Bước dài Tiến hóa học
| Những nghiên cứu đột phá trong năm 2005 |
|---|
|
| Do tạp chí Science bình chọn |
Đã thành thông lệ, cứ mỗi dịp xuân đến chúng ta lại dành một phần thời gian để tổng kết những việc đã làm được trong năm trước. Cuối tháng 12 vừa qua, Ban biên tập tờ Science cũng đã tiến hành bầu chọn các nghiên cứu có tính đột phá của năm. Điều gây sửng sốt cho nhiều nhà khoa học là lĩnh vực Tiến hóa học (Evolution), một lĩnh vực có lịch sử nghiên cứu lâu đời đến mức nhiều người đã cho rằng "chẳng còn gì để nghiên cứu cả", lại vượt trên cả những ngành nghiên cứu thời thượng như khoa học vũ trụ, năng lượng mới, công nghệ tế bào mầm và nhân bản vô tính, công nghệ nano .v.v.. Với nguồn dữ liệu về genome ngày càng lớn từ các loài vi sinh đến động vật bậc cao, các nhà sinh học đã đi được những bước dài trong năm 2005 trên con đường tìm hiểu cơ chế tiến hóa của các sinh vật.
Bước đột phá vĩ đại trong ngành khoa học này đương nhiên là học thuyết tiến hóa do Charles Darwin đã đưa ra một thế kỷ rưỡi trước đây. Bằng việc chỉ ra chính chọn lọc tự nhiên là nhân tố quyết định tính đa dạng của sự sống, Darwin đã làm thay đổi hàng loạt quan điểm về thế giới tự nhiên của các nhà khoa học cùng thời. Ngày nay tiến hóa là ngành học nền tảng của Sinh học, và luận điểm của Darwin về tiến hóa trở nên cơ bản và phổ biến đến mức nhiều khi được các nhà khoa học sử dụng để lý giải các vấn đề liên quan. Tuy nhiên, kể từ khi xuất bản cuốn "Nguồn Gốc Các Loài" vào năm 1859, hàng năm, các nhà nghiên cứu ở khắp nơi thế giới đã bổ sung vào cuốn sách tiến hóa những phát hiện của mình với số trang gấp nhiều lần tất cả công trình của Darwin gộp lại. Cuốn sách nghiên cứu về tiến hóa của năm 2005 đã mở đầu bằng kiến nghị sắp xếp lại hệ thống vi sinh vật ở gốc của cây tiến hóa và kết thúc bằng sự kiện phát hiện ra phôi của khủng long có niên đại 190 triệu năm.
Trong năm 2005, các kết quả nghiên cứu cứ ồ ạt tuôn ra với những phát hiện làm sáng tỏ được các khúc mắc về cơ chế của quá trình tiến hóa. Những dữ liệu hệ gene cụ thể đã cho phép các nhà nghiên cứu xác định những hiệu chỉnh phân tử trở thành động cơ cho sự tiến hóa của các loài sinh vật từ virus đến linh trưởng. Các quan sát thực địa tỉ mỉ đã vén bức màn huyền bí về cách thức phân hóa trong quần thể để tạo nên loài mới – điều mà chính Darwin cũng không lý giải được.
Mục lục
Công bố genome tinh tinh
Một trong những kết quả ấn tượng nhất được đưa ra vào tháng 9 khi một nhóm nghiên cứu quốc tế xuất bản hệ gene của người bà con gần nhất của chúng ta, khỉ tinh tinh. Với hệ gene người đã có trước đó, các nhà nghiên cứu đã có thể so sánh và đánh giá từng thay đổi nucleotide trên DNA người và DNA tinh tinh để xác định những mốc biến đổi khiến tinh tinh tách riêng khỏi loài người chúng ta. Mối quan hệ gần gũi giữa con người và tinh tinh được tái khẳng định qua dữ liệu genome khi mà tổng số sai khác DNA chỉ chiếm 4% genome mà tập trung chủ yếu vào những vùng không mang mã di truyền. Nếu chỉ tính riêng những đột biến thay thế nucleotide khi gióng cột các sợi DNA thì genome tinh tinh chỉ khác 1% so với genome loài người, và trung bình mỗi protein không khác nhau quá 2 amino acid. Như vậy, các nghiên cứu giờ đây tập trung tìm ra những điểm sai khác nào đã tạo nên những sinh vật ít lông, dáng thẳng đứng, bộ não lớn và sáng tạo. Mặc dù, trong năm 2005 chúng ta vẫn chưa xác định chính xác cơ sở di truyền của những tính trạng đó nhưng các nhà nghiên cứu đã khoanh vùng được một vài gene có khả năng ảnh hưởng tới bộ não và hành vi. Ngoài ra, nhiều nhóm nghiên cứu đã đưa ra bằng chứng cho thấy chọn lọc tự nhiên gần đây đã ưu tiên cho một số ít các gene biểu hiện ở não người, bao gồm các gene mã hóa các endorphin (một nhóm hormone peptide hiện diện chủ yếu ở não) và thụ thể sialic acid. Quá trình tìm kiếm các gene người được chọn lọc tự nhiên ưu tiên sẽ được đẩy nhanh nhờ những cơ sở dữ liệu mới xuất bản từ các nhóm nghiên cứu quốc tế. Đặc biệt, trong năm qua hơn 1 triệu điểm đa hình đơn nucleotide (SNP) bốn quần thể người đã được phân mục và sắp xếp vào bản đồ di truyền liên kết người (human haplotype map, HapMap). Những biến dị di truyền này sẽ là nguyên liệu quý cho các nghiên cứu về tiến hóa nói chung và lịch sử tiến hóa loài người nói riêng.
Cách thức hình thành một loài mới
Năm 2005 cũng là một năm đáng nhớ đối với những nhà nghiên cứu quá trình hình thành loài mới. Theo lý thuyết tiến hóa, một loài mới có thể được hình thành khi các quần thể của loài bắt đầu thích nghi với các điều kiện sinh tồn khác nhau và đột ngột gián đoạn khả năng giao phối giữa các quần thể với nhau do các yếu tố cách ly. Điều vốn là khó khăn của những nhà tiến hóa là tìm ra những dẫn chứng xác đáng để minh họa cho luận điểm trên. Nghiên cứu trong năm 2005 về loài chim mũ đen châu Âu, loài có vùng giao phối chung nằm ở miền Nam nước Đức và Áo, vốn được biết đến nhiều trong văn học và hội họa, đã thực hiện được điều này. Loài chim này sau khi phát triển qua nhiều thập kỷ, những quan sát gần đây cho thấy một bộ phận của loài chim này đã thay đổi con đường di cư để có thể đi đến vùng tập kết sớm hơn. Các dữ liệu ghi chép cho thấy, nhóm chim này đã thực hiện hành vi giao phối trước khi những đàn chim vẫn bay theo con đường cũ đến nơi. Sự khác biệt này sẽ trở thành rào cản cách ly sinh sản khiến 2 quần thể này một ngày nào đó sẽ trở thành 2 loài khác nhau.
Cũng tương tự như vậy, một nghiên cứu khác cho thấy loài sâu ngô trên đồng ruộng châu Âu cũng đang bị phân hóa thành 2 nhóm do một nhóm chuyển đổi thức ăn ưa thích từ ngô sang cây hublông hoặc mugwort. Hai nhóm này đã tiết ra các loại pheromone khác nhau để hấp dẫn bạn tình cùng nhóm.
Một lý thuyết tiến hóa là sự cách ly sinh sản do tập tính cũng đã được chứng minh từ những kết quả nghiên cứu trong năm 2005. Đó là chỉ cần những khác biệt đơn giản trên màu sắc cánh của con bướm đực có thể gia tăng sự dị biệt trong loài bướm, điều này có được một phần là do tần số đột biến số lượng nhiễm sắc thể khá cao trong các loài côn trùng.
Một nhóm nghiên cứu lại quan tâm đến loài cá gai biển đã sống ở nhiều hồ nước ngọt lớn trong vùng Bắc bán cầu kể từ sau kỷ Băng hà. Giờ đây có hơn chục loài cá khác nhau đã tiến hóa từ loài cá gai này và chúng cũng có một đặc điểm chung là thoái hóa "tấm giáp" bảo vệ chống lại những thiên địch ở biển do tổ tiên truyền lại. Bằng cách so sánh dữ liệu DNA từ các mẫu loài cá ở các khu vực khác nhau, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra các loài cá trên đều tiến hóa với cùng một cơ chế là bằng cách gây bất hoạt một gene mã hóa con đường truyền tín hiệu trong quá trình phát triển của xương và răng. Đột biến này cho phép các loài cá thích nghi nhanh hơn với môi trường mới.
Mặc dù các nhà sinh học thường tập trung vào những thay đổi trên vùng DNA mang mã và protein, tuy nhiên dữ liệu về DNA trong năm 2005 lại cũng chỉ ra vai trò tiến hóa của những đoạn DNA nằm ngoài gene. Một nghiên cứu trên 2 loài ruồi giấm cho thấy 40% đến 70% vùng DNA không mang mã, bao gồm các vùng điều hòa, lại bảo thủ hơn cả những gene cấu trúc trong các cá thể cùng một loài những lại có sự khác biệt ở các loài khác nhau. Điều này cho thấy những vùng DNA này đóng vai trò then chốt trong quá trình hình thành loài mới và thích nghi với môi trường sống.
Nhiều nghiên cứu về sức khỏe con người
Những nghiên cứu về lĩnh vực tiến hóa không chỉ mang tính chứng minh khoa học thuần túy, nhiều nghiên cứu có thể đem lại những cải thiện sức khỏe của con người. Bằng việc so sánh DNA của tinh tinh với con người, những nghiên cứu có thể khám phá những điểm yếu trên genome của con người khiến chúng ta trở nên dễ dàng bị nhiễm virus AIDS, virus gây viêm gan mãn tính, sốt xuất huyết hay bệnh tim mạch, điều mà không thấy ở tinh tinh.
Và trong năm 2005, những nhà nghiên cứu trên thế giới đã sát cánh bên nhau trong việc chống lại đại dịch cúm gia cầm. Từ mô của một cơ thể đông cứng ở vùng Alaska, những nhà khoa học đã thành công trong việc tái tạo lại trình tự virus cúm đã gây nên đại dịch năm 1918 từng giết chết 20 đến 50 triệu người. Mặc dù, hầu hết các chủng virus gây tử vong trước đây là do sự kết hợp giữa virus người với một loại virus của động vật, nhưng với dữ liệu gene của virus 1918, những nhà virus học đã cho thấy một chủng virus gia cầm thuần túy cũng có thể bị biển đổi để trở thành một chủng gây đại dịch với tần số tử vong cao. Điều này là một cảnh báo cho nguy cơ nhân loại phải đối mặt với dịch cúm gia cầm trong tương lai.
Điều nực cười là cũng trong năm nay một số tổ chức xã hội Mỹ đã vận động đòi giảm việc dạy những điều được coi là cơ bản của thuyết tiến hóa trong nhà trường. Sau khi cân nhắc những sự kiện trên, tạp chí Science đã quyết định tôn vinh Darwin bằng những khám phá trong nghiên cứu hình thái, tập tính và di truyền của các nhà tiến hóa học trên thế giới mà mỗi phát hiện là một minh họa cho sự vận động của các quy luật tiến hóa.
Nghiên cứu về tiến hóa ở Việt Nam
Với sự hỗ trợ trong nhiều năm nay của Tổ chức Bảo tồn thiên nhiên thế giới (IUCN), Quỹ Bảo tồn động vật hoang dã (WWF), Tổ chức bảo tồn chim quốc tế (Birdlife).v.v, những nghiên cứu về tiến hóa và đa dạng sinh học ở Việt Nam, một trong những cái nôi đa dạng sinh vật trên thế giới, cũng đã gặt hái được khá nhiều thành công trong năm 2005. Tuy nhiên, phần lớn các khám phá này tập trung vào việc khảo sát và đánh giá nguồn tài nguyên cũng như phát hiện các đặc điểm hình thái, tập tính của những loài sinh vật mới. Sẽ là thật đáng tiếc nếu như những nhà sinh học phân tử không tận dụng nguồn cơ sở dữ liệu DNA quốc tế, mà phần lớn là công bố miễn phí và thuận tiện sử dụng, để đẩy mạnh các nghiên cứu về tiến hóa phân tử và phân loại học phân tử trên cơ sở những nghiên cứu về hình thái sinh học đã có. Đây cũng là cách thuận tiện để giới thiệu những nghiên cứu sinh học Việt Nam với cộng đồng khoa học thế giới.
Năm 2005 được đánh dấu bởi nghiên cứu công bố hoàn tất genome tinh tinh và nguồn cơ sở dữ liệu đa hình đơn nucleotide (SNP) ở người. Khám phá mới này cũng là cơ hội và thách thức cho những nhà nhân chủng học và bệnh học phân tử người ở Việt Nam để có thể tiến hành những nghiên cứu quy mô và hiện đại hơn về những đặc điểm phân tử của genome người Việt nói chung và từng cộng đồng dân tộc nói riêng. Những nghiên cứu này có thể là chìa khóa phát hiện những mối liên quan giữa những dị biệt về DNA với tính mẫn cảm với một số loại virus và bệnh truyền nhiễm nhất định. Trong nỗ lực chung đối mặt với hiểm họa do virus cúm gia cầm có thể gây ra, những nhà khoa học Việt Nam đang tích cực cộng tác cũng cộng đồng khoa học quốc tế nhằm nghiên cứu quá trình tiến hóa của virus H5N1 cũng như độc tính và khả năng xâm nhiễm của chúng, một cơ hội lớn không chỉ để học hỏi những học thuật của thế giới mà còn khẳng định hàm lượng khoa học trong những nghiên cứu từ Việt Nam.
Tài liệu tiêu điểm
- Dự án giải mã Genome tinh tinh
- The Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium, Nature 437, 69 (2005)
- Z. Cheng et al., Nature 437, 88 (2005)
- J. F. Hughes et al., Nature 437, 100 (2005)
- R.S. Hill and C.A. Walsh et al., Nature 437, 64 (2005)
- P. Khaitovich et al., Science 309, 1850 (2005)
- E. Culotta, Science 309, 1468 (2005)
- M.D. Hauser, Science 309, 1498 (2005)
- E. H. McConkey and A. Varki, Science 309, 1499 (2005)
- R. Nielsen et al., PLoS Biol. 3, e170 (2005)
- Tiến hóa loài người
- M.V. Rockman et al., PLoS Biol. 3, e387 (2005)
- M. Balter, Science 310, 1257 (2005)
- The International HapMap Consortium, Nature 437, 1299 (2005)
- J. Couzin, Science 310, 601 (2005)
- T. Hayakawa et al., Science 309, 1693 (2005)
- P.D. Evans et al., Science 309, 1717 (2005)
- N. Mekel-Bobrov et al., Science 309, 1720 (2005)
- M. Balter, Science 309, 1662 (2005)
- Hình thành loài mới
- S. Bearhop et al., Science 310, 502 (2005)
- P. Andolfatto, Nature 437, 1149 (2005)
- V. A. Lukhtanov, Nature 436, 385 (2005)
- T. Malausa et al., Science 308, 258 (2005)
- P.F. Colosimo et al., Science 307, 1928 (2005)
- G. Gibson, Science 307, 1890 (2005)
- N. Gompel et al., Nature 433, 481 (2005)
- T.C. Mendelson and K.L. Shaw, Nature 433, 375 (2005)
- Cúm gia cầm
- T.M. Tumpey et al., Science 310, 77 (2005)
- J. Kaiser, Science 310, 28 (2005)
- J.K. Taubenberger et al., Nature 437, 889 (2005)
- M. Enserink, Science 309, 370 (2005)
- G.F. Rimmelzwaan et al., J. Gen. Virol. 86, 1801 (2005)
- D. Normile, Science 308, 1234 (2005)
Liên kết ngoài
- File movie về những nghiên cứu tiến hóa tiêu biểu do tạp chí Science
- Bài viết của TS. Barry Starr, Stanford University
- Bài viết về sự kiện này trên Eurekalert
- Các nghiên cứu về Tiến hóa trên HHMI
Bản quyền
Cao Xuân Hiếu, tạp chí Khám phá.
