Phát hiện về bước ngoặt tiến hóa của tổ tiên chúng ta hàng tỉ năm trước

Ngày 7.6, các nhà khoa học đã công bố kết quả nghiên cứu về steroid nguyên thủy để giải quyết bí ẩn lâu nay về cách các dạng sống phức tạp đầu tiên phát triển.

Sinh vật tiến hóa từ sinh vật đơn bào lên các dạng sống phong phú như hiện giờ

Steroid nguyên thủy được phát hiện trong đá 1,6 tỉ năm tuổi có thể giúp các nhà khoa học giải đáp bí ẩn lâu đời về sự tiến hóa của sự sống đơn bào. Các hợp chất này được tạo ra bởi các sinh vật nhân chuẩn, tức là các tế bào có nhân và các bào quan bên trong được bao bọc bởi màng. Sinh vật nhân chuẩn hiện đại bao gồm thực vật, nấm và động vật. Ngược lại, sinh vật nhân sơ – vi khuẩn và vi khuẩn cổ – thiếu những đặc điểm này. Dựa trên dữ liệu phân tử, các nhà nghiên cứu biết rằng sinh vật nhân chuẩn đơn bào đã tiến hóa lần đầu tiên cách đây ít nhất 2 tỉ năm, nhưng có rất ít hồ sơ hóa thạch về những ngày đầu tiên của chúng.

Đặc biệt khó hiểu là các steroid mà sinh vật nhân chuẩn tạo ra như một phần của màng của chúng không xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch cho đến khoảng 800 triệu năm trước. Tổ tiên chung gần nhất của sinh vật nhân chuẩn hiện đại (gồm cả con người chúng ta ngày nay) đã có mặt trên Trái đất cách đây khoảng 1,2 tỉ năm và các nhà khoa học cho rằng đó là nguồn gốc đã tạo ra các steroid này. Chính sự ngộ nhận đó dẫn đến nhầm lẫn về lý do tại sao chúng không xuất hiện trong đá cổ đại.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng họ đang tìm kiếm sai thứ. Thay vì tìm kiếm các hợp chất steroid có lớp vỏ như hiện tại, họ đã phát hiện ra tiền chất từ các bước đầu tiên trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả của họ vào ngày 7.6 trên tạp chí Nature.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu Jochen Brocks, giáo sư tại Trường Nghiên cứu Khoa học Trái đất tại Đại học Quốc gia Úc, nói: “Nó (steroid nguyên thủy) giống một thứ thứ gì đó hiển nhiên xuất hiện hàng ngày nhưng chúng ta không ‘nhìn thấy’ nó”. Nhưng một khi ta biết nó trông như thế nào, ta đột nhiên thấy nó ở khắp mọi nơi”.

Giới sinh vật nhân thực

Sau khi các nhà nghiên cứu tìm ra phân tử nào cần tìm, họ đã tìm thấy chúng trên khắp các loại đá trầm tích từ 1 tỉ đến 1,6 tỉ năm trước. Brocks nói điều đó làm thay đổi bức tranh về những gì các nhà nghiên cứu tin tưởng về sự phong phú ban đầu của sinh vật nhân chuẩn (gồm 3 giới động vật, thực vật và nấm).

Ông nói: “Trước đây chúng tôi nghĩ rằng sinh vật nhân chuẩn có số lượng rất thấp hoặc bị hạn chế ở những môi trường cận biên nơi không thể tìm thấy hóa thạch phân tử. Bây giờ có vẻ như các dạng nguyên thủy hơn có thể khá phong phú ngay cả trong môi trường sống ngoài biển khơi”.

Các hợp chất lần đầu được tìm thấy trong đá hình thành dưới đáy đại dương cổ đại, phát lộ lên mặt đất ở phía Bắc của Úc. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu mở rộng cuộc tìm kiếm những tảng đá hàng tỉ năm tuổi trên toàn cầu, họ đã tìm thấy dấu vết của steroid cổ đại từ khắp nơi trên thế giới, gồm cả ở Tây Phi, Scandinavia và Trung Quốc.

Các mẫu cổ nhất có niên đại 1,64 tỉ năm; các nhà khoa học vẫn chưa tìm thấy những tảng đá cổ hơn được bảo quản đủ tốt để phân tích. Ngoài ra, Brocks nói trong hồ sơ dữ liệu của họ vẫn có một khoảng trống thời gian ở giai đoạn từ 800 triệu đến 1 tỉ năm trước, bởi vì có rất ít đá biển từ khoảng thời gian đó vẫn còn tồn tại. Tuy nhiên, thời kỳ đó lại nằm ngay giai đoạn mà sinh vật nhân chuẩn hiện đại có khả năng bắt đầu xuất hiện cao nhất. Do vậy điều quan trọng là phải lấp đầy những khoảng trống đó thì mới giải quyết hết các thắc mắc.

Bước ngoặt trong tiến hóa của sinh vật

Laura Katz, nhà sinh vật học tại Đại học Smith, người nghiên cứu sự tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn nhưng không tham gia vào nghiên cứu, cho biết phát hiện mới là một “bước tiến đáng kể” trong việc bổ sung dữ liệu còn thiếu về sinh vật nhân chuẩn sơ khai.

Katz nói: “Báo cáo khoa học này đang giúp chúng tôi hiểu được những sinh vật nhân chuẩn ban đầu và giúp mường tượng chúng có thể trông như thế nào”.

Andrew Roger, nhà sinh học phân tử tại Đại học Dalhousie ở Canada, người không tham gia nghiên cứu, cũng cho biết những sinh vật này tiến hóa trong một môi trường rất khác so với môi trường ngày nay. Roger cho biết bầu khí quyển của Trái đất mãi đến 2,4 tỉ năm trước mới chứa hàm lượng oxy đáng kể và mãi đến 650 triệu năm trước mới đạt đến mức oxy như hiện giờ.

Ông nói: “Mức độ oxy trong khí quyển có thể đóng một vai trò quan trọng trong thời điểm tiến hóa của sinh vật nhân thực, do hầu hết sinh vật nhân chuẩn sử dụng oxy trong quá trình trao đổi chất của chúng. Katz thậm chí cho biết còn có khả năng nhờ các steroid mới phát triển đã cho phép những sinh vật nhân chuẩn ban đầu di chuyển vào môi trường mới giàu oxy”.

Đó chính là bước tiến đột phá để từ sinh vật đơn bào tiến hóa thành đa bào, thành động vật rồi thành con người chúng ta. Nên nhớ để tiến hóa từ vượn sang người thì chỉ mất hơn 3 triệu năm, nhưng để tiến hóa từ sinh vật đơn bào sang sinh vật đa bào thì chúng ta mất hàng tỉ năm.

Steroid là một loại hợp chất hữu cơ có chứa một sự sắp xếp đặc trưng của bốn vòng cycloalkane được nối với nhau. Ví dụ về các steroid bao gồm các chất béo ăn cholesterol, hormon sinh dục estradiol và testosterone, và thuốc chống viêm dexamethasone. Lõi của steroid bao gồm 20 nguyên tử cacbon liên kết với nhau mang hình thức của bốn vòng hợp nhất: ba vòng cyclohexane (được xem như là vòng A, B, và C trong hình bên phải) và một vòng cyclopentane (vòng D). Các steroid khác nhau đối với từng nhóm chức năng gắn liền với cốt lõi bốn vòng và oxy hóa của các vòng.

Steroid là các hợp chất chất béo hữu cơ hòa tan có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp, có công thức từ 17 nguyên tử cacbon sắp xếp thành 4 vòng và bao gồm cả các sterol và axit mật, thượng thận, và kích thích tố giới tính. Một số steroid có nguồn gốc thiên nhiên như: hợp chất digitalis, và các tiền chất của một số loại vitamine nhất định.