Phóng xung điện 600 vôn, loài lươn dị khiến cha đẻ thuyết tiến hóa rối trí: Bài toán khó

Ở phía dưới đáy vẩn đục của con sông Amazon, những con lươn điện (còn được gọi là cá chình điện) đang mò mẫm tìm những con mồi mất cảnh giác. Khi phát hiện được con mồi xấu số bơi ngang qua, con lươn phóng ra xung điện 600 vôn, sốc điện hoặc thậm chí lấy luôn mạng con mồi.

Chiến thuật săn mồi với dòng điện cao thế tự nhiên này dị biệt, nhưng hóa ra lại có rất nhiều loài cá khác nhau cũng sử dụng điện như vậy: Tại khắp vùng bùn hay đoạn nước tĩnh mà chúng bơi qua, chúng tạo ra và cảm nhận điện trường khi liên lạc với các loài khác bằng các dòng điện nhẹ, tương tự như mã Morse.

Khi các loài vật cùng có một khả năng dị thường giống như khả năng phóng điện, thường thường thì chúng sẽ có mối liên hệ về sinh học rất gần. Thế nhưng, những con cá điện tại các sống Nam Mỹ, châu Phi lại nằm ở 6 phân nhánh, 3 họ khác nhau.

Ngay cả cha đẻ học thuyết tiến hóa Charles Darwin, khi nói về khả năng sốc điện thiên phú của những loài vật này, cũng trở nên bối rối trước phân bố vị trí địa lý và phân nhánh sinh học quá khác thường. Trong sách "Nguồn gốc các loài" (On the Origin of Species), ông từng đề: "Thật không thể hình dung nổi những cơ quan kỳ diệu này hình hành bằng cách nào".

Thực ra, không phải chỉ có một trong lịch sử, mà liên tục nhiều lần.

"Thật không thể hình dung nổi những cơ quan kỳ diệu này hình hành bằng cách nào."

Nguồn Gốc Các Loài - Charles Darwin

Một nghiên cứu mới được đăng trên Science Advances có thể giúp giải bài toán bí hiểm của tiến hóa này. Ông Harold Zakon, nhà nghiên cứu sinh học liên ngành tại Đại học Texas, Mỹ, và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi chỉ bổ sung thêm cho những gì Darwin nghĩ, giống với các nhà sinh học khác thường làm".

Bằng việc đối chiếu gen, nhóm nghiên cứu của Harold Zakon và cộng sự tại Đại học Bang Michigan, Mỹ đã phát hiện ra cách mà hàng loạt cơ quan, bộ phận được mà cá điện đã phát triển thêm trong khoảng 120 triệu năm tiến hóa, dọc hơn 2500km biển. Kết quả: Có nhiều hơn một cách để hình thành nên cơ quan sinh điện.

Nhưng hóa ra mẹ thiên nhiên cũng thiên vị với một vài cách thức.

Lượn điện có khả năng phóng điện như thế nào? Ảnh: KUDLA/SHUTTERSTOCK/QUANTA MAGAZINE

Những loài cá ở Nam Mỹ và châu Phi mà nhóm của Harold Zakon nghiên cứu đã phát triển được cơ quan chuyên sinh điện dọc cơ thể của mình. Các tế bào ở cơ bị biến đổi để tạo ra các luồng dịch chuyển của ion Natri; các tế bào đó được gọi là Electrocyte. Khi phân tử protein phụ trách đóng/mở cửa natri tại màng tế bào mở cửa, xung điện được tạo ra.

Thực ra, ngay ở trong cơ bắp của sinh vật cũng thường có dòng điện, chạy xuyên qua và giữa các tế bào, giúp sinh vật có thể co hoặc giãn cơ, tạo ra chuyển động; nhưng với cơ quan sinh điện thì dòng điện này sẽ truyền ra môi trường. Độ mạnh của cú sốc điện cũng tùy thuộc xem sinh vật sử dụng bao nhiêu electrocyte mỗi lần phóng.

Trong đa số trường hợp, các loài cá điện chỉ sử dụng một vài cái mỗi lần, nhưng với lươn điện, vì chúng mang trên mình rất nhiều tế bào điện, dòng điện mà chúng tạo ra đương nhiên rất mạnh, đủ để một con mồi nhỏ mất mạng ngay tức thì.

Vị trí các cơ quan sinh điện trên loài lươn điện Electrophorus electricus. Ảnh: Britanica

Trong bài nghiên cứu mới của nhóm nhà nghiên cứu Harold Zakon, nhóm của ông đã mô phỏng một phía cạnh quan trọng về tiến hóa của các cơ quan sinh điện này. Nhóm ông làm được việc đó nhờ lần theo lịch sử phát triển gen của loài.

Cụ thể, đâu đó trong khoảng 320 triệu năm đến 400 triệu năm trước, khi thủy tổ của các loài Cá Xương Thật (Teleost) đã có thể sống sót một cách thần kỳ sau một sự cố với bộ mã gen: Toàn bộ mã gen bỗng được nhân đôi. Thông thường, việc thay đổi về gen như vậy sẽ khiến các loài vật có xương sống chết, nhưng khi nhân đôi gen như vậy thì các tính năng ẩn lại có cơ hội biểu lộ.

Bình luận về việc này, nhà sinh học hệ thống Gavin Conant tại Đại học Bang North Carolina, nói: "Tự nhiên bạn có thể tạo ra cả một đường dẫn truyền thần kinh mới, thay vì chỉ tạo ra một [đặc điểm] gen mới".

Với các giống tổ tiên gần [gần về mặt thời gian, không phải gần về mặt sinh học - người dịch] của các loài cá điện nước ngọt ngày nay, việc nhân đôi gen đồng nghĩa chúng có một bản copy của một bộ phận quan trọng: Bơm natri. Theo đó, một cái bơm natri vẫn tiếp tục hoạt động ở các tế bào cơ, cái bơm mới thì đã được biến đổi giúp electrocyte có đặc tính mới.

Quan trọng hơn cả, trước khi bất cứ cơ quan liên quan đến điện nào có thể hoạt động được, bộ gen copy phải không có tác dụng ở các tế bào cơ; nếu không thì việc có cơ quan này sẽ làm gián đoạn khả năng di chuyển của sinh vật. Khi nhóm nghiên cứu của Harold Zakon tìm hiểu xem các loài cá điện vô hiệu hóa gen này thế nào, họ đã vô cùng choáng ngợp trước kết quả: Các giống cá điện khác nhau có cách thức khác nhau.

Ảnh: The Living Planet

Ở mô cơ của loài cá điện châu Phi, bộ gen của bơm natri vẫn hoàn toàn bình thường, không bị lỗi, nhưng nó lại không hoạt động - giống một cái ổ khóa nhưng không có chìa. Với hầu hết các loài ở Nam Mỹ, bơm natri lại không tồn tại ở trong cơ - bơm natri thường bị bất hoạt do thiếu mất nguyên tố điều khiển. Với một trường hợp dị thường cũng ở Nam Mỹ, gen bơm natri vẫn hoạt động bình thường, nhưng nó lại bị vô hiệu hóa khi con cá chưa lớn; khi trưởng thành thì có một bộ gen khác tiếp quản cơ quan sinh điện này.

Trong các trường hợp tiêu biểu của tiến hóa hội tụ, các giống cá khác nhau sẽ "lựa chọn" các cách thức biến đổi mô cơ để hình thành cơ quan sinh điện. Thậm chí, chúng còn có thể khiến bơm natri hoạt động tại một số mô nhất định, nhưng cách thức mà chúng làm được như vậy thì lại khác nhau.

Nhà sinh học phân tử Johann Eberhart tại Đại học Texas, Mỹ giải thích rằng thường thường, khi nghiên cứu về một trường hợp tiến hóa hội tụ, các các nhà khoa học phát hiện rằng đặc tính sinh học, hóa ra, thường có một cơ chế hình thành giống nhau.

Nhưng với trường hợp của các loài lươn điện thì "lại khá khác nhau. Thật thú vị".

Nhà sinh học hệ thống Gavin Conant trao đổi rằng phát hiện mới này ở một góc độ nào đó "giống với những gì mà chúng tôi đã thấy" trong chính nghiên cứu của nhóm ông. Nhóm nghiên cứu của Gavin Conant phát hiện ra rằng một vài gen đảm nhiệm việc truyền tín hiệu giữa hệ thần kinh và cơ trên các loài Cá Xương Thật (Teleost) đã bị mất mà trước đó đã được nhân đôi, nhưng một vài loài cá điện thì lại có thể giữ được. Nếu thiếu đi những bộ gen có thể điều khiển cơ quan sinh điện thì lươn điện sẽ chẳng thể nào phóng ra được những dòng điện mạnh đặc trưng của mình.

Nhà nghiên cứu Harold Zakon và đồng nghiệp cũng rất hứng thú với tầm quan trọng có thể có của vùng điều khiển mà họ tìm thấy trên bộ gen của bơm natri, khi có vẻ như nó có thể điều khiển được chính xác đến từng mô. Thực ra, vùng điều khiển này cũng có trong bơm natri của con người và các loài có xương sống khác. Rất có thể, các biến đổi tác động đến hoạt động của bơm natri trong các tế bào của con người có thể đã gây ra hoặc là một phần nguyên nhân gây ra các bệnh lý, ví dụ như tăng trương lực (Myotonia).

Nghiên cứu mới của Harold Zakon mới chỉ phản ánh một vài loài tiêu biểu của tiến hóa hội tụ và tiến hóa đồng quy mà một số loài cá điện có. Một vài giống cá khác ở Nam Mỹ cũng có thể sinh ra dòng điện gây sốc nhẹ bằng cách biến đổi nơ-ron hay vì biến đổi mô cơ. Một vài loài cá điện nước mặn lại có cách phát triển rất thú vị, ví dụ như loài cá chiêm tinh (Stargazer) có thể tạo ra xung điện tấn công con mồi bằng việc biến đổi cơ ở vùng mắt.

Cá chiêm tinh có thể tạo xung điện từ vùng mắt. Ảnh: Canvasman21 / Wikipedia

Tuy nhiên, với nhà nghiên cứu Harold Zakon thì tiến hóa hội tụ là một lời gợi ý tốt để giải bài toán sinh học hóc búa: Liệu khi tua ngược, tiến hóa có tiếp tục phát triển như cách nó đã từng làm?

Nhà nghiên cứu Harold Zakon nói rằng có được một phát hiện mới thì "vô cùng thú vị", nhưng liệu đó có phải là con đường duy nhất để phát triển cơ quan đó hay không thì vẫn chưa có câu trả lời. Các cơ quan phát triển theo các cách giống và khác nhau trên các loài cá điện đã cho chúng ta thêm góc nhìn về việc sinh học có thể gây bất ngờ thế nào.

Bài viết gốc được đăng trên tạp chí khoa học Quanta Magazine.