Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể (tiếp)

Thế nếu sự liên minh không vì oxy, thì vì cái gì? Hydro, theo Martin và Miklos Müller từ Đại học Rockefeller (New York). Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Quay về những năng 1970, Müller đã phát hiện ra rằng một số sinh vật đơn bào có các cấu trúc giống ty thể nhưng thực hiện chức năng hơi khác; chúng tạo ra năng lượng mà không dùng oxy, bằng cách phân giải thức ăn thành carbon dioxide và hydro – vì thế Muller gọi cấu trúc nội bào đó là hydrogenosomes.

Muller đã chỉ ra rằng hydrogenosomes không chỉ đơn thuần giống ty thể mà thực tế nó là ty thể bóc trần. Chúng cũng có cùng lớp vỏ, nhưng hydrogenosome thiếu bộ máy sản sinh ATP nhờ oxy. Thay vào đó, chúng có cỗ máy tạo ra ATP khi đang sinh ra hydro dưới dạng chất thừa. Câu hỏi là, có phải bộ máy khác biệt này đã đòi hỏi ty thể tiến hóa thành hydrogenosomes, hay nó có mặt xuyên suốt. Và nếu nó có mặt xuyên suốt, thì vi khuẩn tổ tiên của ty thể thực sự trông thế nào? Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Tổ tiên của ty thể, theo Martin và Muller, là một vi khuẩn đa năng có khả năng sống trong nhiều môi trường khác nhau – nó có thể sử dụng nhiều chất, bao gồm oxy, để tạo ra năng lượng, và nó có thể cũng tạo ra được hydro. Nó không phải là một siêu vi khuẩn khó hình dung: vi khuẩn đang tồn tại Rhodobacter có thể làm gần như mọi điều như thế. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Khả năng của tổ tiên của ty thể là tạo ra hydro, hơn là sử dụng oxy, là cơ sở của thỏa ước ban sơ làm phát sinh tế bào nhân thực, Martin và Muller lập luận. Vi khuẩn đã tạo ra hydro như là sản phẩm thừa, và tế bào chủ đã sử dụng nó để chuyển carbon dioxide thành methane, thu lượm được chút ít năng lượng từ quá trình này – giống y như các vi khuẩn cổ, được gọi là methanogen, vẫn làm ngày nay. Sự cộng sinh bắt đầu trong một môi trường có ít hoặc không có oxy và sau đó một chút, khi mối quan hệ đã được thiết lập rõ ràng, tế bào chủ bắt đầu khai thác khả năng của ty thể cổ là sử dụng oxy. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Ý tưởng này, được gọi là “giả thuyết hydro” (hydrogen hypothesis), được đề xuất bởi Martin và Muller năm 1988, nhưng nó không bao giờ nhận được sự chấp nhận rộng rãi. Nó không chỉ chống lại trực giác của hầu hết các nhà khoa học rằng sự xuất hiện nhân thực có gắn liền với oxy; và nhìn chung, những gì ít bằng chứng thì cũng không được ủng hộ (giả thuyết của hai ông chưa có nhiều bằng chứng chứng minh).

Ví dụ, phần lớn các nghiên cứu về gen cần cho việc tạo thành hydrogenosome, gợi ý rằng chúng đã tiến hóa lặp lại và độc lập với các gen của ty thể, với thêm một số ít gen nữa nhận được bởi sự truyền gen ngang từ các sinh vật khác qua thời gian dài. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

“Tôi nghĩ rằng sự chuyển dạng từ ty thể hiếu khí thành hydrogenosome có ít hoặc không có gì để làm với nguồn gốc của nhân thực,” theo nhà vi sinh vật học Mitch Sogin tại phòng thí nghiệm  Thủy Sinh vật học ở Woods Hole, Massachusetts. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Không có gì bất ngờ, Martin phản đối: “Những nghiên cứu đơn gen phụ thuộc rất nhiều giả tưởng rằng chúng ta hầu như không kết luận được gì về chiều sâu lịch sử tiến hóa từ chúng,” ông nói.

Ngoài ra, nếu ty thể hiếu khí đã tiến hóa thành hydrogenosome theo nhiều sự kiện tách biệt bằng cách nhận gen từ sinh vật khác, thì tại sao nó luôn có một nhóm nhỏ các gen như nhau để tạo hydro? Chúng có lẽ đã nhận đủ loại gen từ khi khuẩn, chẳng khác nào một kho báu tuyệt vời về khả năng chuyển hóa, Martin nói, vậy tại sao lại nhận cùng các gen như nhau mỗi lần? Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Khả năng đáng chú ý

Lời giải thích của Martin rất đơn giản: chúng chung nhau những nhóm gen bởi vì chúng được di truyền từ cùng một vi khuẩn – tổ tiên của ty thể. Tuy nhiên đây chỉ là lập luận thuần túy mà không có bằng chứng: bạn có thể tin hoặc không. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Bằng chứng bắt đầu nổi lên. Nói về Naegleria gruberi, một tế bào kỳ lạ thay đổi hình dạng. Vào năm 2010 nó được phát hiện là trong sự vắng mặt của oxy, ty thể của nó xuất hiện khả năng sinh năng lượng bằng cách tạo ra hydro, với sự giúp đỡ của các protein cũng được tìm thấy trong hydrogenosome.

Trong một vài năm gần đây, đã có những báo cáo về sự tràn vào số lượng lớn các gen mà “giả thuyết hydro” dự đoán. Năm 2012, Shijulal Nelson-Sathi tại Đại học Düsseldorf, cùng với Martin đã chỉ ra rằng vi khuẩn cổ Haloarchaea đã chuyển dạng từ kị khí nghiêm ngặt thành sử dụng oxy thông qua sự nhập vào hàng ngàn gen vi khuẩn. Chưa hết, năm 2015 nghiên cứu bởi Martin và cộng sự cho thấy các gen nhân sơ tìm thấy trong nhân thực cho phép quang hợp và chuyển hóa ty thể có vẻ đến từ sự chuyển rời rạc quy mô lớn các gen, chứ không phải là sự tích tụ đều đều. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa của ty thể

Và giờ chúng ta đã thấy những động vật có thể sống mà không có oxy ở hồ nước mặn dưới đáy Địa Trung hải. Các loài này được phát hiện bởi nhà thủy sinh vật học là Roberto Danovaro từ Đại học Marche ở Ancona, Italy và cộng sự. Chúng thuộc về một nhóm không rõ ràng các động vật kích cỡ hiển vi, Loricifera, được tìm thấy trong trầm tích đại dương khắp thế giới.

Chỉ dài hơn cỡ milimet chút xíu, các loài mới kém hoạt động đến mức phải mất một lúc để thấy rằng chúng thực sự sống, nếu không thấy nó thở. Tuy nhiên, điều thực sự nổi bật ở nó, không chỉ là khả năng sống không cần oxy mà còn ở cách chúng kiểm soát việc này: không như mọi động vật khác, bao gồm cả một số loài loriciferan khác, chúng có hydrogenosomes chứ không phải ty thể.

Loriciferan

Các phát hiện mới này đang bắt đầu chuyển biến hình dung của con người: “Lời giải thích đơn giản nhất là tất cả loại ty thể khác nhau được di truyền bộ công cụ chuyển hóa từ một tổ tiên toàn diện duy nhất,” theo Mark van der Giezen tại Đại học Exeter, Anh Quốc, người nghiên cứu về tiến hóa nhân thực kị khí.

Và nếu đó là một trường hợp, thì nhân thực chắc có khả năng sống trong những môi trường thiếu oxy ngay từ thời điểm ban đầu. “Không ai nghĩ một cách nghiêm túc rằng vi khuẩn lại trú ngụ ở những môi trường mà mới gần đây phù hợp với kị khí,” Martin chỉ ra. “Nhưng khi nói đến nhân thực, vẫn còn khuynh hướng tò mò rằng chúng chỉ xâm chiếm các ổ kị khí khá muộn. Không có logic nào ở điều này cả.”

Sự tồn tại của các động vật không yêu cầu oxy có nghĩa rằng oxy không phải là tất cả và sau cuối của sự sống phức tạp trên hành tinh. Các đại dương không oxy một tỷ năm trước có thể đã có đầy những sinh vật khởi nguyên nhỏ bé và các động vật này lớn hơn, hoạt động hơn khi lượng oxy tăng lên.

Điểm sâu hơn liên quan đến nguồn gốc nhân thực. Không có sự tiến triển nào từ sự sống đơn giản đến phức tạp khi lượng oxy tăng; không chắc chắn lắm về nó. Thay vào đó, có một sự cộng sinh giữa một vi khuẩn có thể sản sinh hydro với một tế bào chủ cổ xưa có thể khai thác hydro đó: một sự kiện kỳ diệu thay đổi thế giới.

MỞ RỘNG

Một số loài cá, trai và trùn đất có thể sống mà không có oxy trong nhiều giờ hoặc thậm chí hàng ngày. Thay vì lấy năng lượng bằng cách “đốt” thức ăn, tế bào của những động vật này chuyển sang các phương pháp sản xuất năng lượng mà không cần oxy. Cho đến gần đây, không động vật nào được phát hiện rằng đi qua toàn bộ vòng đời của mình mà không có oxy – điều đó được cho là không thể.

Vậy có thể có những hành tinh ở ngoài đó với những động vật lớn sống mà không cần oxy? Trong khi việc phân giải thức ăn tạo ra năng lượng gấp 10 lần các con đường chuyển hóa khác như là lên men, về mặt lý thuyết một con vật có thể giải quyết thành công vấn đề nếu nó bằng cách nào đó thu được năng lượng gấp 10 lần. Vấn đề là, lên men mang lại ít năng lượng hơn nhiều cho các loài tiêu thụ trong hệ sinh thái. Với hô hấp hiếu khí, có thể có năm hoặc sáu mối liên kết trong một chuỗi thức ăn trước khi lượng năng lượng giảm xuống dưới 1% so với ban đầu. Không có oxy, điều này xảy ra với chỉ hai liên kết.

Nguồn tham khảo: Origin, Evolution, Extinction – The epic story of life on Earth. NewScientist collection Vol.3, issue 2.

Đọc thêm: Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Iceberg (dịch)

www.tapchisinhoc.com