Phát hiện đột phá giúp hiểu về Trái đất sơ khai

Lần đầu tiên nuôi cấy được loài vi khuẩn cổ trong phòng thí nghiệm. Ảnh: Nature.

Trong hai tỷ năm tồn tại đầu tiên, sự sống trên Trái đất bao gồm cả hai loài vi sinh vật là vi khuẩn (bacteria) và vi khuẩn cổ (archaea). Hiện nay vi khuẩn cổ vẫn phát triển mạnh trên Trái đất. Dù được coi là có vai trò then chốt với sự xuất hiện của các dạng sống phức tạp, song số lượng nghiên cứu về chúng khá ít. Nhiều loài được tìm thấy ở các môi trường khắc nghiệt và rất khó để phát triển trong phòng thí nghiệm. Do đó, thành công của nhóm nghiên cứu Nhật Bản được Nick Lane, giáo sư về hóa sinh tiến hóa ở Đại học London (UCL), đánh giá là một công trình “tuyệt vời”còn theo hai chuyên gia khác, nó đã đánh dấu “bước đột phá trong ngành vi sinh vật học”.

Nghiên cứu này bắt đầu vào năm 2006 với việc sưu tập một mẫu bùn dưới biển sâu do một chiếc tàu ngầm nạo vét ở độ sâu 2.5 km dưới bờ biển Omine Ridge của Nhật Bản. Mẫu bùn này được đưa vào một hệ phản ứng sinh học (bioreactor) và được ‘nuôi’ bằng khí methane liên tục trong hơn 5 năm. 

“Hầu hết các sinh vật được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm đều có khả năng sinh sản nhanh chóng, số lượng lớn và có thể tự phát triển”, Masaru Nobu, Viện Quốc gia về KH&CN công nghiệp tiên tiến (AIST), ở Tsukuba, Nhật Bản cho biết. “Tuy nhiên các sinh vật do chúng tôi phân lập hoàn toàn khác biệt: nhân bản chậm hơn vi khuẩn E.coli, chỉ sống được với số lượng nhỏ và phụ thuộc vào các đối tác cộng sinh”. Nobu và đồng nghiệp đã lấy các mẫu nhỏ hơn từ nồi phản ứng sinh học, đặt vào các ống thủy tinh và để trong phòng thí nghiệm thêm 1 năm nữa trước khi thấy dấu hiệu rõ ràng của sự sống. 

Trong khi thí nghiệm này đang diễn ra, một nhóm nghiên cứu Hà Lan đã phát hiện một bất ngờ về vi khuẩn cổ khi giải trình tự DNA của các vi sinh vật được trích xuất từ bùn trong một miệng phun thủy nhiệt ở bờ biển Greenland: họ tìm ra một hệ gene thú vị, rõ ràng là một thành viên của vi khuẩn cổ nhưng DNA lại có nhiều điểm tương tự với các tế bào nhân thực. Họ gọi đó là vi khuẩn cổ Asgard và cho rằng tổ tiên của nhánh tiến hóa này có thể đã thu hẹp khoảng cách giữa sự sống cơ bản và phức tạp vào hàng tỉ năm trước.

Khi nhóm nghiên cứu Nhật Bản giải trình tự gene mẫu đã thu thập, việc phân tích di truyền cho thấy họ đã nắm bắt được chính xác cách nuôi dưỡng loài vi khuẩn cổ Asgard này. Họ còn phát hiện ra vi khuẩn cổ Asgard là những tế bào nhỏ đơn giản nhưng có cấu trúc giống như xúc tu dài vươn ra khỏi các tế bào. 

Có lý thuyết cho rằng, các vi khuẩn cổ đã kết hợp với vi khuẩn để tạo ra một dạng tế bào hoàn toàn mới có thể phát triển thành những nền tảng cơ bản cho tất cả các dạng sự sống trên Trái đất, từ cây cỏ đến loài người. Dù không phải ai cũng đồng ý với lý thuyết đó nhưng những người đề xướng lý thuyết cho rằng các tế bào này có thể đã “nuốt” một loại vi khuẩn để trở thành những cấu trúc ty thể - nguồn cung cấp năng lượng bên trong tất cả những tế bào phức tạp ngày nay. Cả vi khuẩn và vi khuẩn cổ đều thiếu cấu trúc bên trong này.

Theo nhóm nghiên cứu Nhật Bản, những tua xoắn của vi khuẩn cổ Asgard có thể “nuốt” một vi khuẩn ngẫu nhiên và hình thành mối quan hệ cộng sinh. Sau một vài bước nhảy tiến hóa, hai sinh vật có thể đã trở thành một loại tế bào phức tạp hơn - một sinh vật nhân thực sơ khai.

Kịch bản này vẫn chỉ là suy đoán và có lẽ vẫn cần được tranh luận trong thập kỷ tới. Tuy nhiên, chắc chắn một điều là những tiến bộ này có thể sẽ thu hút mối quan tâm về những vi sinh vật chưa được khám phá. 

Thanh An dịch

Nguồn: https://www.theguardian.com/science/2020/jan/15/breakthrough-gives-insight-into-early-complex-life-on-earth