The Power of Movement in Plants (Sức mạnh của sự chuyển động ở thực vật). Nhận thức rằng thực vật có thể di chuyển cũng như giết chóc đã truyền cảm hứng không chỉ cho một thể loại kinh dị được ưa chuộng mà còn cho các thế hệ nhà sinh học muốn hiểu về những thói quen bất thường của thực vật.

Hiện nay, Cây ăn thịt lại một lần nữa trở thành chủ đề thu hút sự chú ý khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm hiểu câu hỏi lớn của lĩnh vực thực vật học: Làm thế nào những loài thực vật có hoa vốn hiền lành trở thành những kẻ ăn thịt tàn bạo?

Kể từ những khám phá của Darwin, các nhà thực vật học, sinh thái học, côn trùng học, sinh lý học và sinh học phân tử đã nghiên cứu mọi khía cạnh của các loài cây này. Chúng sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để bẫy con mồi, từ những chiếc bình chứa đầy dịch để nhấn chìm con mồi, lá dính keo giấy bẫy ruồi đến bẫy kẹp và bẫy hút dưới nước. Họ đã ghi chép chi tiết về những gì thực vật bắt được và cách chúng làm điều đó – cũng như những lợi ích và chi phí của lối sống khác thường này.

Gần đây, các tiến bộ trong khoa học phân tử đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về các cơ chế cơ bản của cuộc sống ăn thịt: cách bẫy bắt ruồi đóng nhanh chóng, cách nó biến thành dạ dày nghiền nát côn trùng và sau đó thành ruột để hấp thụ phần còn lại của con mồi. Nhưng câu hỏi lớn vẫn chưa được giải đáp: Làm thế nào tiến hóa đã trang bị cho những loài thực vật này khả năng ăn thịt?

Cách thức tiến hóa hình thành Cây ăn thịt

Các hóa thạch gần như không cung cấp bất kỳ manh mối nào. Có rất ít hóa thạch, và chúng không thể hiện các chi tiết phân tử có thể gợi ý cho một lời giải thích. Theo nhà vật lý sinh học Rainer Hedrich của Đại học Würzburg, Đức, người đã khám phá nguồn gốc của loài ăn thịt trong bài báo Annual Review of Plant Biology năm 2021, các công nghệ giải trình tự DNA hiện đại cho phép các nhà nghiên cứu có thể khám phá câu hỏi này theo cách khác. Họ tìm kiếm các gen liên quan đến chế độ ăn thịt, xác định khi nào và ở đâu các gen này được kích hoạt, và truy tìm nguồn gốc của chúng.

Không có bằng chứng cho thấy các loài Cây ăn thịt đã ăn cắp các gen từ những con mồi của chúng. Thay vào đó, một loạt phát hiện gần đây chỉ ra rằng chúng đã áp dụng và tái sử dụng các gen sẵn có có chức năng từ lâu đời trong các loài thực vật có hoa.

Evolution (Tiến hóa) là một quá trình lén lút và linh hoạt. Nó tận dụng các công cụ sẵn có hơn là tạo ra thứ gì đó mới.

Hành trình đến sự săn mồi

Dù có vẻ kỳ quặc, quá trình trở thành loài ăn thịt đã xuất hiện nhiều lần trong suốt hơn 140 triệu năm thực vật có hoa tồn tại. Sự thích nghi này đã tiến hóa độc lập ít nhất 12 lần, theo nhà sinh học tiến hóa Tanya Renner tại Đại học Penn State.

Mỗi lần, động lực thúc đẩy quá trình tiến hóa đều giống nhau: nhu cầu tìm một nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu thay thế. Các loài Cây ăn thịt phát triển ở các đầm lầy, đầm lầy bùn, vùng nước nghèo dinh dưỡng hoặc các tầng đất nhiệt đới mỏng, tất cả đều là môi trường thiếu nitơ và phốt pho cần thiết cho sự sinh trưởng. Côn trùng giàu protein và các loài động vật không xương sống nhỏ khác là nguồn cung cấp dồi dào cả hai chất này cùng với các yếu tố khác giúp thực vật phát triển mạnh mẽ. Một cây bẫy ruồi Venus có thể sống đến ba tuần chỉ với một côn trùng lớn, Hedrich nói. Nếu nó bắt được nhiều côn trùng, nó sẽ sản sinh nhiều lá và bẫy hơn.

Hiện nay có khoảng 800 loài ăn thịt đã được biết đến. Một số loài, như cây bình và nhiều loại cây bắt ruồi (sundews), là những loài thụ động thu hút con mồi – mặc dù chúng có những thích nghi khéo léo như viền trơn trượt và lông dính để giữ chắc con mồi. Một số loài khác thì chủ động hơn: Một số loài sundews uốn cong vào trong, đẩy con mồi vào trung tâm dính của bẫy, trong khi một số ít có vòng ngoài với các xúc tu di chuyển nhanh để tấn công con mồi. Phức tạp nhất là cây bẫy ruồi Venus, Dionaea muscipula, với các lông kích hoạt nhạy cảm và bẫy đóng lại có thể phân biệt được va chạm của côn trùng với giọt mưa hoặc lá rụng và có thể đánh giá kích thước của con mồi để phản ứng cho phù hợp.

Dù có sự khác biệt lớn về hình dáng, hình thái và phương thức tiêu diệt con mồi, tất cả các bẫy đều là những chiếc lá hoặc một phần của lá đã được biến đổi. Điều này có nghĩa là các loài thực vật này không chỉ lấy dinh dưỡng từ một nguồn khác mà còn qua một con đường khác, chủ yếu là qua lá thay vì qua rễ, Renner nói.

Làm thế nào các chiếc lá thực hiện các chức năng khác hẳn một chiếc lá?

Để tìm hiểu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật omics – genomics (hệ gene học), transcriptomics (hệ phiên mã học) và proteomics (hệ protein học). Họ so sánh hệ gene của các loài Cây ăn thịt và không ăn thịt; giải trình tự các phiên bản RNA mang hướng dẫn gene để xem gene nào được kích hoạt ở đâu và khi nào; và lập danh sách các protein để tìm hiểu những protein nào mà bẫy sản sinh trong các bữa ăn của chúng.

Nhiều đặc điểm của lối sống ăn thịt vẫn chưa tiết lộ bí mật về gene của chúng. Nhưng các nghiên cứu về hai yếu tố đáng sợ nhất của chúng – tiêu hóa và hấp thụ – đang cho thấy cách tiến hóa tái sử dụng các gene sẵn có, đưa một số vào hoạt động ở các nơi mới và điều chỉnh các gene khác để phù hợp với các vai trò mới. Trong nhiều trường hợp, các loài thực vật tiến hóa thành loài ăn thịt hoàn toàn độc lập đã tái sử dụng cùng các gene. Đối diện với vấn đề tiêu hóa xác động vật, chúng đều tìm đến cùng một giải pháp, Albert cho biết. Và cốt lõi của sự biến đổi này là hệ thống phòng thủ cổ xưa của thực vật.

Vào những năm 1970, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng dịch tiêu hóa trong các bẫy chứa các enzyme hoạt động rất giống với nhiều vũ khí hóa học mà thực vật sử dụng để chống lại vi khuẩn có hại, nấm và các loài côn trùng ăn lá. Ban đầu, không rõ liệu các loài Cây ăn thịt có tự sản sinh các enzyme đó hay vi sinh vật sống trong các bẫy của chúng thực hiện công việc này. Từ đó, các nhà thực vật học đã xác nhận rằng Cây ăn thịt tự tạo ra nhiều enzyme đó và đã phát hiện ra hàng tá enzyme khác nữa. Công nghệ giải trình tự nhanh và rẻ ngày nay đã cho phép các nhà khoa học xác định nhiều gene mã hóa các enzyme tiêu hóa này và theo dõi hoạt động của chúng khi cây bẫy và xử lý con mồi.

Các enzyme bao gồm chitinase, giúp phân hủy lớp vỏ chitin của côn trùng; protease phân hủy thịt, giúp phân giải protein; và purple acid phosphatase, giúp cây trích xuất phốt pho có thể sử dụng từ xác con mồi bị phân hủy. Tất cả chúng đều đã đóng vai trò trong hệ thống phòng thủ lâu đời và phổ biến của thực vật có hoa. Các gene tạo enzyme đó đã được tái sử dụng khi thực vật bắt đầu ăn những thứ mà trước đây chúng chỉ tự vệ khỏi, Albert nói. Chitinase có khả năng ban đầu là phòng vệ chống lại nấm, có chứa chitin trong thành tế bào của chúng. Sau này, sau khi các loài động vật chân đốt tiến hóa, chúng giúp chống lại chúng. Các enzyme phân hủy protein cũng giúp chống lại những kẻ tấn công.

Xu hướng tiến hóa trong việc tận dụng và điều chỉnh các công cụ sẵn có không chỉ dừng lại ở tiêu hóa

Khi chitin, protein và DNA bị phân giải thành các phân tử nhỏ hơn, chiếc bẫy phải di chuyển chúng từ thế giới bên ngoài vào bên trong cây. Ở những loài thực vật thông thường, việc hấp thụ chất dinh dưỡng là nhiệm vụ của rễ, nơi các protein vận chuyển liên tục chuyển chất từ đất vào cây. Bạn có thể không mong đợi sẽ thấy những protein này hoạt động ở lá, Renner nói.

Tuy nhiên, đó chính xác là điều mà đồng nghiệp của Hedrich, Sönke Scherzer, đã phát hiện ở cây bắt ruồi Venus khi nó xử lý con mồi: ông gần đây đã xác định được các protein vận chuyển cho hai chất dinh dưỡng quan trọng nhất đối với thực vật là nitơ và kali. Dường như, để giúp lá có thể hấp thụ chất dinh dưỡng, tiến hóa đã hợp nhất các gen của rễ và đưa chúng vào hoạt động ở một nơi mới. Điểm khác biệt là các gen vận chuyển luôn hoạt động ở rễ, nhưng ở bẫy thì chúng chỉ được kích hoạt khi chất dinh dưỡng bắt đầu di chuyển từ con mồi đang phân hủy.

Con đường của tất cả các loài ăn thịt?

Sự hợp nhất là một động lực quan trọng của sự đổi mới trong tiến hóa, và thường bắt đầu từ sự sao chép gen ngẫu nhiên trong quá trình phân chia tế bào. Phần lớn các gen sao chép không có chức năng cụ thể và cuối cùng sẽ mất đi. Nhưng nếu các gen thừa này phát triển các đột biến hữu ích, điều này có thể mở ra con đường để thay đổi chức năng. Sự sao chép gen luôn diễn ra và đôi khi mang tính thích nghi cao, Albert nói. Điều này dường như là cách mà các loài Cây ăn thịt tiến hóa khả năng tiêu hóa thịt — ít nhất là đối với các gen đã được kiểm tra cho đến nay.

Điều khiến các nhà khoa học ngạc nhiên hơn nữa là phát hiện ra rằng mỗi khi một dòng loài ăn thịt mới xuất hiện, quá trình tiến hóa đều tác động đến cùng một nhóm gen.

Năm 2017, nhà sinh học tiến hóa Kenji Fukushima, đồng nghiệp của Hedrich và đồng tác giả của bài báo năm 2021 trong Annual Review, đã tham gia cùng Albert và một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế để giải trình tự bộ gen của một loài cây ăn thịt ở Úc tên là Cephalotus follicularis. Giống nhiều loài ăn thịt khác, nó bẫy con mồi trong những chiếc bình — trong trường hợp này là những chiếc bình nhỏ, ngắn, có miệng sắc như răng — nhưng nó lại nằm ở một nhánh khác biệt trên cây phả hệ thực vật.

Các loài cây ăn thịt trong một chậu

Loài cây độc đáo của Úc, Cephalotus follicularis, chỉ mọc ở các đầm lầy than bùn ở phía tây nam xa xôi của đất nước. Phân tích di truyền của loài này đã tiết lộ cách các loài thực vật không liên quan đã tiến hóa kỹ năng ăn thịt bằng cách hợp nhất và tái sử dụng cùng một gen.

Nhóm nghiên cứu đã xác định nhiều gen liên quan đến các khía cạnh khác nhau của thói quen ăn thịt của nó, từ cách cây thu hút con mồi đến cách nó làm cho bên trong bình của nó quá trơn để côn trùng có thể thoát ra. Điều ngạc nhiên lớn là khi họ điều tra nguồn gốc của các enzym tiêu hóa ở Cephalotus và ba loài không liên quan khác: Nepenthes alata (một loài cây bình châu Á), cây bình Bắc Mỹ Sarracenia purpurea và một loài gọng vó Drosera adelae. Tất cả chúng, hóa ra, đã tái sử dụng các enzym cổ đại giống nhau — những enzym tương đồng được xác định trước đó ở cây bắt ruồi Venus. Năm loài này đại diện cho ba dòng cây ăn thịt độc lập. Đây là một ví dụ kinh điển của tiến hóa hội tụ, Albert nói. Điều này gợi ý rằng chỉ có những con đường hạn chế để trở thành một loài Cây ăn thịt.

Đào sâu hơn, Fukushima phát hiện ra rằng tiến hóa hội tụ còn vượt xa việc hợp nhất cùng một gen. Một khi các enzym đã đảm nhận vai trò mới liên quan đến ăn thịt, chúng tiếp tục tiến hóa, thay đổi một số axit amin của chúng thành các axit khác giúp cải thiện hiệu suất, có lẽ bằng cách kéo dài thời gian hoạt động của chúng trong hỗn hợp các chất hóa học phân hủy protein đầy bất lợi. Fukushima phát hiện ra rằng các thay thế axit amin tương tự cũng xuất hiện ở các loài cây không liên quan.

Sự phiền phức khó tránh

Khi họ tiếp tục khám phá sự ăn thịt, các nhà nghiên cứu đang xác định ngày càng nhiều enzym hơn. Nhưng lặp đi lặp lại, chúng tôi nhận thấy rằng chúng có các chức năng tương tự trên các loài khác nhau xa nhau, Renner nói, người đứng đầu một nghiên cứu lớn về vai trò của hợp nhất trong việc hình thành các loài ăn thịt. Tuy nhiên, mặc dù điều này củng cố ý tưởng rằng các loài Cây ăn thịt đã phát triển các kỹ năng tiêu hóa mới theo cách tương tự, nhưng có một nghi ngờ ngày càng tăng rằng điều này có thể không đúng với cơ chế quan trọng kiểm soát toàn bộ quá trình bằng cách kích hoạt các gen phù hợp vào đúng thời điểm.

Chuỗi sự kiện trong việc bẫy và tiêu hóa được hiểu rõ nhất ở cây bắt ruồi Venus, loài Cây ăn thịt được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất. Nếu một côn trùng không cảnh giác đậu vào một trong những cái bẫy của nó và chạm vào một sợi lông cảm ứng, nó sẽ kích hoạt một tín hiệu điện. Nếu nó chạm vào sợi lông thứ hai – chứng minh rằng đó là con mồi chứ không phải một mảnh bụi hay lá chết – thì cái bẫy sẽ nhanh chóng khép lại.

Khi côn trùng cố thoát thân và kích hoạt thêm các tín hiệu điện, cái bẫy cũng bắt đầu sản sinh ra các chất hóa học gọi là jasmonate, cung cấp tín hiệu để bịt kín các mép của cái bẫy và bắt đầu đổ đầy các enzym. Khi xác côn trùng phân hủy, cái bẫy tăng cường sản sinh enzym và bắt đầu sản sinh các protein vận chuyển chất dinh dưỡng, cũng dưới sự điều khiển của jasmonate. Đây là một sự mượn trực tiếp từ hệ thống phòng vệ của thực vật, phản ứng với sự tấn công của côn trùng bằng cách gửi tín hiệu điện để cảnh báo các tế bào lân cận – sau đó chúng tổng hợp jasmonate, rồi kích hoạt sản sinh các protein phòng vệ.

Vì hệ thống phòng vệ jasmonate có ở tất cả các loài thực vật có hoa, nó là ứng viên hàng đầu cho việc được tuyển dụng vào mục đích ăn thịt. Thực tế, Renner nói, dự đoán ban đầu của chúng tôi là quá trình điều khiển có thể giống nhau ở tất cả các loài Cây ăn thịt. Và đúng là nó giống nhau đối với cả cây bình Nepenthes và cây gọng vó, cũng như cây bắt ruồi, nhưng ba loài này đều thuộc cùng một bộ thực vật, nên điều này không quá ngạc nhiên. Tuy nhiên, nếu nhìn ra ngoài ba loài này, cụ thể là ở loài cây ít được chú ý là cây bơ (butterwort), thì có một điều gì đó kỳ lạ hiện ra.

Cây bơ (Pinguicula) là những cây khiêm tốn, với các chùm lá nhỏ được bao phủ bởi các tuyến nhỏ tiết ra chất nhầy dính và các enzym tiêu hóa. Phần lớn cây bơ hoàn toàn thụ động, mặc dù một số loài có thể cuộn mép lá vào trong, phủ thêm phần lớn con côn trùng trong chất dính chết người. Năm 2020, cây bơ bắt đầu thu hút nhiều sự chú ý hơn sau khi một báo cáo từ phòng thí nghiệm vật lý sinh học của Andrej Pavlovič tại Đại học Palacký ở Cộng hòa Séc được công bố.

Pavlovič và các đồng nghiệp của ông phát hiện rằng khi họ cho cây bơ ăn một lượng ruồi giấm hào phóng, cây này phản ứng bằng cách sản sinh ra nhiều enzym, nhiều enzym trong số đó giống với những enzym đã được xác định ở các loài Cây ăn thịt khác. Cho đến đây, mọi thứ khá tương đồng. Nhưng khi nói đến vai trò của jasmonate trong việc kích hoạt sản xuất enzym, câu chuyện hoàn toàn khác.

Giống như ở các loài thực vật có hoa khác, jasmonate điều khiển hệ thống phòng vệ của cây bơ trước kẻ thù của nó. Chọc vào lá 10 hoặc 15 lần bằng kim để mô phỏng sự tấn công của côn trùng đã thúc đẩy sự gia tăng lớn của jasmonate trong lá. Ngược lại, con mồi hầu như không kích hoạt phản ứng. Nhóm nghiên cứu thử một phương pháp khác, phun jasmonate trực tiếp lên lá: Ở cây bắt ruồi và cây gọng vó, điều này gây ra sự bùng nổ sản sinh enzym tiêu hóa. Còn ở cây bơ – không có gì cả.

Vậy là cây bơ có cách hoạt động khác biệt, mặc dù chính xác là chúng hoạt động ra sao vẫn chưa được biết. Cây bơ khiến chúng tôi phải gãi đầu suy nghĩ, Renner nói. Câu hỏi là, bao nhiêu loài Cây ăn thịt khác đã tìm ra cách riêng của chúng?

Nếu Darwin còn ở đây ngày nay, ông sẽ sẵn sàng giải đáp những bí ẩn còn lại về những loài thực vật kỳ diệu nhất. ông sẽ không nhận ra các kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu hiện đại có trong tay và sẽ ngạc nhiên trước lượng dữ liệu có thể được xử lý trong vài giây. Nhưng khi nói đến việc thiết kế các phương pháp thử nghiệm để kiểm tra lý thuyết, ông sẽ hoàn toàn quen thuộc. Giải trình tự bộ gen, đếm và phân tích các gen là không đủ, Renner nói. Bạn vẫn phải tiến hành thí nghiệm để tìm ra chức năng của các gen và cách chúng hoạt động.

Và điều đó có nghĩa là phải cho những loài cây ăn thịt ăn. Darwin cho cây của mình ăn thịt nướng và trứng luộc, phô mai, đậu và các món giàu protein khác. Ngày nay, thực đơn thường bao gồm các loại mẫu nền ít hấp dẫn hơn, được pha với lượng nitơ đo lường chính xác — nhưng không nghi ngờ gì rằng Darwin sẽ cảm thấy hoàn toàn như ở nhà.