Tiết lộ mới về vi sinh vật sống sâu dưới bề mặt Trái đất

Một phân tích mới về hai nhóm vi sinh vật sống dưới bề mặt Trái đất tiết lộ rằng con đường tiến hóa của chúng để sống trong bóng tối gây tò mò hơn chúng ta mong đợi.

Các nhà khoa học thu thập các mẫu vi khuẩn trong Vườn quốc gia Thung lũng Chết.

Trong 2 tỷ năm tồn tại đầu tiên của hành tinh, không có ôxy trong khí quyển. Một khi không khí trên hành tinh xanh của chúng ta thay đổi, không phải tất cả các dạng sống đều thích nghi. Nhiều vi khuẩn rút lui vào các khu vực ít ôxy hơn của hành tinh.

Patescibacteria và DPANN là hai nhóm vi khuẩn sống dưới bề mặt phổ biến như vậy có bộ gene rất đơn giản. Điều này khiến nhiều người nghi ngờ rằng nếu không có ôxy, những vi khuẩn này có thể cần dựa vào các tương tác phức tạp với các sinh vật khác để bổ sung cho lối sống đơn giản của chúng.

Nghiên cứu mới chỉ ra rằng thay vì có sự phụ thuộc cộng sinh vào các nhóm sinh vật chính khác, hầu hết các vi khuẩn Patescibacteria và DPANN đều sống dưới dạng các tế bào hoàn toàn tự do.

“Những vi khuẩn này thực sự là những ví dụ thực sự đặc biệt, thú vị về sự tiến hóa ban đầu của sự sống. Chúng có thể là tàn tích của các dạng sống cổ xưa đã ẩn náu và phát triển mạnh trong bề mặt Trái đất hàng tỷ năm”, nhà nghiên cứu Ramunas Stepanauskas cho biết.

Nghiên cứu trước đây về Patescibacteria và DPANN đã thu thập một số lượng nhỏ các ví dụ gần bề mặt Trái đất và chủ yếu ở Bắc Mỹ, nhưng nghiên cứu mới này đi sâu và rộng hơn bao giờ hết, phân tích gần 5.000 tế bào vi sinh vật riêng lẻ từ 46 địa điểm trên toàn cầu, bao gồm một núi lửa bùn dưới đáy biển Địa Trung Hải, các miệng thông thủy nhiệt ở Thái Bình Dương và các mỏ vàng ở Nam Phi.

“Các quan sát về gene và lý sinh tế bào đơn của chúng tôi không ủng hộ quan điểm phổ biến rằng Patescibacteria và DPANN bị chi phối bởi các loài cộng sinh. Tiềm năng mã hóa khác nhau, bộ gene nhỏ và kích thước tế bào nhỏ của chúng có thể là kết quả của quá trình chuyển hóa năng lượng nguyên thủy của tổ tiên chỉ dựa vào lên men”, các nhà nghiên cứu giải thích thêm.

Lên men là một trong những lựa chọn trao đổi chất mà sinh vật sống có để phân hủy glucose mà không cần sự trợ giúp của ôxy. Nhiều dạng sống sử dụng quá trình lên men để sản xuất năng lượng, đặc biệt là các vi sinh vật hoàn toàn không hít thở không khí.

Tuy nhiên, sử dụng quá trình lên men kém hiệu quả hơn so với hô hấp, nó chỉ tạo ra 2 ATP trên mỗi glucose so với 38 ATP trên mỗi glucose khi hô hấp hiếu khí, vì vậy kiểu chuyển hóa này đi kèm đường trao đổi chất chậm.

Tuy nhiên, Patescibacteria và DPANN vẫn ổn. Dựa trên phân tích mới, hai nhóm không có dấu vết của thứ được gọi là chuỗi vận chuyển điện tử, một quá trình trao đổi chất tạo ra năng lượng bằng cách chuyển các điện tử vào ôxy. Các thủ thuật sinh tồn tương đối đơn giản, có tiềm năng cổ xưa đơn giản là không cần nó.

Nghiên cứu bộ gene và các thử nghiệm thực nghiệm trực tiếp trên các mẫu đại diện cho hai nhóm cho thấy không có bằng chứng về sự hô hấp. Việc kiểm tra chặt chẽ các liên kết giữa tế bào với tế bào cho thấy hầu hết là tự chúng, không gắn với vật chủ như một số người anh em họ hàng bề mặt.

Các tác giả không phủ nhận một số mối quan hệ cộng sinh có thể đã bị phá vỡ bởi sự xử lý của con người, nhưng sự trộn lẫn nhẹ nhàng đã được sử dụng khi phân loại các tế bào.

Ngay cả khi nhóm nghiên cứu đang đánh giá thấp các tương tác giữa tế bào với tế bào, phân tích bộ gene không tìm thấy bằng chứng về sự làm giàu tiến hóa từ các mối quan hệ cộng sinh. Thay vào đó, nội dung bộ gene và phân tích sinh lý tế bào trong phòng thí nghiệm cho thấy các nhóm vi sinh vật này chứa ít các cách sản xuất năng lượng khác ngoài quá trình lên men.

“Những phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng Patescibacteria và DPANN là những dạng sống cổ xưa có thể chưa bao giờ học được cách thở. Hai nhánh chính này của cây sự sống tiến hóa tạo nên một phần lớn trong tổng số đa dạng vi sinh vật trên hành tinh tuy nhiên chúng thiếu một số khả năng thường được mong đợi ở mọi dạng sống”, nhà nghiên cứu Stepanauskas nhấn mạnh.