Côn trùng tiến hóa một chiến thuật hoàn toàn khác để đánh hơi

Cây sự sống của Darwin hiển thị con đường và thời gian tiến hóa diễn ra để đến được sự sống đa dạng ngày nay. Hiện nay, những phát hiện mới cho thấy cây sự sống này, biểu tượng của tiến hóa, có thể cần phải vẽ lại. Trong công trình đăng tải trên ấn bản trực tuyến ngày 13 tháng 04 của tờ Nature, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rockefeller và Đại học Tokyo tiết lộ rằng côn trùng đã áp dụng một chiến lược truy tìm mùi khác biệt cơ bản với những sinh vật khác - phát hiện bất ngờ và gây tranh cãi có thể đánh đổ khái niệm vượt trội trong lĩnh vực này.

Kể từ năm 1991, các nhà nghiên cứu giả định rằng tất cả các loài có xương sống và không xương sống ngửi mùi bằng cách sử dụng bộ máy sinh học phức tạp gần như thiết bị Rube Goldberg. Ví dụ, một người nhấn chuông cửa sẽ tạo ra một loạt các bước phức tạp, có phần hơi ngớ ngẩn, lên đến đỉnh cao là hành động mở cửa khá đơn giản.

Còn trong trường hợp khả năng đánh hơi của côn trùng, các nhà khoa học tin rằng khi các phân tử mùi trôi nổi trong không khí đi lên mũi của côn trùng, chúng bám vào một loại protein rộng (được gọi là nhóm thụ thể mùi song protein-G) trên bề mặt tế bào và thực hiện một chuỗi các bước phức tạp tương tự để mở cánh cổng phân tử gần đó, báo hiệu bộ não rằng một loại mùi đang hiện diện.

Theo đồng tác giả Leslie Vosshall, Trưởng phòng thí nghiệm Gien thần kinh và hành vi tại Đại học Rockefeller, thì “Điều này xảy ra với giun tròn, với động vật có vú và trong các loài có xương sống được biết đến khác. Vì vậy thật vô lý khi nghĩ rằng côn trùng lại sử dụng một chiến thuật hoàn toàn khác để truy tìm mùi. Nhưng ở đây, chúng tôi chứng minh rằng côn trùng đã bỏ qua tất cả các bước trung gian và kích hoạt ‘cánh cổng’ trực tiếp.”

Một chú ong trên hoa cam. Công trình nghiên cứu mới cho thấy côn trùng sử dụng một chiến thuật phát hiện mùi khác biệt căn bản với những sinh vật khác. (Ảnh: iStockphoto/Paul Erickson)

Cánh cổng này, một loại protein hình tròn khoét lỗ ở giữa được gọi là kênh ion, cung cấp con đường an toàn cho các ion đổ vào tế bào. Khi các phân tử bám chặt vào các kênh ion nhạy mùi, protein thay đổi hình dạng giống như một cánh cổng thay đổi hình dạng khi ta đóng hoặc mở. Khi được mở ra, nó cho phép hàng triệu ion đổ vào một tế bào. Bị đóng lại, nó ngăn cản hoạt động của ion nhằm gửi tín hiệu lên não báo hiệu sự hiện diện của mùi.

Tại Đại học Tokyo, cộng sự Kazushige Touhara của Vosshall và thành viên phòng thí nghiệm đưa các phân tử lên những tế bào đã được chuyển đổi để tạo nên bộ phận ghi nhận khứu giác của côn trùng. Sau đó họ đo lại khoảng thời gian mà kênh ion mở ra và ghi lại chuyển động điện trường khi phân tử đi vào tế bào qua kênh. Sự đổ dồn của hoạt động điện trường xảy ra quá nhanh để nhiều bước có thể xảy ra. Thêm vào đó, đầu độc vài loại protein liên quan đến con đường protein G không ảnh hưởng đến ion hoặc kênh ion, chứng tỏ dấu hiệu protein G không có vai trò chủ chốt khi tham gia việc đánh hơi của côn trùng.

Thí nghiệm nối tiếp thí nghiệm: “sự suy luận nhất quán nhất vẫn là những kênh ion này được các mùi trực tiếp mở đường. Nhưng suy nghĩ thường gặp trong ngành có thể phản ánh thành kiến thí nghiệm nhắm vào chứng minh một phương thức phức tạp hơn.”

Các kênh ion này không giống với bất kỳ kênh ion nào từng được biết trên Trái đất. Chúng gồm hai loại protein hoạt động tiếp nối nhau: cơ quan ghi nhận mùi và đồng thụ thể (coreceptor) của nó, Or83b. Trong khi đồng thụ thể rất phổ biến ở mọi kênh ion, cơ quan ghi nhận mùi lại là duy nhất. Hoạt động cùng với nhau, chúng tạo thành phức hợp ghi nhận mùi. Vosshall và Touhara chỉ ra cụ thể rằng phức hợp này hình thành nên các kênh cation không chuyên biệt, có nghĩa là chúng sẽ cho phép bất kỳ ion nào đi vào cổng miễn là nó mang dòng điện dương.

Touhara và Vosshall phát triển lý thuyết kênh ion song song với công trình của Vosshall trên DEET, một loại hóa chất được sử dụng rộng rãi trong thuốc xịt diệt sâu bọ có khả năng khóa chặt phức hợp cảm quan. Công trình được xuất bản trên Science tháng trước cũng cho thấy chất DEET cũng khóa chặt những protein không liên quan gì đến khả năng đánh hơi, bao gồm những loại kênh ion khác nhau có vai trò quan trọng trong hệ thần kinh người. Mặc dù vậy, những protein khác nhau căn bản này lại có điểm chung là chúng đều ngăn chặn sự tràn vào tế bào của các ion điện tích dương.

“Bây giờ kết quả gây tò mò của công trình nghiên cứu DEET cho thấy chất diệt côn trùng này chặn các cơ quan ghi nhận mùi và các kênh ion không liên quan là hoàn toàn có lý. Tôi tin rằng chúng ta có thể phát hiện những chất chặn cụ thể dành cho nhóm những kênh ion khứu giác rất lạ lùng này.”