Loài cá kỳ lạ phá vỡ kỷ lục về bộ gen động vật lớn nhất với DNA gấp 30 lần chúng ta

Một trong những sinh vật kỳ lạ nhất của Trái Đất, loài cá phổi, đã phá vỡ kỷ lục về bộ gen lớn nhất trong thế giới động vật. Với DNA dài gấp 30 lần của con người, cá phổi đã trở thành tâm điểm của nghiên cứu khoa học về tiến hóa và sự phát triển của các loài động vật trên cạn.

Bộ gen khổng lồ của loài cá phổi

Loài cá phổi Nam Mỹ, với tên khoa học là Lepidosiren paradoxa, đã được các nhà khoa học giải trình tự bộ gen, và kết quả cho thấy nó sở hữu một bộ gen lớn chưa từng có trong thế giới động vật. Với kích thước lên tới 90 gigabase (GB), tương đương với 90 tỷ bazơ, bộ gen của cá phổi Nam Mỹ lớn gấp đôi so với loài giữ kỷ lục trước đó là cá phổi Úc ( Neoceratodus forsteri).

Điều đáng chú ý là, trong số 19 nhiễm sắc thể của loài cá phổi Nam Mỹ, có tới 18 nhiễm sắc thể lớn hơn toàn bộ bộ gen của con người, vốn chỉ có gần 3 tỷ cặp bazơ. Như vậy, bộ gen của loài cá này dài gấp khoảng 30 lần so với bộ gen người. Dù sở hữu một bộ gen khổng lồ như vậy, cá phổi Nam Mỹ chỉ có khoảng 20.000 gen mã hóa protein, tương tự như con số của con người.

Sự tiến hóa kỳ diệu của cá phổi

Cá phổi là một trong những loài động vật có xương sống đặc biệt, có khả năng hít thở cả trong nước và không khí nhờ vào lá phổi. Đặc điểm này đã giúp loài cá phổi tồn tại và phát triển trong hàng triệu năm, đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của chúng từ cá thành động vật bốn chân ( tetrapod). Hiện nay, cá phổi được coi là hóa thạch sống, với ba dòng dõi chính là cá phổi châu Phi ( Protopterus annectens), cá phổi Nam Mỹ, và cá phổi Úc.

Việc so sánh bộ gen của ba dòng dõi này đã giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách các loài cá phổi đã đa dạng hóa và tiến hóa trong suốt 100 triệu năm qua. Những phát hiện này cũng cung cấp thông tin quý giá về cách mà tổ tiên của chúng ta, từ những sinh vật sống dưới nước, đã tiến hóa để trở thành động vật có thể sống trên cạn.

Một trong những lý do khiến bộ gen của cá phổi Nam Mỹ trở nên khổng lồ chính là sự hiện diện của các yếu tố chuyển vị, hay còn gọi là ‘gen nhảy’. Đây là những trình tự DNA có khả năng tự sao chép và di chuyển trong bộ gen, dẫn đến những thay đổi di truyền nhanh chóng. Những thay đổi này có thể gây hại cho sinh vật, nhưng đồng thời cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện rằng, ở cá phổi, sự hiện diện của piRNA – một loại RNA thường ức chế hoạt động của các yếu tố chuyển vị – rất thấp. Điều này có nghĩa là các gen nhảy có thể tự do di chuyển và phát triển, khiến cho bộ gen của cá phổi không ngừng phình to qua hàng triệu năm.

Mặc dù bộ gen của cá phổi Nam Mỹ rất lớn, nhưng nó lại khá ổn định và bảo thủ về mặt cấu trúc. Điều này giúp các nhà khoa học có thể sử dụng nó để tái tạo cấu trúc nhiễm sắc thể của tổ tiên chung của tất cả các loài động vật bốn chân. Việc nghiên cứu bộ gen của cá phổi không chỉ giúp hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của loài này, mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về con đường tiến hóa của các loài động vật có xương sống khác, bao gồm cả con người.

Sự khác biệt giữa ba loài cá phổi

Mặc dù có cùng một tổ tiên chung, nhưng ba loài cá phổi hiện nay lại có những đặc điểm khác nhau đáng kể. Cá phổi Úc là loài duy nhất trong ba loài có một lá phổi và vẫn có thể sử dụng mang để thở, trong khi hai loài cá phổi châu Phi và Nam Mỹ có mang bị teo lại và sở hữu hai lá phổi. Điều này cho phép cá phổi châu Phi và Nam Mỹ có thể thở hoàn toàn bằng phổi khi môi trường sống của chúng cạn kiệt nước.

Ngoài ra, cá phổi Úc vẫn giữ lại các vây giống chi, cho phép chúng di chuyển lên bờ đất, trong khi các chi của cá phổi châu Phi và Nam Mỹ đã tiến hóa thành những vây dạng sợi, không còn chức năng di chuyển trên cạn. Sự khác biệt này có thể được giải thích bằng những thay đổi trong con đường truyền tín hiệu phát triển phôi thai gọi là Shh, một yếu tố quan trọng hướng dẫn sự phát triển của các chi.

Những thay đổi trong quá trình phát triển này đã được minh chứng thông qua các nghiên cứu trên chuột được chỉnh sửa gen để mang các gen cá phổi. Kết quả của các nghiên cứu này cho thấy rằng sự phát triển của chi có liên quan đến các yếu tố di truyền và môi trường, từ đó giúp hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của động vật có xương sống.

Tầm quan trọng của nghiên cứu về cá phổi

Việc giải trình tự bộ gen của cá phổi Nam Mỹ và so sánh với các loài cá phổi khác đã mở ra nhiều cánh cửa mới trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học tiến hóa. Cá phổi, với vị trí đặc biệt trong cây phát sinh loài, là một trong những chìa khóa để hiểu rõ hơn về cách mà các quá trình phân tử, phát triển, và tiến hóa đã giúp động vật có xương sống chinh phục đất liền.

Các nhà nghiên cứu tin rằng, bộ gen của cá phổi không chỉ giúp hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của loài này mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các tổ tiên của động vật bốn chân đã rời khỏi môi trường nước để sống trên cạn. Đây là một trong những bước ngoặt quan trọng nhất trong lịch sử tiến hóa của động vật có xương sống, bao gồm cả loài người.

Những phát hiện mới từ nghiên cứu này cũng hứa hẹn sẽ mang lại nhiều hiểu biết sâu sắc hơn về sự tiến hóa của các loài động vật khác, đặc biệt là trong việc phân tích cách mà các yếu tố di truyền và môi trường tương tác để tạo ra những thay đổi trong cấu trúc cơ thể và chức năng sinh học.

Nghiên cứu về bộ gen của cá phổi Nam Mỹ không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về loài cá cổ đại này mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới về sự tiến hóa của động vật có xương sống. Việc giải trình tự bộ gen của cá phổi đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các quá trình di truyền và môi trường đã định hình sự phát triển của các loài động vật trong hàng triệu năm qua.

Cá phổi, với bộ gen khổng lồ và những đặc điểm tiến hóa đặc biệt, đã trở thành một đối tượng nghiên cứu quan trọng, giúp giải mã những bí ẩn về quá trình tiến hóa của sự sống trên Trái Đất. Với những phát hiện mới, chúng ta càng hiểu rõ hơn về cách mà loài người và các động vật khác đã từng bước tiến hóa để chinh phục hành tinh này.