TiaSang
Thứ hai, Ngày 14 tháng 6 năm 2021
Đổi mới sáng tạo

Ranh giới đã trở thành cầu nối trong quá trình tiến hóa như thế nào?

22/08/2020 07:30 -

Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications đã đưa ra lý giải cho câu hỏi này dựa trên sự tiến hóa của các sắc tố trong bộ lông của một loài chim ở Bắc Mỹ.

Có một nghịch lý trong thuyết tiến hóa, đó là: các sinh vật tồn tại được đến ngày nay là nhờ chúng có khả năng biến đổi khi môi trường cũ biến mất. Tuy nhiên, các sinh vật lại tiến hóa để phù hợp với các ổ sinh thái cụ thể.

“Sự chuyên biệt hóa với độ chính xác ngày càng tăng lên đáng nhẽ ra phải dẫn đến một con đường cụt trong quá trình tiến hóa, tuy nhiên thực tế lại không phải vậy. Làm thế nào mà khả năng thích ứng với môi trường hiện tại dung hòa được với khả năng biến đổi là câu hỏi cơ bản nhất trong sinh học tiến hóa”, Alex Badyaev, giáo sư sinh thái học và sinh học tiến hóa ở đại học Arizona, đồng tác giả của bài báo công bố trên Nature Communications cho biết.

Theo Badyaev, có hai đáp án khả thi cho câu hỏi trên. Đáp án thứ nhất đó là các cơ chế cho phép sinh vật thích ứng tốt với môi trường hiện tại của chúng và các cơ chế tạo nên sự thay đổi để thích ứng là hai cơ chế khác nhau - cơ chế sau bị triệt tiêu khi sinh vật ngày càng phù hợp với môi trường sống của mình và chỉ được kích hoạt khi môi trường thay đổi. Đáp án thứ hai đó là các cơ chế làm cho sinh vật thích ứng với môi trường sống hiện tại cũng tự biến đổi trong quá trình tiến hóa.

“Việc phân biệt các khả năng này là một thách thức lớn bởi trong sinh học tiến hóa, chúng ta nhất thiết phải nghiên cứu các quá trình từng diễn ra trước đây, trong khi những sự kiện này lại xảy ra rồi và chúng ta đã bỏ lỡ”, ông nói. “Do vậy, thay vào đó, chúng tôi đưa ra kết luận về những gì đã qua từ việc so sánh các loài đang tồn tại ngày nay. Mặc dù phương pháp tiếp cận này có thể cho chúng tôi biết cách các sinh vật hiện nay thích ứng với môi trường sống như thế nào, nó không thể lý giải được nhờ đâu mà những sinh vật này làm được điều đó”.

Cuối cùng, kết quả của nhóm nghiên cứu đã củng cố tình huống đầu tiên trong hai đáp án nói trên. Các cơ chế giúp cho sinh vật hòa hợp với môi trường sống và các cơ chế chịu trách nhiệm cho sự biến đổi là những cơ chế khác nhau và chúng diễn ra tuần tự trong quá trình tiến hóa.

Manh mối Carotenoid

Badyaev và nhóm nghiên cứu của mình đã lựa chọn một loài chim sẻ sa mạc Sonoran phổ biến để quan sát trực tiếp sự thích nghi của chúng với môi trường mới, trong khi đặc biệt chú ý đến các cơ chế liên quan. Loài chim này trong thế kỷ vừa qua đã sinh trưởng rộng khắp Bắc Mỹ và hiện chiếm phạm vi sinh thái lớn nhất so với bất kỳ loài chim nào đang sống ngày nay.

Những con chim này tự “tô màu” cho bản thân bằng cách ăn và tích hợp các phân tử sắc tố có tên carotenoid vào bộ lông của mình.

“Carotenoid là những phân tử lớn. Việc đưa chúng vào các bộ lông đang phát triển là một quá trình lộn xộn, bởi vậy nó gây ra các thay đổi cấu trúc và sự sai sắc đối với bộ lông”, Badyaev nói. “Điều này đã đem đến cho chúng tôi một cơ hội đặc biệt để nghiên cứu về cách mà các cơ chế phát triển đặc trưng tạo ra bộ lông phức tạp này đồng thời tiến hóa với các yếu tố đầu vào bên ngoài không dự đoán được trước để tạo ra màu sắc cho bộ lông”.

Ở các loại lông vũ cần đến tính toàn vẹn cấu trúc, ví dụ như bộ lông tơ có khả năng điều hòa nhiệt độ hoặc bộ lông bay, các cơ chế tiến hóa sẽ bảo vệ quá trình phát triển của bộ lông ấy khỏi sự kết hợp với các sắc tố carotenoid. Nhờ vậy, các sợi lông bay hoặc lông tơ ở các loài chim này hầu như không bao giờ có màu sắc. Ngược lại, các bộ lông vũ “trang trí” lại có màu sắc rực rỡ và phát triển các cơ chế sửa đổi cấu trúc của mình để cho phép kết hợp nhiều carotenoid hơn cũng như tăng cường sự hiện diện của sắc tố.

Các tác giả đã tận dụng sự đa dạng đó để nghiên cứu cách mà loạt cơ chế này - từ cơ chế bảo vệ khỏi các carotenoid đến cơ chế tích hợp chúng trong bộ lông - thực sự tiến hóa như thế nào.

Các nguồn sắc tố carotenoid có sự khác biệt ở các loài chim sẻ. Với những quần thể sa mạc bản địa, các con chim thu nhận sắc tố từ quả và phấn hoa của cây xương rồng, trong khi với các quần thể sống ở thành phố, chúng lấy sắc tố từ các loài thực vật mới du nhập và từ thức ăn cho chim. Ở các quần thể phía bắc, chúng lấy sắc tố từ các hạt cỏ, chồi và quả mọng.

“Đúng như dự đoán, ở mỗi địa điểm, chim sẻ lại phát triển những cách thích nghi đặc biệt để kết hợp các carotenoids bản địa vào bộ lông của mình”, Badyaev nói. Tuy nhiên, khía cạnh độc đáo của nghiên cứu đó là “chúng tôi biết được lộ trình cư trú của những con chim này, nhờ đó chúng tôi đã quan sát được cách chúng thay đổi sự thích nghi khi di chuyển từ địa điểm này sang địa điểm khác trong thế kỷ vừa qua”.

Phương pháp tiếp cận này không chỉ giúp nhóm trực tiếp tìm hiểu được quá trình tiến hóa, mà còn cho phép họ nghiên cứu về sự tiến hóa lặp đi lặp lại trong tự nhiên, bởi từ những điểm khởi đầu đã biết, các loài chim sẽ phát triển những cách thích ứng riêng biệt theo từng địa phương một cách song song với nhau khi chúng tỏa đi khắp lục địa.

Nhóm đã thành lập 45 quần thể nghiên cứu dọc theo lộ trình cư trú của loài chim sẻ nói trên từ miền Nam Arizona bản địa đến tây bắc Hoa Kỳ. Họ cũng tìm hiểu về cách loài này biến đổi ở mỗi khu vực, ví dụ như quần thể sa mạc Arizona và quần thể đô thị ở khuôn viên Đại học Arizona và ở Tucson. Với tất cả các quần thể này, họ đã kiểm tra cấu trúc vi mô và thành phần carotenoid hoàn chỉnh trong hàng nghìn mẫu lông vũ. Với quy mô và chiều sâu nghiên cứu lớn nhất từ trước đến nay đối với loài chim hoang dã này, kết quả nghiên cứu đã đưa đến hai khám phá mới.

Khám phá đầu tiên đó là: quá trình tiến hóa diễn ra theo trình tự tương đối giống nhau dù bắt nguồn từ những điểm khởi đầu đa dạng. Ban đầu, các carotenoid bản địa xa lạ đã tạo ra những thay đổi lớn trong quá trình phát triển bộ lông của chim, tuy nhiên càng cư trú lâu hơn ở một khu vực, các con chim này lại càng trở nên quen thuộc với các loại carotenoid đó. Nhờ vậy, chúng có khả năng kết hợp các sắc tố vào bộ lông của mình cũng ngày một tốt hơn, và cuối cùng hình thành nên sự thích nghi chính xác đối với khu vực đó.

Khám phá thứ hai và cũng là khám phá quan trọng nhất, đó là: mặc dù carotenoid và những tổ hợp khác của chúng có sự khác biệt rõ rệt giữa từng khu vực, các cơ chế đằng sau sự kết hợp của sắc tố này vào các bộ lông đang phát triển lại có sự đồng nhất đáng kể, cũng như không có sự đặc trưng riêng đến đặc tính sinh hóa của các hợp chất carotenoid riêng lẻ. Thay vào đó, trong tất cả các quần thể, sự tiến hóa là kết quả của những biến đổi trong cơ chế bảo vệ các thích nghi bản địa trước đó khỏi các tác nhân gây stress từ bên ngoài. Các cơ chế chung bảo vệ khỏi stress - mà Badyaev gọi là “vệ sỹ của sự thích ứng bản địa” - đã được sử dụng để cho phép hình thành những sự thích nghi mới.

Nói theo cách khác, “ranh giới của những sự thích nghi hiện tại trở thành cầu nối cho những sự thích nghi sau này của quá trình tiến hóa”, Badyaev nói.

Bước tiếp theo, các tác giả dự định sẽ nghiên cứu nguồn gốc của các cơ chế phân tử và cơ chế phát triển liên quan đến những quá trình bảo vệ khỏi tác nhân stress trong tiến hóa.

Mỹ Hạnh dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-08-boundaries-bridges-evolution.html

Tags: