- Trường hợp tảo Braarudosphaera bigelowii chứa vi khuẩn lam UCYN-A bên trong tế bào và sử dụng nó như một cơ quan duy nhất đã được xác nhận, thu hút chú ý như một ví dụ hiếm hoi về nội cộng sinh sơ cấp đang diễn ra
- Nội cộng sinh sơ cấp là quá trình một vi sinh vật nuốt một vi sinh vật khác, rồi sử dụng nó như một cơ quan bên trong; cuối cùng sinh vật cộng sinh mất khả năng sống độc lập và trở thành bào quan
- Trong khoảng 4 tỷ năm lịch sử sự sống trên Trái Đất, các trường hợp lớn đã biết chỉ gồm sự hình thành ti thể khoảng 2,2 tỷ năm trước và lục lạp khoảng 1,6 tỷ năm trước, mỗi trường hợp đều là bước ngoặt của tiến hóa sự sống phức tạp và thực vật
- UCYN-A được xem là một bào quan mang tên nitroplast vì tỷ lệ kích thước, trao đổi chất và phân bào của nó gắn chặt với tảo chủ, đồng thời phụ thuộc vào vật chủ về khoảng một nửa số protein cần thiết
- Nghiên cứu về nitroplast có thể mở ra con đường đưa khả năng cố định nitơ vào thực vật, nên về lâu dài được xem là hướng nghiên cứu có tiềm năng cải thiện cây trồng
Nội cộng sinh sơ cấp được quan sát lại
- Các nhà khoa học đã xác nhận một trường hợp trong đó sự kiện tiến hóa hai sinh vật hợp nhất thành một cơ thể duy nhất đang diễn ra
- Đối tượng là tảo Braarudosphaera bigelowii và vi khuẩn lam UCYN-A
- UCYN-A giúp tảo làm được điều mà thông thường tảo không thể làm
- Trực tiếp cố định nitơ trong không khí
- Kết hợp nitơ với các nguyên tố khác để tạo thành các hợp chất hữu ích hơn
Quá trình nội cộng sinh trở thành bào quan
- Nội cộng sinh sơ cấp (primary endosymbiosis) là hiện tượng một vi sinh vật nuốt một vi sinh vật khác rồi dùng nó như một cơ quan bên trong
- Tế bào chủ mang lại cho sinh vật cộng sinh các lợi ích như chất dinh dưỡng, năng lượng và sự bảo vệ
- Theo thời gian, sinh vật cộng sinh không còn có thể sống độc lập và ổn định như một bào quan (organelle) bên trong tế bào vi sinh vật
Những bước ngoặt trước đó do ti thể và lục lạp tạo ra
- Trong khoảng 4 tỷ năm lịch sử sự sống trên Trái Đất, nội cộng sinh sơ cấp được cho là chỉ được biết đến hai lần
- Trường hợp đầu tiên xảy ra khoảng 2,2 tỷ năm trước
- Một cổ khuẩn nuốt một vi khuẩn
- Vi khuẩn đó trở thành ti thể
- Ti thể, vốn chuyên về sản xuất năng lượng, đã giúp mở đường cho sự tiến hóa của sinh vật phức tạp
- Trường hợp thứ hai xảy ra khoảng 1,6 tỷ năm trước
- Một tế bào phát triển hơn hấp thụ một vi khuẩn lam có thể thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời
- Vi khuẩn lam này trở thành lục lạp
- Lục lạp mang lại cho thực vật khả năng tận dụng ánh sáng mặt trời và màu xanh
Vì sao sự kết hợp của B. bigelowii và UCYN-A là đặc biệt
- Thực vật và tảo thường hình thành quan hệ cộng sinh với các vi khuẩn riêng biệt để nhận nitơ
- Ban đầu, B. bigelowii cũng được cho là có mối quan hệ cộng sinh tách biệt như vậy với UCYN-A
- Nhưng các nghiên cứu chi tiết hơn đã đưa ra bằng chứng rằng mối quan hệ giữa hai sinh vật này còn gắn bó chặt chẽ hơn nhiều
Cơ sở để xem UCYN-A là nitroplast
- Một nhóm nghiên cứu xác nhận rằng tỷ lệ kích thước giữa tảo và UCYN-A được duy trì tương tự ngay cả giữa các loài tảo có họ hàng
- Quá trình tăng trưởng dường như được điều tiết bởi trao đổi dinh dưỡng
- Điều này giống với cách ti thể và lục lạp được điều chỉnh theo kích thước tế bào
- Trong nghiên cứu tiếp theo, các nhà khoa học quan sát bên trong tế bào tảo sống bằng kỹ thuật chụp ảnh tia X mạnh
- Sự sao chép và phân bào của vật chủ và sinh vật cộng sinh được đồng bộ hóa
- Đây là thêm một bằng chứng cho thấy nội cộng sinh sơ cấp đang vận hành
- Nhóm nghiên cứu đã so sánh protein của UCYN-A tách riêng với protein của UCYN-A bên trong tế bào tảo
- UCYN-A tách riêng chỉ có thể tự tạo ra khoảng một nửa số protein cần thiết
- Phần còn lại phải do tảo chủ cung cấp
- Đây là đặc điểm thường xuất hiện khi một nội cộng sinh thể chuyển thành bào quan
- UCYN-A được đánh giá là một bào quan hoàn chỉnh mang tên nitroplast
- Sự tiến hóa của nitroplast có vẻ đã bắt đầu khoảng 100 triệu năm trước, một khoảng thời gian rất ngắn nếu so với ti thể và lục lạp
Khả năng dẫn tới việc cố định nitơ ở thực vật
- Các nhà nghiên cứu dự định tiếp tục tìm hiểu liệu nitroplast có tồn tại trong các tế bào khác hay không và nó có tác động gì
- Một lợi ích tiềm năng là cung cấp con đường mới để đưa khả năng cố định nitơ vào thực vật
- Khả năng này có thể được dùng để trồng các loại cây trồng tốt hơn
- Nghiên cứu được đăng trên Cell00182-X.pdf) và Science
1 bình luận
Ý kiến Hacker News
Tôi đã học sinh học cấp ba suốt 3 năm mà không hiểu sao lại không được nghe rằng nguồn gốc của những năng lực đáng kinh ngạc này là từ việc một sinh vật hấp thụ sinh vật khác
Có học về ti thể và lục lạp nhưng chỉ theo kiểu rất khô khan
Nếu được dạy kèm bối cảnh như vậy thì giáo dục phổ thông chắc có thể khiến trẻ em hứng thú hơn nhiều
thuyết nguồn gốc nội cộng sinh mãi đến những năm 2000 vẫn còn đang tiếp tục làm rõ các mắt xích liên quan
https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origin-of-mito...
Chỉ là nếu hỏi các bạn cấp ba cũ của tôi bây giờ thì chắc khả năng họ còn nhớ bài đó chỉ khoảng 50-50
Điều đó cũng đúng với bất kỳ thông tin nào được nhắc tới khi học về bào quan, thậm chí tôi còn thấy khả năng họ nhớ được cả từ bào quan cũng chỉ là 50-50
Nếu hỏi mà không có bài báo này làm gợi ý thì chắc họ cũng không nói được đại khái những sự kiện đó xảy ra vào lúc nào
Dù vậy, có lẽ tất cả bạn học cũ của tôi vẫn sẽ nhớ meme “nhà máy điện của tế bào”
Và ti thể của chúng ta đến từ trứng, nên DNA ti thể luôn đến từ ti thể của mẹ
Hoặc cũng có thể bạn đã chơi Parasite Eve [0]
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Parasite_Eve_(video_game)#Plot
Sự kiện cộng sinh đầu tiên khó hơn gấp cả triệu lần so với lần thứ hai hay thứ ba
Ban đầu, vật chủ phải giải quyết một bài toán cực khó là xử lý DNA và RNA được tạo ra trong vòng đời và quá trình chết của sinh vật cộng sinh
Để sống sót, vật chủ đã phải tiến hóa những thứ như nhân tế bào và sinh sản hữu tính, đồng thời cũng cần nối ghép chọn lọc để xử lý tình trạng mọi gene đều bị hư hại bởi các yếu tố di truyền ích kỷ đến từ sinh vật cộng sinh
Sau đó việc tích hợp sinh vật cộng sinh vẫn còn khó, nhưng không đến mức như bước đầu tiên đó
Sự kiện cộng sinh đầu tiên dẫn tới nguồn gốc của sinh vật nhân thực có thể không phải là chuyện một tỷ năm mới có một lần, mà là một nghìn tỷ năm mới có một lần, hoặc còn hiếm hơn cả 10^20 năm
Điều đó có thể có nghĩa là trong một tỷ hành tinh có sự sống đơn giản, chỉ một hành tinh “tạo ra” sự sống phức tạp kiểu động vật, và đây có thể là bộ lọc lớn dẫn tới nghịch lý Fermi
Bộ lọc lớn có thể là thứ chúng ta đã vượt qua rồi, vì tổ hợp các điều kiện ràng buộc đã đưa tới chúng ta ngày nay có thể hiếm đến mức khó tin
Một sự kiện xác suất cực thấp khác có thể là sự phát triển của trí tuệ trừu tượng
Các điều kiện khiến kiểu trí tuệ như của chúng ta trở thành một lợi thế tiến hóa có vẻ đặc biệt độc nhất: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK210002/
Chỉ nhìn tiêu đề thì nghe như chuyện xảy ra vào tuần trước, nhưng thật ra đó là việc diễn ra từ 100 triệu năm trước và giờ mới được phát hiện
Nếu nghe như một loài mới vừa mới xuất hiện thì chắc tôi sẽ thấy cực kỳ đáng sợ
Tôi đã tưởng tượng ra cảnh một loài như vậy áp đảo hệ sinh thái của chúng ta và gây hỗn loạn, rồi cuối cùng xuất hiện một trạng thái cân bằng mới, những kẻ chiến thắng mới, và một loài thống trị mới
Tôi đã thấy đáng ngờ vì xác suất đúng lúc đang nhìn qua kính hiển vi mà bắt gặp khoảnh khắc hiếm hoi như vậy thì là bao nhiêu chứ
Vậy nếu bài báo không nói thêm gì thì có phải kết cục là hiện tại vẫn chưa có gì đặc biệt thú vị xảy ra không
Nếu mối quan hệ cộng sinh bắt đầu phát triển từ 100 triệu năm trước, thì có thể toàn bộ quãng thời gian đó đã được dùng để vi khuẩn trở thành một bào quan phụ thuộc hoàn toàn vào tế bào tảo chủ như hiện nay
Nên xem loài tảo đang được nói đến này: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Braarudosphaera_bigelowii
Nó tự bao quanh mình bằng mười hai tấm ngũ giác để tạo thành một khối mười hai mặt đều hoàn hảo
Thật sự là một sinh vật đẹp đến khó tin
Thật khó tin đây là một cấu trúc tự nhiên, hữu cơ mà lại có những cạnh sắc nét như thế
https://paleonerdish.wordpress.com/2013/06/10/an-introductio...
https://www.mediastorehouse.com/science-photo-library/diatom...
Đây là các nguồn sơ cấp
[1] https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(24)00182-X.pdf
[2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38603509/
Cũng có thông cáo báo chí của LBL
[3] https://newscenter.lbl.gov/2024/04/17/scientists-discover-fi...
[1] có truy cập mở
Đây là chuyện xảy ra một lần trong 1 tỷ năm và tình cờ chúng ta lại bắt được đúng mẫu vật đó có khả năng cao hơn, hay khả năng cao hơn là chuyện này thực ra xảy ra thường xuyên hơn nhiều nhưng thường không có tác động lớn hoặc không đáng nhớ như các trường hợp được nhắc tới
Cách đưa tin giật gân quá mức
Phát sinh cộng sinh chỉ mới có hai trường hợp được biết đến là ty thể và lạp thể, trong đó có lục lạp, nên cách nói “một lần trong 1 tỷ năm” phần nào có cơ sở
Cũng đang có nghi vấn về các trường hợp khác: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis
Có rất nhiều nội cộng sinh đã được biết đến
Chúng là những sinh vật riêng biệt sống trong cơ thể hoặc trong tế bào của sinh vật khác, và là điều kiện tiên quyết của phát sinh cộng sinh
https://en.wikipedia.org/wiki/Endosymbiont
Đây là chuyện xảy ra 100 triệu năm trước, không phải trong đĩa petri ở phòng thí nghiệm
Tuy vậy tiêu đề vẫn cần chỉnh lại đôi chút
Tôi không thực sự bị thuyết phục bởi lập luận rằng nội cộng sinh sơ cấp hiếm đến thế
Gần như mọi loài côn trùng đều có nội cộng sinh di truyền được: https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00046
Ở đây đang nói về nội cộng sinh ở cấp độ tế bào
Có vi khuẩn đường ruột và việc chúng được tích hợp vào bên trong tế bào ở cấp độ phân tử để trở thành bào quan là hai chuyện khác nhau
Dù vậy, sự hoài nghi về việc truyền thông cường điệu là khá đúng
Kiểu nội cộng sinh này, cả sơ cấp lẫn thứ cấp, đều đã có những ví dụ nổi tiếng khác
Có thể đây không phải là cộng sinh sơ cấp với vi khuẩn lam, nhưng so với các trường hợp khác mà chúng ta đã biết, khó có thể gọi đây là một “bước nhảy khoa học” khổng lồ về mặt hiểu biết hay mức độ gây kinh ngạc
Trớ trêu là ngay cả trong các nội cộng sinh đường ruột ở côn trùng cũng thấy kiểu cộng sinh ở cấp độ tế bào này; ví dụ cực đoan nhất có lẽ là Mixotricha paradoxa: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixotricha_paradoxa
Hatena arenicola https://en.wikipedia.org/wiki/Hatena_arenicola rất giống với phát hiện lần này, nhưng vì đối tượng là tảo chứ không phải vi khuẩn lam nên đó là nội cộng sinh thứ cấp, và có khi còn thú vị, kỳ lạ hơn nữa
Chúng ta cũng biết từ bộ gene của Smybiodinium rằng đã có nhiều lần xảy ra các sự kiện bắt giữ nội cộng sinh; một số có thể là cộng sinh thứ cấp với tảo, và một số khác rất có thể là cộng sinh sơ cấp với vi khuẩn: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiodinium
Một nguồn tốt hơn đã được đăng ở đây nhưng không có thảo luận: https://news.ycombinator.com/item?id=40101317