Cách tiến hóa chuyển đổi từ đơn bào sang đa bào

Khi đối mặt với kẻ săn mồi, các tế bào đơn lẻ đôi khi kết hợp lại để tự vệ, mở đường cho sự phát triển của các dạng sống đa bào phức tạp hơn.

Bước ngoặt từ đơn bào sang đa bào

Sự chuyển đổi từ dạng sống đơn bào sang đa bào là một trong những sự kiện quan trọng nhất trong quá trình tiến hóa của sự sống. Được ước tính xảy ra lần đầu tiên cách đây hơn 1,5 tỷ năm, sự chuyển đổi sang dạng đa bào đã tạo ra những dạng sống ngày càng phức tạp trên Trái đất, từ các sinh vật cổ xưa giống tảo đến khủng long và con người. Tuy nhiên, nhiều quy trình cơ bản đằng sau sự thay đổi sinh học này vẫn chưa được làm rõ.

Một lý thuyết cho rằng các sinh vật đơn bào tiến hóa thành đa bào thông qua một chuỗi thích nghi cụ thể. Đầu tiên, các tế bào bắt đầu dính lại với nhau, tạo ra các nhóm tế bào có tỷ lệ sống sót cao hơn, phần nào đó vì kẻ săn mồi khó giết một nhóm tế bào hơn là một tế bào đơn lẻ. Tuy nhiên, sự thích nghi phòng thủ này lại phải trả giá bằng việc giảm tỷ lệ sinh sản; chỉ thông qua các thích nghi được tích lũy qua các thế hệ, các nhóm tế bào mới dần trở nên giỏi sinh sản hơn so với tế bào đơn lẻ.

Mạnh mẽ hơn khi cùng nhau

Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications đã kiểm tra lý thuyết này. Các nhà nghiên cứu đã chia mười dòng Chlamydomonas reinhardtii, một loại tảo lục đơn bào, thành hai nhóm. Một nhóm được đưa vào môi trường có kẻ săn mồi vi mô tên là Brachionus calyciflorus, một loài luân trùng. Nhóm còn lại tiến hóa trong môi trường không có kẻ săn mồi.

Sau sáu tháng, tất cả các dòng tảo đối mặt với kẻ săn mồi đều đã tiến hóa thành các nhóm tế bào. Trong khi đó, chỉ có bốn trong số mười dòng tảo không có kẻ săn mồi tiến hóa thành nhóm. Đáng ngạc nhiên, sự chuyển đổi này sang dạng đa bào đơn giản diễn ra khá nhanh, chỉ trong vòng 500 thế hệ hoặc sáu tháng. (Các tế bào tảo sao chép khoảng một lần mỗi 9 giờ.) Video dưới đây cho thấy kẻ săn mồi gặp khó khăn hơn nhiều khi ăn các tế bào khi chúng tập hợp thành nhóm.

Sau khi các nhóm tế bào tăng cường khả năng tự vệ chống lại kẻ săn mồi, chúng có thể tăng tỷ lệ sinh sản. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng những thích nghi này diễn ra trên mức độ gen và có thể di truyền, cho thấy rằng với đủ áp lực chọn lọc, chẳng hạn như sự săn mồi, tiến hóa hướng đến đa bào có thể là điều không thể tránh khỏi.

Các nhóm tế bào tiến hóa có các biến thể độc đáo giúp giữ các tế bào lại với nhau sau khi phân chia, cho thấy một phản ứng chọn lọc nhất quán ở mức độ gen – các nhà nghiên cứu viết. Mức độ lặp lại khá cao này và số lượng thế hệ nhỏ cho thấy một mức độ tất định nhất định đối với phản ứng hình thái và di truyền của C. reinhardtii khi chịu áp lực săn mồi.

Sự phân công lao động

Theo lý thuyết, khi các nhóm tế bào được thiết lập, các tế bào có thể bắt đầu đảm nhận các chức năng chuyên biệt. Điều này xảy ra thông qua sự phân hóa của tế bào sinh dưỡng và tế bào sinh sản, với các tế bào sinh dưỡng là những tế bào phục vụ các chức năng không phải sinh sản (tránh kẻ săn mồi, khả năng di chuyển và tìm nguồn tài nguyên) và các tế bào sinh sản là những tế bào sản xuất thế hệ tiếp theo.

Tuy nhiên, quá trình chuyên biệt hóa này đi kèm với một cái giá phải trả. Kết quả của nhóm nghiên cứu cho thấy rằng sự chuyển đổi sang dạng đa bào đòi hỏi các nhóm tế bào phải tăng cường tỷ lệ sống sót, điều này làm giảm tỷ lệ sinh sản của nhóm trong ngắn hạn. Một vài lý do khiến tỷ lệ sinh sản giảm bao gồm giảm khả năng hấp thụ tài nguyên, giảm khả năng di chuyển, và giảm tốc độ quang hợp.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng các áp lực chọn lọc khác ngoài việc bị săn mồi cũng có thể dẫn đến việc các tế bào hình thành nhóm, bao gồm căng thẳng môi trường, sử dụng dinh dưỡng hiệu quả hơn, hoặc căng thẳng do muối, có thể đã xuất hiện tình cờ trong thí nghiệm. Nghiên cứu mới này cũng không phải là lần đầu tiên chứng minh rằng việc bị săn mồi có thể thúc đẩy tiến hóa nhanh chóng hướng đến đa bào. Tuy nhiên, nghiên cứu đã làm sáng tỏ cách mà ngay cả những dạng sống đơn giản nhất cũng có thể thích nghi thông qua các đánh đổi chiến lược khi đối mặt với thời kỳ khó khăn.