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.
Video đang HOT
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.
Bí ẩn loài cá 'ngủ hè'
Cá phổi, thường sống ở châu Phi, có khả năng sống sót khi dòng sông cạn nước vào mùa khô.
Cá phổi ngoi lên mặt nước để hớp không khí.
Bí quyết của chúng nằm ở khả năng thích nghi nhanh chóng với những điều kiện khí hậu khắc nghiệt.
Đào hang để ngủ hè
Trên bề mặt sông Bandama ở Bờ biển Ngà thi thoảng sẽ xuất hiện những gợn sóng lăn tăn khi một sinh vật có đốm ngoi lên để hít thở. Đó là loài cá phổi thường sinh sống ở khu vực Tây Phi.
Cá phổi dài một mét, có hình dạng giống con lươn và những họa tiết da báo trên nền vảy màu ô liu. Chúng sống ở ranh giới giữa đời sống dưới nước và trên bờ. Thân của chúng phải ngập trong nước nhưng đôi khi chúng cần hít thở không khí trên kia. Đó là lý do chúng được đặt tên là "cá phổi".
Cá phổi sở hữu cặp lá phổi và phần mang không đủ cung cấp dưỡng khí nên chúng phải ngoi lên mặt nước thường xuyên để lấy khí oxy. Khác với hầu hết các loài cá, cá phổi có thể sống sót khi dòng sông cạn nước vào mùa khô.
Trong khi những loài cá khác rút lui vào những ao hồ chật hẹp hoặc di cư đi nơi khác, cá phổi đào hang trong lòng sông khô cạn. Ở đây, chúng bao bọc cơ thể trong kén chất nhầy, chỉ chừa khe hở cho phần miệng để hít thở không khí. Với cách làm này, cá phổi có thể duy trì sự sống mà không cần ăn uống trong nhiều tháng, thậm chí là 4 năm.
Ở các loài động vật, hiện tượng trên gọi là ngủ hè. Quá trình này xảy ra khi động vật kích hoạt chế độ tạm ngừng hoạt động cả về mặt thể xác và trao đổi chất để sống sót qua điều kiện khô nóng.
Trạng thái ngủ hè thường xảy ra ở những loài động vật nhiệt đới, chủ yếu nằm phía Bắc Trái đất. Đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu hết về quá trình các loài động vật ngủ hè vì nó khó quan sát hơn ngủ đông.
Những nhà tự nhiên học thời Victoria đã tìm cách vận chuyển cá phổi châu Phi nửa vòng Trái đất tới Anh và Mỹ để nghiên cứu. Kết hợp với các công nghệ nghiên cứu phát triển hiện nay, họ dần khám phá ra quá trình tế bào và di truyền phía sau hành vi ngủ hè của cá phổi.
Do không có chân để di chuyển lên đất liền và có thể bị tách biệt với môi trường khác khi nước khô cạn, cá phổi châu Phi đã tiến hóa để tồn tại ở trạng thái không hoạt động trong lớp bùn cho tới khi nước dâng trở lại.
Cảm ứng, giai đoạn đầu tiên của quá trình kích hoạt, đặt nền móng cho hành vi ngủ hè. Năm 1986, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra nhiều dấu hiệu để kích hoạt trạng thái ngủ hè gồm mất nước, đói, thở nhiều hơn và căng thẳng.
Ngoài ra, thay đổi ở độ mặn và thành phần của các chất hòa tan như canxi, magie trong vùng nước xung quanh là dấu hiệu các dòng sông cạn kiệt. Mang có thể giúp cá phổi cảm nhận được nồng độ nước bên trong cơ thể.
Từ những dấu hiệu trên, cá phổi bắt đầu đào hang trong bùn bằng miệng và cơ thể trơn tròn. Sau đó, chúng rút vào trong hang, cuộn tròn phần thân dài và bao bọc bản thân trong lớp chất nhầy do chúng tự tiết ra. Sau khi chất nhầy cứng lại, chúng tạo thành chiếc kén không thấm nước, chỉ chừa lại một lỗ hẹp trên bề mặt cho phép cá hít thở không khí bằng phổi.
Cá phổi Tây Phi có thể sống sót qua giai đoạn nước khô cạn.
Thay đổi sinh lý
Tuy nhiên, chui vào hang không đủ giúp cá phổi sinh tồn qua thời kỳ khô hạn. Thay đổi bề ngoài cần đi kèm với những thay đổi sinh lý để tiếp tục quá trình trao đổi chất cơ bản vì chúng không được tiếp cận với thức ăn và nước uống trong nhiều tháng.
Các phân tích di truyền chỉ ra mức độ biểu lộ tín hiệu hormone tăng lên trong não do hoạt động gen tăng. Việc ngừng trao đổi chất diễn ra trong quá trình ngủ hè, bắt đầu ngay khi kén chất nhầy khô hoàn toàn. Hoạt động lấy oxy chỉ diễn ra qua lá phổi và mức tiêu thụ oxy giảm một nửa so với khi chúng sống trong nước.
Những thay đổi này đi kèm với giảm hoạt động trao đổi chất, nhịp tim giảm xuống còn khoảng 2 nhịp/phút so với bình thường là 25 nhịp/phút. Chúng cũng ngưng sản xuất chất thải. Nhiều bộ phận cơ thể được tái cấu trúc như ruột, thận, tim, vì chức năng bị suy giảm. Nguồn dự trữ bên trong là nguồn năng lượng duy nhất giúp cá phổi tồn tại.
Trong quá trình này, não của cá phổi vẫn hoạt động vì nếu ngưng hoạt động, các cơ quan khác sẽ chịu tổn thương. Ngoài ra, một số lượng lớn bạch cầu hạt tích tụ trong ruột, thận và tuyến s.inh d.ục của cá phổi trong mùa mưa cũng giúp chúng ngủ hè. Cụ thể, chiếc kén do chúng tạo ra chứa bạch cầu hạt nhằm ngăn chặn mầm bệnh khi cá phổi ngủ hè.
Bạch cầu hạt di chuyển từ nơi lưu trữ trong nội tạng, thông qua mạch m.áu tới da và tiến vào trạng thái viêm trước khi hoàn thành quá trình đóng kén. Tại đây, bạch cầu hạt tạo ra bẫy ngoài tế bào, ngăn chặn vi khuẩn truyền sang cá phổi ngủ hè khiến chiếc kén trở nên miễn dịch.
Khi nước trở lại kéo cá phổi ra khỏi giấc ngủ dài, miệng của nó, bộ phận duy nhất không được bao bọc trong kén chất nhầy, chứa đầy nước. Điều này bắt đầu giai đoạn thức tỉnh của ngủ hè cũng là giai đoạn bí ẩn nhất trong ba giai đoạn. Sau khi khó khăn rời khỏi kén, cá phổi bài tiết chất thải tích tụ trong quá trình ngủ hè.
Sau khoảng 10 ngày, dành để tái cấu trúc các cơ quan nội tạng, cá phổi bắt đầu ăn trở lại. Đáng chú ý là cá phổi trở lại trạng thái sống tự nhiên rất nhanh, hoàn thành quá trình biến đổi trong thời gian các nhà khoa học mải mê nghiên cứu về nó.
Sự chuyển đổi này có thể là manh mối cho sự tiến hóa của động vật có xương sống sống dưới nước sang sống trên cạn. Là họ hàng còn tồn tại của tất cả các loài động vật bốn chân, việc hiểu rõ cơ chế ngủ hè của cá phổi giúp các nhà khoa học làm sáng tỏ quá trình tiến hóa từ động vật dưới nước lên cạn.
Vì sao cá nước ngọt không thể sống ở biển? Tất cả chúng ta đều biết có cá nước ngọt và cá biển. Vậy bạn có biết tại sao cá nước ngọt không thể sống ở biển dù chúng đều biết bơi như nhau? Cá nước ngọt là gì? Có hơn 8.600 loài cá nước ngọt được biết đến trên thế giới, bao gồm hơn 30 phân loại khác nhau. Thực tế, bất...