Thuyết nội cộng sinh, tiến hóa được thúc đẩy bởi sự đổi mới và đánh cắp

Đôi khi, những tổ hợp mới của các yếu tố sẵn có lại cách mạng hóa sự sống.

Tầm quan trọng của việc kết hợp sáng tạo

Bánh xe đã có mặt trên hành tinh Trái Đất hơn 6000 năm. Va li cũng đã tồn tại hàng thế kỷ. Va li có bánh xe được phát minh chỉ vài thập kỷ trước và đã thay đổi cuộc sống của nhiều người khi đi du lịch. Mỗi khi tôi ở sân bay, những cơ lưng thoải mái của tôi như một cách ăn mừng về việc sáng tạo có thể đến từ sự kết hợp mới. Không chỉ là một quan sát ngẫu nhiên, mối quan hệ giữa đổi mới và sự kết hợp mới của các bộ phận đã là một phần trong lịch sử tiến hóa kéo dài bốn tỷ năm của chúng ta trên Trái Đất, và sẽ là một phần của tương lai chúng ta.

Trong một trong những dự án nghiên cứu đầu tiên của mình vào những năm 1960, Lynn Margulis, khi đó là một sinh viên sau đại học tại Đại học California-Berkeley, đã quan sát sự đa dạng của tế bào ở các sinh vật sống và đưa ra một lý thuyết mới về cách chúng hình thành. Bà đã viết bài báo và nhận được khoảng 15 phản hồi từ chối từ các tạp chí, như bà từng mô tả. Không nản lòng, cuối cùng bà cũng tìm được nơi chấp nhận bài viết ở một tạp chí ít tên tuổi về sinh học lý thuyết. Sự kiên trì bất chấp mọi phản ứng tiêu cực của Margulis là đáng kinh ngạc – đây là một nhà khoa học nữ trẻ tuổi đang ở giai đoạn đầu của sự nghiệp, đối đầu với những nguyên tắc bảo thủ cố hữu.

Quan sát các tế bào động, thực vật và nấm

Margulis đã quan sát các tế bào tạo nên cơ thể động vật, thực vật, và nấm. Những tế bào này có một độ phức tạp mà vi khuẩn không có. Tế bào động và thực vật chứa một nhân, nơi lưu giữ hệ gen. Xung quanh nhân là một số cơ quan nhỏ, còn được gọi là bào quan, thực hiện các chức năng khác nhau. Nổi bật nhất trong các bào quan này là những bộ phận cung cấp năng lượng cho tế bào. Thực vật có lục lạp chứa diệp lục, thực hiện các phản ứng quang hợp để chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành năng lượng có thể sử dụng được. Tương tự, tế bào động vật có ti thể, tạo ra năng lượng từ oxy và đường.

Margulis nhận thấy rằng các bào quan này giống như những tế bào tí hon trong tế bào. Mỗi bào quan có một màng bao quanh, tách biệt với phần còn lại của tế bào. Ti thể và lục lạp sinh sản trong tế bào bằng cách phân chia thành hai, một quá trình gọi là phân đôi. Khi phân chia, các bào quan kéo dài, thắt lại ở giữa tạo thành hình quả tạ, rồi tách ra để tạo thành hai cá thể mới. Những bào quan này thậm chí còn có hệ gen riêng, tách biệt với hệ gen của nhân. Tuy nhiên, hệ gen của bào quan lại rất khác với hệ gen của nhân. Các sợi DNA trong nhân có dạng thẳng; còn trong ti thể và lục lạp, DNA có dạng vòng tròn.

Thuyết nội cộng sinh

Với màng riêng, khả năng sinh sản bằng cách phân đôi và DNA có dạng vòng tròn, cấu trúc của các bào quan đã gợi mở cho Margulis. Bà đã từng thấy các đặc điểm này trước đây – ở vi khuẩn. Vi khuẩn sinh sản bằng cách phân đôi, bao quanh bởi một loại màng tương tự, và có hệ gen trông rất giống với lục lạp và ti thể. Các bào quan cung cấp năng lượng cho tế bào động và thực vật trông giống vi khuẩn hơn là nhân tế bào mà chúng sống.

Từ những quan sát này, Margulis đề xuất một lý thuyết mới, táo bạo về lịch sử tiến hóa. Bà cho rằng lục lạp vốn dĩ là một loài vi khuẩn lam tự do (còn được gọi là tảo lam), đã bị một tế bào khác hấp thu và được sử dụng như những công nhân trao đổi chất, cung cấp năng lượng cho tế bào mới này. Tương tự, ti thể cũng từng là vi khuẩn tự do, hợp nhất với một tế bào khác và được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nó.

Thách thức và xác nhận của thuyết Margulis

Ý tưởng của Margulis gặp phải sự chế giễu hoặc thờ ơ từ nhiều người. Tuy nhiên, may mắn cho Margulis, và cho khoa học nói chung, công nghệ đã bắt kịp với ý tưởng của bà. Nhờ các phương pháp giải trình tự DNA được phát triển vào những năm 1980, lịch sử của các gen trong bào quan có thể được so sánh với hệ gen của nhân tế bào. Cây phả hệ thu được vừa đẹp vừa gây ngạc nhiên. Ti thể và lục lạp không liên quan về mặt di truyền với DNA của nhân tế bào của chúng. Lục lạp có họ hàng gần với các loài vi khuẩn lam khác nhau hơn bất cứ thứ gì khác trong tế bào thực vật. Tương tự, ti thể là hậu duệ của một loài vi khuẩn tiêu thụ oxy và không có quan hệ với nhân của nó. Ngày nay, mỗi tế bào động vật hoặc nấm đều chứa hai dòng họ của sự sống, một của nhân và một có tổ tiên từng là vi khuẩn tự do. Tế bào thực vật có một dòng họ thứ ba với tổ tiên là vi khuẩn lam từng sống tự do.

Sự mượn tính chất giữa các loài

Càng quan sát, chúng ta càng thấy nhiều đặc điểm xuất hiện ở một loài, rồi được mượn, đánh cắp và sửa đổi để sử dụng cho các mục đích mới bởi một loài khác. Theo cách này, các vật chủ thừa hưởng các phần của một phát minh đã có sẵn, thay vì phải tự xây dựng. Những tổ hợp của các bộ phận này, và các kiểu cá thể mới có thể xuất hiện từ đó, mở ra nhiều cơ hội tiến hóa.

Trong hàng tỷ năm, sự sống tồn tại dưới dạng tế bào đơn lẻ, và những phát minh là cách các sinh vật chuyển hóa năng lượng và các chất hóa học xung quanh chúng. Sự sống còn nhỏ bé. Với sự ra đời của các cá thể ngày càng phức tạp, xuất hiện các cách mới để tạo ra protein, di chuyển và kiếm ăn. Sinh vật có cơ thể – động vật, thực vật và nấm – là những cư dân tương đối mới trên hành tinh, và mỗi loài này được tạo thành từ các tế bào có nguồn gốc từ sự hợp nhất của các cá thể khác nhau. Sự xuất hiện của cơ thể đã mở ra một con đường mới cho sự tiến hóa của các sinh vật sống. Các sinh vật đa bào, mỗi tế bào được cung cấp năng lượng bởi bào quan, có thể phát triển lớn hơn và tạo ra các mô và cơ quan mới. Kết quả là sự đa dạng của các mô và cơ quan giúp động vật có thể bay ở độ cao lớn nhất, bơi ở đáy đại dương, và phát minh ra vệ tinh để thăm dò các nơi xa xôi trong hệ mặt trời.

Đánh cắp nhưng theo cách tích cực

Việc kết hợp, mượn và tái sử dụng các công nghệ và phát minh từ các loài khác là một phần trong quá khứ nhiều tỷ năm của chúng ta. Nó cũng là tương lai của chúng ta. Giải Nobel Hóa học năm 2020 được trao cho hai nhà khoa học nữ đã giúp phát minh ra CRISPR-Cas, một kỹ thuật mới để chỉnh sửa hệ gen. Trong tự nhiên, CRISPR là một cơ chế phòng vệ mà vi khuẩn sử dụng để chống lại sự xâm nhập của virus. Có một điều tuyệt vời trong ý tưởng rằng bộ não có ý thức của chúng ta đã đạt được điều mà các tế bào và hệ gen đã làm suốt hàng tỷ năm. Một quá trình được phát minh trong vi khuẩn đã được chuyển thể để thay đổi hệ gen của các loài khác. Kết quả, như những gì Lynn Margulis quan sát được, là một công nghệ được thâu nhận, và khi được tinh chỉnh, có thể thay đổi tiến hóa.