Ty thể, nhà máy năng lượng trong mỗi tế bào của bạn, có tổ tiên là một loại vi khuẩn sống tự do. Theo các ước tính phổ biến, cách nay hơn một tỷ rưỡi năm, một tế bào nuốt vi khuẩn ấy mà không tiêu hoá, hai bên dần phụ thuộc vào nhau, và tạo nên tế bào nhân thực, nền móng của mọi động vật, thực vật và nấm.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Ý tưởng này từng bị coi là dị thường, bài báo đầu tiên trình bày đầy đủ nó bị nhiều tạp chí từ chối. Ngày nay nó nằm trong sách giáo khoa. Tập này mình kể hành trình đó và những phần của câu chuyện vẫn còn mở.
Một ý tưởng cũ bị quên
Đầu thế kỷ hai mươi, nhà thực vật học Nga Konstantin Mereschkowski đã đề xuất rằng lục lạp, nơi quang hợp trong tế bào thực vật, có nguồn gốc từ những sinh vật quang hợp sống tự do. Vài nhà khoa học khác có ý tưởng tương tự về ty thể.
Nhưng thời ấy không có công cụ để kiểm tra. Ý tưởng bị xem là suy đoán xa vời, rồi gần như bị quên.
Cuối thập niên sáu mươi, nhà sinh học Mỹ trẻ tuổi Lynn Margulis, khi ấy ký tên Lynn Sagan, viết một bài báo dài tổng hợp các bằng chứng tế bào học và sinh hoá, đề xuất rằng cả ty thể và lục lạp đều là con cháu của vi khuẩn cộng sinh.
Theo những gì bà kể lại, bài báo bị khoảng mười mấy tạp chí từ chối trước khi được đăng. Ngay cả sau đó, nhiều nhà sinh học vẫn coi nó là dị giáo.
Những manh mối trong chính tế bào
Bằng chứng đầu tiên là cấu trúc. Ty thể và lục lạp có hai lớp màng, phù hợp với hình ảnh một tế bào bị bọc trong túi màng của tế bào khác. Chúng tự nhân lên bằng cách tách đôi, giống vi khuẩn, chứ không được tế bào chủ dựng mới từ đầu.
Bằng chứng thứ hai là chúng có bộ gen riêng, nhỏ, dạng vòng như vi khuẩn, và có bộ máy tổng hợp protein riêng giống của vi khuẩn hơn là của phần còn lại trong tế bào. Một số kháng sinh nhắm vào vi khuẩn cũng ảnh hưởng tới bộ máy này trong ty thể.
Bằng chứng quyết định đến từ việc so sánh trình tự gen trong thập niên bảy mươi, tám mươi. Gen của lục lạp gần với vi khuẩn lam, loài vi khuẩn quang hợp. Gen của ty thể gần với một nhóm vi khuẩn gọi là alpha proteobacteria.
Đến đây, phần cốt lõi của thuyết nội cộng sinh được giới sinh học chấp nhận rộng rãi. Một ý tưởng bị cười chê trở thành kiến thức sách giáo khoa chỉ trong khoảng hai thập niên.
Phần nào của Margulis vẫn chưa được chấp nhận?
Margulis không dừng ở ty thể và lục lạp. Bà đề xuất rằng roi và lông của tế bào nhân thực có nguồn gốc từ một loại vi khuẩn xoắn cộng sinh. Ý tưởng này đến nay không được dữ liệu ủng hộ, và phần lớn giới chuyên môn không chấp nhận.
Bà cũng cho rằng cộng sinh, chứ không phải cạnh tranh, là động lực chính của tiến hoá, và phê phán gay gắt cách nhìn tập trung vào gen. Nhiều đồng nghiệp đánh giá cao trực giác của bà nhưng cho rằng bà đi quá xa trong những khẳng định khái quát.
Cuối đời, Margulis còn ủng hộ một số quan điểm gây tranh cãi lớn ngoài lĩnh vực chuyên môn của bà, khiến hình ảnh của bà trong giới khoa học thêm phức tạp.
Câu chuyện của bà là lời nhắc rằng một nhà khoa học có thể đúng tuyệt vời ở một ý tưởng lớn và sai ở những ý tưởng khác. Khoa học đánh giá từng ý tưởng, không đánh giá con người theo kiểu được ăn cả.
Tế bào chủ là ai?
Nếu ty thể là vi khuẩn bị nuốt, thì kẻ nuốt là ai. Câu hỏi này mở ra một trong những cuộc săn tìm thú vị nhất của sinh học gần đây.
Sự sống đơn bào được chia thành hai nhánh lớn: vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Dữ liệu di truyền ngày càng cho thấy tế bào chủ thuộc về nhánh vi khuẩn cổ. Giữa thập niên trước, các nhà khoa học phát hiện trong trầm tích đáy biển dấu vết di truyền của một nhóm vi khuẩn cổ mới, đặt tên theo các vị thần Bắc Âu, gọi chung là nhóm Asgard.
Bộ gen của nhóm này chứa nhiều gen trước đây tưởng chỉ có ở tế bào nhân thực. Vài năm sau, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản nuôi cấy thành công một đại diện của nhóm sau hơn mười năm kiên nhẫn, và thấy nó có những phần nhô ra dài, gợi ý một cách nó có thể ôm lấy vi khuẩn khác.
Thứ tự các sự kiện, tế bào chủ đã phức tạp trước khi có ty thể, hay chính ty thể mới cho phép sự phức tạp, vẫn đang được tranh luận sôi nổi.
Vì sao chuyện này quan trọng với mọi sinh vật phức tạp?
Một lập luận có ảnh hưởng, của các nhà sinh hoá Nick Lane và William Martin, cho rằng ty thể chính là chìa khoá cho sự phức tạp. Năng lượng dồi dào từ ty thể cho phép tế bào nhân thực nuôi bộ gen lớn hơn nhiều, thứ mà vi khuẩn không đủ sức.
Nếu đúng vậy, sự kiện nội cộng sinh có thể là một biến cố hiếm. Mọi động vật, thực vật, nấm trên Trái Đất đều có chung một tổ tiên nhân thực, gợi ý rằng sự kiện ấy có lẽ chỉ thành công một lần.
Điều này có hệ quả thú vị cho câu hỏi sự sống ngoài Trái Đất: sự sống đơn giản có thể phổ biến, nhưng sự sống phức tạp có thể phải chờ một sự tình cờ hiếm.
Lần tới bạn thở mạnh khi leo dốc, hãy nhớ hàng nghìn tỷ con cháu của một vi khuẩn cổ xưa đang làm việc cho bạn trong từng tế bào.
Câu hỏi thường gặp
Ty thể di truyền theo dòng nào?
Ở người và phần lớn động vật, ty thể được thừa hưởng gần như hoàn toàn từ mẹ, qua tế bào trứng. Vì vậy gen ty thể được dùng để lần theo dòng mẹ trong nghiên cứu lịch sử loài người.
Ty thể còn sống được ngoài tế bào không?
Không. Qua thời gian rất dài, phần lớn gen của tổ tiên vi khuẩn đã chuyển sang nhân tế bào hoặc mất đi. Ty thể ngày nay phụ thuộc hoàn toàn vào tế bào chủ.
Lục lạp có từng được nuốt nhiều lần không?
Có. Ngoài sự kiện gốc với vi khuẩn lam, một số nhóm tảo có lục lạp đến từ việc nuốt một tảo khác đã có lục lạp sẵn. Đây gọi là nội cộng sinh thứ cấp.
Vi khuẩn cổ khác vi khuẩn thế nào?
Hai nhóm trông giống nhau dưới kính hiển vi nhưng khác biệt sâu ở màng tế bào, bộ máy di truyền và nhiều con đường sinh hoá. Vi khuẩn cổ từng được biết chủ yếu ở môi trường khắc nghiệt nhưng thật ra có mặt ở rất nhiều nơi.
Lynn Margulis được ghi nhận thế nào?
Bà được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Hoa Kỳ và nhận Huân chương Khoa học Quốc gia của Mỹ. Bà qua đời năm hai nghìn không trăm mười một.
