Phát hiện chấn động về chặng đường tiến hóa biến thực vật thành cây ăn thịt

Vào cuối thế kỷ 19, những câu chuyện hư cấu về loài cây "sát thủ" bắt đầu khiến người dân ở nhiều nơi bàn tán. Trong câu truyện ấy, người ta kể về một loại thực vật có dây leo mọc dài cả mét như xúc tu của bạch tuộc khổng lồ, phần búp cây rộng, chia thành những nhánh nhỏ như bộ hàm lởm chởm của thú săn mồi, và sau đó dùng nó để nuốt chửng những du khách bất cẩn ở vùng đất xa xôi.

Chưa bao giờ trong lịch sử, người ta lại tin tưởng và cảm thấy sợ trước sự thật rằng: "Cây cối cũng có thể rình bắt và giết chết các sinh vật sống". Vậy điều gì đang ẩn náu và chờ chúng ta sau những cánh rừng nguyên sinh, hay những nơi mà con người chưa từng đặt chân đến?

Đối với các nhà khoa học, họ cũng đang đứng trước một thời khắc quan trọng, khi bắt đầu tìm ra những bằng chứng đầu tiên cho một trong những câu đố lớn nhất - thứ chưa từng được giải đáp trong giới thực vật học, đó là: "Làm thế nào mà các loài thực vật lại chọn cách để tiến hóa thành những kẻ săn mồi ăn thịt?".

Cây ăn thit, chúng là gì?

Nói về cây ăn thịt, chúng ta có lẽ sẽ mường tượng ngay đến hình ảnh một chiếc bẫy bằng dây leo và cấu trúc hình "nắp ấm", thứ sẽ giúp thực vật tóm gọn những kẻ xấu số vô tình lọt vào bên trong.

Thế nhưng trên thực tế, có khoảng 800 loài cây ăn thịt đã được con người biết đến. Một số loài, như cây nắp ấm và nhiều loài su su thu nhận con mồi một cách thụ động, tức là đợi con mồi - thường là ruồi, ong, hay các loài côn trùng nhỏ - tới và sa bẫy.

Tuy nhiên, cũng có các loài thực vật tỏ ra "năng động" hơn, như loài Drosera, thuộc họ Droseraceae, có thể chủ động thúc con mồi vào trung tâm của "cái bẫy", nơi chúng sẽ bị dính chặt tại đây và bị tiêu hóa tới chết, hay một số loài có dây leo di chuyển nhanh tới mức "trói chân" được nạn nhân.

Tinh vi hơn cả là loài cây bẫy kẹp (Dionaea muscipula), với những sợi lông kích hoạt vô cùng nhạy bén và phần nắp bẫy có thể phán đoán kích thước của con mồi và có những phản ứng tương ứng.

Cây bẫy kẹp

Mặc dù có sự khác biệt rất lớn về hình dạng, hình thức và phương thức giết mồi, song tất cả các loài cây ăn thịt này đều có đặc điểm chung, đó là phần "bẫy" cấu thành từ lá, hoặc các bộ phận của lá đã được biến đổi để trở nên khác biệt so với thực vật thông thường.

Các nhà khoa học phát hiện thấy khi côn trùng vật lộn và tạo ra nhiều tín hiệu điện bên trong bẫy, các loài thực vật ăn thịt bắt đầu sản xuất ra hợp chất hóa học gọi là jasmonate, có tác dụng cung cấp tín hiệu để "niêm phong" các cạnh của cái bẫy. Sau đó, chúng bắt đầu lấp đầy nó bằng các enzym tiêu hóa.

Danh sách các enzym bao gồm chitinase, có tác dụng phá vỡ chitin (lớp cứng bên ngoài của đa số các loại côn trùng); protease phân hủy protein; và axit phosphatase tím, cho phép thực vật chiết xuất phốt pho có thể sử dụng được từ xác chết chưa được giải mã của nạn nhân. Các enzym hoạt động theo cách rất giống với nhiều loại vũ khí hóa học với thành phần là thực vật, được sử dụng để chống lại vi khuẩn có hại, nấm và côn trùng ăn cỏ.

Khi xác côn trùng bị phân hủy, cái bẫy sẽ hấp thụ sản lượng enzyme của nó và một lần nữa bắt đầu sản xuất các chất vận chuyển dinh dưỡng dưới sự kiểm soát của nồng độ jasmonate.

Cây nắp ấm

Tanya Renner, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Penn State khẳng định: "Điều đó có nghĩa là những giống cây này không chỉ lấy chất dinh dưỡng từ rễ, mà còn bằng một con đường khác, chủ yếu qua lá của chúng".

Từ thủa sơ khai, cho đến thời của Charles Darwin - cha đẻ của thuyết tiến hóa, hầu hết mọi người đều từ chối sự thật rằng thực vật có khả năng "ăn" được động vật. Điều này rõ ràng là đã chống lại trật tự của tự nhiên, rằng động vật là loài di chuyển được, còn thực vật thì không. Mà đã không di chuyển được, thì làm sao "đi săn" và trở thành một kẻ săn mồi?

Darwin đã dành 16 năm miệt mài trong các phòng thí nghiệm để chứng minh điều ngược lại. Ông chỉ ra rằng lá của một số loài thực vật đã được biến đổi, trở thành những cấu trúc đặc biệt để không chỉ bẫy được côn trùng và các sinh vật nhỏ khác, mà còn có thể tiêu hóa, rồi hấp thụ chất dinh dưỡng tiết ra từ xác của chúng.

Kết quả là vào năm 1875, Darwin xuất bản cuốn sách "Cây ăn côn trùng", kể chi tiết tất cả những gì ông đã khám phá về loài thực vật này. Năm 1880, ông xuất bản một cuốn sách khác, có tiêu đề là "Sức mạnh chuyển động của thực vật".

Tại thời điểm ấy, việc nhận ra rằng thực vật có khả năng di chuyển, hay thậm chí giết hại những loài động vật khác, đã truyền cảm hứng cho không chỉ những bộ phim kinh dị có chung đề tài, mà còn làm cho nhiều thế hệ các nhà sinh vật học mong muốn được tìm hiểu sâu hơn về những loài thực vật sở hữu thói quen khó hiểu này.

Nhờ học thuyết của Darwin, các nhà thực vật học, sinh thái học, côn trùng học, sinh lý học và sinh học phân tử đã có được cái nhìn tường tận về mọi khía cạnh của loài thực vật có thể "dìm chết" con mồi trong những chiếc bình chứa đầy chất lỏng, cố định con mồi bằng chiếc lá dạng bẫy dính, hoặc giam chúng trong bẫy chụp, và sau đó "tiêu hóa" thành phẩm của mình trong một bộ phận được biến đổi giống như dạ dày.

Thế nhưng làm thế nào mà thực vật - vốn vẫn được cho là "vô tri vô giác" trong mắt chúng ta, lại có thể tiến hóa theo một cách vô cùng tinh tế, và thậm chí giống với cách mà những loài động vật đã từng cố để ăn chúng trên hành tinh Xanh.

Một giả thuyết được đặt ra, đó là các loài thực vật này đã chiếm đoạt gene từ động vật vô tình mắc kẹt và trở thành "con mồi" của chúng. Hay nói cách khác, chúng đã hấp thụ những gene săn mồi để trở thành một loài giống loài khác biệt, lai giữa thực vật và động vật.

Tuy nhiên, nhà vật lý sinh học Rainer Hedrich thuộc Đại học Würzburg ở Đức, người khám phá nguồn gốc của loài cây ăn thịt trong "Tạp chí Sinh học Thực vật năm 2021" cho biết không hề tồn tại một bằng chứng nào cho thấy thực vật ăn thịt có được thói quen "thú tính" này bằng cách chiếm đoạt gene từ các nạn nhân là động vật của chúng. Điều này được ông công nhận, mặc dù các gene đôi khi có truyền từ loại sinh vật này sang loại sinh vật khác.

Thay vào đó, những loài thực vật này đã thực sự thay thế vị trí của các gene hiện có, bằng những chức năng tân tiến hơn.

Theo Victor Albert, một nhà sinh học về gene thực vật tại Đại học Buffalo, sự tiến hóa này thực sự đã vô cùng "lén lút và linh hoạt". "Trong quá trình tiến hóa, việc sử dụng lại một thứ gì đó đơn giản hơn là tạo ra một thứ gì đó mới", Albert chia sẻ.

Con đường trở thành kẻ săn mồi

Một giả thuyết khác được hầu hết các nhà khoa học đồng tình, đó là đồng lựa chọn. Đồng lựa chọn là một động lực quan trọng của sự đổi mới tiến hóa, và thường bắt đầu với sự sao chép ngẫu nhiên của các gene trong quá trình phân chia tế bào.

Trong khi hầu hết các gene sao chép không phục vụ cho mục đích ban đầu và cuối cùng sẽ bị loại trừ, thì cũng có những trường hợp xảy ra khi gen dự phòng có được các đột biến có lợi. Điều đó sẽ mở đường cho sự thay đổi chức năng của giống loài.

"Sự sao chép của các gene luôn xảy ra và đôi khi nó có tính thích nghi cao", Albert nói. "Đây dường như là cách mà các loài thực vật ăn thịt phát triển khả năng ăn thịt của chúng - ít nhất là đối với những gene đã được kiểm tra cho đến nay".

Năm 2017, nhà sinh học tiến hóa Kenji Fukushima đã cùng với Albert và một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế giải trình tự bộ gene của một loài thực vật ăn thịt sống ở Úc, có tên là Cephalotus nangularis. Giống như nhiều loài cây ăn thịt khác, Cephalotus bẫy con mồi trong một cấu trúc tựa như những "chiếc bình" nhỏ.

Bất ngờ lớn đã xảy ra khi họ tìm hiểu nguồn gốc của các enzym tiêu hóa trong Cephalotus và 3 loài khác, vốn không hề có mối liên hệ nào, gồm Nepenthes alata (một loại cây nắp ấm châu Á), Sarracenia purpurea (cây nắp ấm Bắc Mỹ) và cây Drosera adelae thuộc Họ su su.

Hóa ra, cả 4 loài đều đã sắp xếp lại cùng một loại enzym cổ xưa, trùng khớp với những enzym đã được xác định trước đây của loài cây bẫy kẹp.

Victor Albert, đồng tác giả nghiên cứu, nói rằng đây là một trường hợp kinh điển của tiến hóa hội tụ. Theo ông, cách thức này cho thấy chỉ có một vài con đường nhất định, và vô cùng hạn chế, để thực vật thông thường trở thành một giống cây ăn thịt.

Khi các enzym đã đảm nhận vai trò mới (liên quan đến chức năng ăn thịt), chúng tiếp tục phát triển, hoán đổi một số axit amin này cho những axit khác để cải thiện hiệu suất, có thể là gia tăng tốc độ phản ứng, hay tăng nồng độ các hóa chất phá hủy protein chứa bên trong chúng.

Cho đến nay, các nhà khoa học đã ở rất gần câu trả lời về một trong những bí ẩn lớn nhất trong thuyết tiến hóa thực vật. Tuy nhiên, một câu hỏi mới được đặt ra, là có bao nhiêu loài thực vật khác đã/hoặc sẽ tìm ra cách tiến hóa của riêng của chúng? Nếu Darwin còn có mặt ở đây hôm nay, ông chắc chắn sẽ lập tức "xắn tay áo" để giải quyết công trình còn dang dở của mình.

Cập nhật: 14/06/2022 Dân Trí