Liệu sinh sản đơn tính có thể cứu loài kền kền California đang nguy cấp?

Sinh sản đơn tính – liên quan đến sự phát triển của trứng không thụ tinh – đã làm con người say mê từ hàng nghìn năm nay.

Sinh sản đơn tính

Sinh sản đơn tính – liên quan đến sự phát triển của trứng không thụ tinh – đã làm con người say mê từ hàng nghìn năm nay. Mặc dù điều này không thể xảy ra ở động vật có vú, nó có vẻ có thể xảy ra ở các loài động vật có xương sống khác, như chim và thằn lằn.

Một nghiên cứu gần đây do các nhà khoa học từ Vườn thú San Diego ở Hoa Kỳ dẫn đầu đã báo cáo hai con non đực không có bố, được nuôi dưỡng trong chương trình bảo tồn để cứu kền kền California khỏi nguy cơ tuyệt chủng. Liệu loài này có thể được phục hồi chỉ nhờ một cá thể cái sống sót duy nhất không?

Sinh sản giới tính

Sinh sản giới tính là một phần căn bản trong tất cả các loài động vật có xương sống. Thông thường, nó yêu cầu trứng từ một con cái phải được thụ tinh bởi tinh trùng từ một con đực, để mỗi cha mẹ đóng góp một bản sao của bộ gene.

Sự vi phạm quy tắc này, như trường hợp của các con kền kền không có bố, cho chúng ta thấy tại sao sinh sản giới tính lại là một chiến lược sinh học tốt – cũng như cách mà giới tính hoạt động ở tất cả các loài động vật, bao gồm con người.

Cách phát hiện các con non không có bố

Loài kền kền California oai vệ, một loại kền kền lớn nhất ở Bắc Mỹ. Năm 1982, số lượng của loài này giảm xuống chỉ còn 22 cá thể, điều này đã thúc đẩy một chương trình nhân giống bảo tồn đầy tham vọng do Vườn thú San Diego dẫn đầu, giúp số lượng cá thể bắt đầu tăng lên.

Với số lượng chim quá ít, nhóm nghiên cứu phải cẩn thận không chọn các bậc cha mẹ có quan hệ huyết thống gần gũi, vì thiếu sự đa dạng di truyền sẽ dẫn đến con cháu yếu kém và làm tăng nguy cơ tuyệt chủng.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu di truyền chi tiết trên loài chim này để tránh tình trạng đó, sử dụng các dấu hiệu DNA đặc trưng cho kền kền và thay đổi giữa các cá thể. Họ đã thu thập lông, máu và vỏ trứng từ gần 1.000 cá thể trong hơn 30 năm.

Bằng cách phân tích dữ liệu này, họ xác định được mối quan hệ cha mẹ, xác nhận rằng một nửa dấu hiệu DNA trong mỗi con non đến từ một cá thể cái và một nửa từ một cá thể đực, như dự đoán. Họ tiếp tục theo dõi số phận của hàng trăm con non sinh ra trong đàn, và sau đó thả chúng vào tự nhiên.

Nhưng có một điều bất thường về hai con non đực, như được đề cập trong nghiên cứu gần đây. Hai con này, nở cách nhau vài năm từ các trứng do các con cái khác nhau đẻ ra, có các dấu hiệu DNA đều đến từ cá thể mẹ. Không có dấu vết của các dấu hiệu từ con đực mà cá thể cái được ghép đôi với.

Sự phát triển của sinh sản đơn tính

Sự phát triển của trứng không thụ tinh được gọi là sinh sản đơn tính (từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là tạo ra từ trinh nữ). Nó khá phổ biến ở các loài côn trùng và các loài động vật không xương sống khác như rệp và sao biển, và có thể xảy ra bằng nhiều cơ chế khác nhau. Tuy nhiên, ở các loài động vật có xương sống, điều này rất hiếm.

Có những báo cáo về sinh sản đơn tính ở cá và bò sát được nuôi nhốt mà không có con đực. Ở Tennessee, một con rồng Komodo cái cô độc, bị nuôi nhốt trong nhiều năm, đã từ bỏ hy vọng tìm bạn đời và tự sinh ra ba con non sống khỏe mạnh. Một con trăn cái và một con rắn boa cái cũng đã làm được điều tương tự, dù các con non do sinh sản đơn tính này đều chết sớm.

Một số loài thằn lằn, tuy nhiên, đã chấp nhận sinh sản đơn tính như một cách sống. Có những loài chỉ có con cái ở Úc và Hoa Kỳ, trong đó con cái đẻ trứng chỉ mang các tổ hợp gene của chính mình.

Sinh sản đơn tính cũng xảy ra ở gà và gà tây được nuôi không có con đực, nhưng phôi thường chết. Chỉ có vài báo cáo về các con gà tây đực không có bố sống đến tuổi trưởng thành, và chỉ một hoặc hai con trong số đó có thể sản xuất tinh trùng.

Cách thức xảy ra

Ở loài chim, sinh sản đơn tính luôn xảy ra từ một tế bào trứng mang một bản sao duy nhất của bộ gene (hệ đơn bội). Trứng được tạo ra trong buồng trứng của con cái qua một loại phân bào đặc biệt gọi là giảm phân, phân tách bộ gene và giảm số lượng nhiễm sắc thể. Tinh trùng cũng được tạo ra theo cách tương tự trong tinh hoàn của con đực.

Thông thường, một tế bào trứng và một tế bào tinh trùng hợp nhất (thụ tinh), kết hợp bộ gene của cả hai bố mẹ và phục hồi số lượng nhiễm sắc thể bình thường (hệ lưỡng bội).

Nhưng trong sinh sản đơn tính, tế bào trứng không được thụ tinh. Thay vào đó, nó đạt trạng thái lưỡng bội bằng cách hợp nhất với một tế bào khác từ cùng một đợt phân chia – tế bào này thường bị loại bỏ – hoặc bằng cách nhân đôi bộ gene mà không phân chia tế bào.

Do đó, thay vì nhận một bộ gene từ mẹ và một bộ khác từ bố, trứng kết quả chỉ có một phần gene của mẹ ở dạng nhân đôi.

Những con non không có bố luôn là con đực

Kền kền, như các loài chim khác, xác định giới tính qua nhiễm sắc thể Z và W. Hệ thống này hoạt động ngược lại so với hệ XX (con cái) và XY (con đực) ở người, trong đó gene SRY trên nhiễm sắc thể Y quyết định giới tính nam.

Tuy nhiên, ở loài chim, con đực là ZZ và con cái là ZW. Giới tính được xác định bởi số lượng gene (DMRT1) trên nhiễm sắc thể Z. Tổ hợp ZZ có hai bản sao của gene DMRT1 và tạo ra con đực, trong khi tổ hợp ZW chỉ có một bản sao và tạo ra con cái.

Các tế bào trứng đơn bội nhận hoặc một Z hoặc một W từ cá thể mẹ ZW. Các tế bào trứng lưỡng bội sẽ là ZZ (con đực bình thường) hoặc WW (chết). Các phôi WW không thể phát triển vì nhiễm sắc thể W gần như không có gene nào, trong khi nhiễm sắc thể Z có 900 gene quan trọng cho sự phát triển.

Do đó, các con non không có bố nhất thiết phải là con đực ZZ, như đã được quan sát.

Tại sao sinh sản đơn tính không hiệu quả?

Liệu một loài chim nguy cấp như kền kền có thể được phục hồi từ một con cái duy nhất, bằng cách nở ra một con non đực không có bố và sinh sản với nó?

Thực tế thì không hẳn. Hóa ra các cá thể sinh ra từ sinh sản đơn tính không phát triển tốt. Cả hai con kền kền không có bố đều không sinh sản thành công. Một con chết trước khi đạt tuổi sinh sản, và con còn lại thì yếu ớt và bị áp chế – điều này khiến nó khó có khả năng làm bố.

Ở gà và gà tây, sinh sản đơn tính tạo ra các phôi chết hoặc con non yếu. Ngay cả các loài thằn lằn chỉ có con cái, dù có vẻ mạnh khỏe, thực ra cũng là sản phẩm của sự lai giống gần đây giữa hai loài khác nhau, dẫn đến quá trình giảm phân bị rối loạn và không còn lựa chọn nào khác. Các loài này thường không tồn tại lâu dài.

Tại sao sinh sản đơn tính không mang lại hiệu quả

Tại sao các cá thể sinh ra từ sinh sản đơn tính lại phát triển kém? Câu trả lời nằm ở trọng tâm của một câu hỏi sinh học cơ bản: Tại sao chúng ta lại có sự sinh sản giới tính? Người ta có thể nghĩ rằng sẽ hiệu quả hơn nếu bộ gene của mẹ được truyền thẳng cho con mà không cần đến giảm phân.

Nhưng bằng chứng cho thấy rằng không tốt khi có một bộ gene chỉ từ mẹ. Sự đa dạng di truyền là vô cùng quan trọng đối với sức khỏe của cá thể và loài của nó. Sự kết hợp giữa các biến thể gene từ bố và mẹ là điều cần thiết.

Ở con cái lưỡng bội với hai bộ gene từ hai bố mẹ, các biến thể tốt có thể bù đắp cho các gene đột biến. Những cá thể chỉ nhận gene từ mẹ có thể mang hai bản sao của một gene đột biến từ mẹ, làm suy yếu chúng – mà không có phiên bản khỏe mạnh từ bố để bù đắp.

Sự đa dạng cũng giúp bảo vệ các quần thể khỏi các virus, vi khuẩn và ký sinh trùng gây chết chóc. Giảm phân và thụ tinh mang lại nhiều sự sắp xếp lại của các biến thể gene khác nhau, điều này có thể gây bối rối cho các mầm bệnh. Nếu không có sự bảo vệ này, các mầm bệnh có thể phát triển mạnh trong một quần thể nhân bản, và một quần thể có tính di truyền tương đồng sẽ không có cá thể nào kháng bệnh.

Do đó, khả năng sinh sản không cần bố của kền kền cái không có khả năng cứu loài này. Tuy nhiên, nỗ lực của con người đã dẫn đến hàng trăm con cái – và con đực – đang bay lượn trên bầu trời California.