Quần thể ốc sên ở quần đảo Koster, Thụy Điển đang có những thay đổi tiến hóa nhanh chóng nhờ đa dạng di truyền trong lúc chịu áp lực môi trường.
Năm 1988, quần đảo Koster (một cụm đảo ngoài khơi bờ biển phía tây của Thụy Điển gần Na Uy) đã bị ảnh hưởng bởi việc tảo độc nở hoa đặc biệt dày đặc, tàn phá quần thể ốc sên biển. Người ta có thể tự hỏi tại sao số phận của những con ốc sên trên một tảng đá nhỏ, rộng ba mét vuông ở biển khơi lại quan trọng đến vậy. Tuy nhiên, sự kiện này sẽ tạo ra một cơ hội độc đáo để dự đoán và chứng kiến quá trình tiến hóa diễn ra trước mắt chúng ta.
Trước đây, các hòn đảo và bãi đá ngầm nhỏ ven bờ là nơi sinh sống của các quần thể ốc sên biển Littorina saxatilis dày đặc và đa dạng. Mặc dù quần thể ốc sên trên các đảo lớn đã phục hồi trong vòng hai đến bốn năm (có lúc một số trong quần thể đã giảm xuống dưới 1%), nhưng một số quần thể ở bãi đá ngầm vẫn phải vật lộn để phục hồi sau sự tàn phá.
Ốc sên biển ở Thụy Điển.
Một thí nghiệm mang tính đột phá
Nhà sinh thái học biển Kerstin Johannesson từ Đại học Gothenburg, Thụy Điển, đã nhìn thấy một cơ hội độc đáo. Năm 1992, bà đã đưa loài ốc sên L. saxatilis trở lại môi trường sống đã mất của chúng và bắt đầu một thí nghiệm có ý nghĩa sâu rộng hơn 30 năm sau đó. Thí nghiệm sau này có sự hợp tác quốc tế từ các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA), Đại học Nord, Na Uy, Đại học Gothenburg, Thụy Điển và Đại học Sheffield, Vương quốc Anh với mục tiêu quan sát quá trình tiến hóa đang diễn ra.
L. saxatilis là một loài ốc sên biển phổ biến được tìm thấy trên khắp bờ biển Bắc Đại Tây Dương, nơi các quần thể khác nhau tiến hóa các đặc điểm thích nghi với môi trường của chúng. Những đặc điểm này gồm kích thước, hình dạng vỏ, màu vỏ và hành vi. Sự khác biệt giữa các đặc điểm này nổi bật này tạo ra 2 nhánh ốc sên cua và ốc sên sóng. Ốc sên sóng thường nhỏ, có vỏ mỏng với nhiều màu sắc và hoa văn đặc trưng, lỗ lớn và tròn, thường có hành vi liều lĩnh. Ngược lại, ốc sên cua lớn hơn, có vỏ dày hơn không có hoa văn, lỗ nhỏ hơn và dài hơn. Ốc sên cua cũng có hành vi cảnh giác hơn do chúng trong môi trường thường bị động vật ăn thịt săn bắt.
Quần đảo Koster của Thụy Điển là nơi sinh sống của cả hai loài ốc sên L. saxatilis khác nhau này, thường nằm cạnh nhau trên cùng một hòn đảo hoặc chỉ cách nhau vài trăm mét trên biển. Trước khi tảo độc nở hoa vào năm 1988, ốc sên sóng sinh sống ở các bãi đá ngầm, trong khi bờ biển gần đó là nơi sinh sống chung của cả ốc sên cua và ốc sên sóng. Khoảng cách không gian gần này sẽ rất quan trọng.
Nhận thấy rằng quần thể ốc sên sóng ở các bãi đá ngầm đã bị xóa sổ hoàn toàn do tảo độc, Johannesson vào năm 1992 đã quyết định sẽ tái thả ốc sên cua vào một trong những bãi đá ngầm này. Với một đến hai thế hệ mỗi năm, bà đã đúng khi mong đợi loài ốc cua thích nghi với môi trường mới ngay trước mắt các nhà khoa học. Diego Garcia Castillo, một học viên sau đại học tại Barton Group thuộc ISTA và là một trong những tác giả khởi xướng nghiên cứu cho biết: "Các đồng nghiệp của chúng tôi đã thấy bằng chứng về sự thích nghi của loài ốc ngay trong thập niên đầu tiên của thí nghiệm". Castillo nói thêm: "Trong suốt 30 năm của thí nghiệm, chúng tôi đã có thể dự đoán chính xác loài ốc sẽ trông như thế nào và vùng gene nào sẽ bị ảnh hưởng. Quá trình chuyển đổi diễn ra nhanh chóng và mạnh mẽ".
Khám phá lại các đặc điểm tiến hóa
Tuy nhiên, loài ốc không tiến hóa hoàn toàn những đặc điểm này từ con số không. Đồng tác giả Anja Marie Westram, hiện là nhà nghiên cứu tại Đại học Nord, giải thích: "Một số tính đa dạng về gene đã có sẵn trong quần thể cua ban đầu nhưng ở mức độ phổ biến thấp. Nguyên nhân là do loài này đã từng trải qua những điều kiện tương tự trong quá khứ gần đây. Việc loài ốc tiếp cận được với một nhóm gene lớn đã thúc đẩy quá trình tiến hóa nhanh chóng này".
Nhóm nghiên cứu đã xem xét ba khía cạnh trong nhiều năm thực hiện thí nghiệm: kiểu hình của ốc sên, khả năng biến đổi gene của từng cá thể và những thay đổi di truyền lớn hơn ảnh hưởng đến toàn bộ vùng nhiễm sắc thể được gọi là "đảo ngược nhiễm sắc thể".
Sau chưa đầy 30 năm, vỏ loài ốc sên cua ban đầu đã tiến hóa thành vỏ giống loài ốc sên sóng.
Trong vài thế hệ đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã chứng kiến một hiện tượng thú vị được gọi là "linh hoạt kiểu hình": Ngay sau khi "tái định cư", những con ốc sên đã thay đổi hình dạng để thích nghi với môi trường mới. Nhưng quần thể cũng nhanh chóng bắt đầu thay đổi về mặt di truyền. Các nhà nghiên cứu có thể dự đoán mức độ và chiều hướng của những thay đổi về mặt di truyền, đặc biệt là đối với các đảo nhiễm sắc thể.
Họ đã chỉ ra rằng sự biến đổi nhanh chóng và mạnh mẽ của loài ốc sên có thể là do hai quá trình bổ sung: Một là sự lựa chọn nhanh chóng các đặc điểm đã có nhưng ít biểu hiện trong quần thể ốc sên cua mới được di cư và một là dòng gene từ những con ốc sên sóng lân cận (chỉ vài trăm mét) có thể trôi dạt tới giao phối.
Sự tiến hóa trước áp lực của môi trường
Về mặt lý thuyết, các nhà khoa học biết rằng một loài có biến thể di truyền đủ cao có thể thích nghi nhanh hơn với sự thay đổi. Tuy nhiên, một số ít nghiên cứu nhằm mục đích thử nghiệm quá trình tiến hóa theo thời gian trong tự nhiên. Garcia Castillo cho biết: "Công trình này cho phép chúng tôi xem xét kỹ hơn quá trình tiến hóa lặp lại và dự đoán cách một quần thể có thể phát triển các đặc điểm đã tiến hóa riêng biệt trong quá khứ ở những điều kiện tương tự".
Nhóm nghiên cứu hiện muốn tìm hiểu cách các loài có thể thích nghi với những thách thức về môi trường hiện đại như ô nhiễm và biến đổi khí hậu. Westram cho biết: "Không phải tất cả các loài đều có thể tiếp cận được với các nhóm gene lớn và việc phát triển các đặc điểm mới từ đầu là một quá trình chậm chạp đến tẻ nhạt. Quá trình thích nghi rất phức tạp và hành tinh của chúng ta cũng đang phải đối mặt với những thay đổi khó lường do các đợt thời tiết khắc nghiệt, biến đổi khí hậu đang diễn ra nhanh chóng, cũng như tình trạng ô nhiễm và các loại ký sinh trùng mới". Bà hy vọng công trình này sẽ thúc đẩy thêm các nghiên cứu về việc duy trì các loài có cấu tạo di truyền lớn và đa dạng. Westram kết luận: "Có lẽ nghiên cứu này giúp thuyết phục mọi người bảo vệ nhiều môi trường sống tự nhiên để các loài không bị mất đi sự đa dạng di truyền của chúng".