Sứa biển là một tập hợp gene rất phức tạp

Một con sứa biển đang nổi giận trong bể nuôi cá tại California. Bên trong cơ thể tưởng chừng đơn giản của nó là một tập hợp gene vô cùng phức tạp.

Chu kỳ sống của sứa biển

Từ lâu nay, người ta vẫn xem sứa biển là một loài động vật đơn giản và nguyên thuỷ. Nếu nhìn vào bể nuôi cá, chúng ta cũng sẽ dễ dàng tin vào điều này. Tương tự như những loại cùng họ như cỏ chân ngỗng và san hô, sứa biển thoạt nhìn ai cũng tưởng nó là một động vật hoàn toàn đơn giản. Nó không có đầu đuôi, không có lưng bụng, không có trái phải, thậm chí không có chân hoặc vây. Nó cũng không có tim. Ruột của nó giống như một chiếc túi hơn là một đường ống, do đó miệng của nó cũng sẽ đóng vai trò hậu môn. Thay vì bộ não, nó chỉ có một mạng lưới thần kinh khuếch tán.

Một con cá hoặc một con tôm có thể di chuyển nhanh theo hướng xác định, nhưng con sứa biển chỉ có thể bơi lờ đờ mà thôi.

Nhưng những kết quả nghiên cứu gần đây nhất đã khiến cho các nhà khoa học phải thừa nhận họ đã đánh giá thấp con sứa biển và họ hàng của nó, được biết đến với tên gọi là tập hợp cnidarian (phát âm là nih-DEHR-ee-uns). Bên trong cơ thể có vẻ đơn giản của chúng là một tập hợp gene rất phức tạp và đáng chú ý, bao gồm nhiều điều có ích cho việc phát triển khoa giải phẫu học con người.

Những khám phá này đã đem đến một lý thuyết hoàn toàn mới mẻ về quá trình tiến hoá của động vật từ 600 triệu năm trước. Kết quả tìm kiếm cũng đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học dành cho loài cnidarian như một mô hình để tìm hiểu cơ thể con ngời.

Bác sĩ  Kevin J. Peterson, một nhà sinh vật học tại Dartmouth nhận xét: "Điều ngạc nhiên lớn nhất chính là việc loài cnidarian lại có nhiều gene phức tạp hơn ta tưởng. Điều này đã làm cho rất nhiều người phải quay lại và nhận ra rất nhiều điều họ vẫn nghĩ về loài cnidarian là hoàn toàn sai lầm"

Các nhà khoa học đã xem xét lại quá trình phát triển của chúng. Những nhà tự nhiên học từ thế kỷ 18 đã miễn cưỡng xếp chúng vào thế giới động vật, và chỉ thế thôi. Họ xếp nhóm cnidarians thuộc ngành "Động vật hình cây", đâu đó giữa động vật và thực vật.

Chỉ đến thế kỉ 19, các nhà tự nhiên học mới bắt đầu hiểu được cơ chế sinh trưởng của chúng từ trứng, cơ thể của chúng phát triển từ hai lớp tế bào, nội bì và ngoại bì.

Sứa biển

Các loài động vật khác, kể cả con người lẫn con trùng, đều phát triển cơ thể theo ba lớp tế bào: trung bì, nội bì và ngoại bì. Cơ chế này hình thành bắp thịt, tim và các cơ quan khác không có trong cơ thể nhóm cnidarian.

Động vật thuộc nhóm cnidarian cũng có một cơ chế hoạt động khác đơn giản. Cá, ruồi giấm và giun đất hoàn toàn có đầu đuôi, lưng bụng, trái phải. Các nhà khoa học tham chiếu cơ thể các loài động vật, kể cả con người bằng cơ chế đối xứng này. Ngược lại, các loài thuộc nhóm cnidarian hoàn toàn không có sự đối xứng này. Ví dụ như con sứa biển, chỉ có cơ chế đối xứng theo kiểu bánh xe đạp, từ trung tâm ra ngoài.

Các nhà sinh vật học nghiên cứu quá trình tiến hoá xem loài cnidarian như một di tích của quá trình tiến hoá. Các loài động vật đầu tiên giống như bọt biển, chẳng khác gì những ô tế bào. Cnidarian có thể là đại diện cho quá trình tiến hoá giai đoạn tiếp theo, thu nhận các đặc tính của ô tế bào và hệ thống thần kinh đơn giản.

Các mẫu vật hoá thạch đều có vẻ xác nhận cho giả thiết này. Nhiều hóa thạch động vật trong giai đoạn đầu đều có nhiều điểm tương đồng với sứa biển hoặc các loài khác thuộc nhóm cnidarian. Các mẫu vật hoá thạch xưa nhất mà người ta có được xuất hiện vào giai đoạn gọi là giai đoạn bùng nổ Cambrian, 540 triệu năm trước đây.

Một số nhà nghiên cứu cho rằng quá trình tiến hoá hai lớp đã hình thành nên giai đoạn Cambrian. Không như tổ tiên chúng, các loài động vật hai lớp có đầu, cho phép chúng nhận thức xung quanh và điều khiển hướng di chuyển của nó.

Nghiên cứu mới nhất đã thay đổi lý thuyết này. Những mẫu hoá thạch xưa nhất được xếp vào nhóm cnidarian chỉ có tuổi khoảng 540 triệu năm. Bác sĩ Peterson và các đồng nghiệp của ông đưa ra một cơ chế đánh giá tuổi cho nhóm cnidarian bằng cách nghiên cứu DNA của chúng.

Cấu tạo và chu kỳ sống của loài Obelia - Cnidarians

DNA biến đổi theo một nhịp độ bình thường từ hàng triệu năm nay, theo cơ chế đồng hồ phân tử. Bác sĩ Peterson đánh giá rằng tổ tiên của nhóm cnidarian sống trong giai đoạn khoảng 543 triệu năm trước đây. Nói cách khác, cnidarian không thể nào xuất hiện trước các loài động vật hai lớp mười triệu năm.

Các cuộc nghiên cứu di truyền học cũng đã thách thức mọi lý thuyết truyền thống về cnidarian. Bắt đầu từ thập niên 1980, các nhà khoa học khi nghiên cứu loài động vật hai lớp đã tìm ra một hệ thống gene hình thành cơ thể của chúng. Một vài gene hình thành trục đầu đuôi, một vài gene khác hình thành trục lưng bụng.

Con người và côn trùng có thể rất khác nhau, nhưng đều tuân theo những điểm phát triển căn bản nhất của quy luật di truyền học này. Các kết quả tìm được cho thấy quy luật di truyền học này đã tiến triển từ các loài tổ tiên của loài động vật hai lớp.

Bác sĩ Mark E. Martindale trường đại học Hawaii và các đồng nghiệp của ông quyết định tìm kiếm hệ thống gene hình thành cơ thể sứa biển và các loài khác trong nhóm cnidarian. Họ phải mất rất nhiều thời gian mới đi đến được kết quả. Họ phải tìm ra những loài không chỉ sống được trong phòng thí nghiệm mà còn có khả năng sản sinh bào thai phục vụ cho quá trình nghiên cứu.

Nhóm của bác sĩ Martindale chọn cây cỏ chân ngỗng hình sao, một loài động vật có nhiều ở bờ biển New England. Tìm hiểu vòng đời và nghiên cứu cơ chế gene của loài này là một yêu cầu đòi hỏi rất nhiều kiên nhẫn. Bác sĩ Martindale nói "Chúng tôi đã mất 9 đến 10 năm, nhưng kết quả của nó chẳng khác như một mỏ vàng".

Các nhà nghiên cứu đã vô cùng ngạc nhiên khi biết được một số gene trong phôi của chúng có cấu trúc gần giống như các loài gene quy định trục đầu đuôi của loài động vật hai lớp, kể cả con người. Càng ngạc nhiên hơn nữa khi họ nhận ra các gene này hoạt động với cơ chế hoàn toàn hệt như cơ chế đầu đuôi của các loài hai lớp.

Kết quả nghiên cứu tiếp theo cho thấy nhóm cnidarian còn có một số gene khác cũng tuân theo quy luật di truyền học đối xứng. Các gene hỗ trợ việc hình thành trục lưng bụng cũng được hình thành trên mặt đối diện của phôi loài cỏ chân ngỗng.

Kết quả tìm kiếm khiến cho các nhà khoa học phải đặt ra vấn đề về việc tại sao loài cnidarian lại sử dụng một tập hợp gene hình thành cơ thể phức tạp đến như vậy trong khi cơ thể của chúng lại có vẻ rất đơn giản. Họ đi đến kết luận rằng có thể loài cnidarian phức tạp bề ngoài của chúng, đặc biệt là trong hệ thống thần kinh.

John R. Finnerty, nhà sinh vật học trường đại học Boston đang cộng tác với bác sĩ Martindale nói: "Ở mức phân tử, cơ thể của chúng có nhiều khu vực không thể nhận ra được".

Bác sĩ Finnerty tin rằng cơ quan thần kinh của loài cnidarian sẽ là một hệ thống hoàn toàn phức tạp. Ông nói: "Cơ quan thần kinh của loài cnidarian có cấu trúc như một mạng lưới thần kinh, nhưng đó chỉ là mô tả đơn giản hoá theo sách giáo khoa".

Anemone -  Cnidarians

Ông cũng dự đoán kết quả nghiên cứu sẽ cho thấy mạng lưới thần kinh này được chia thành từng khu vực riêng biệt chuyên dụng tương tự như não người.

Những khám phá này khiến cho bác sĩ Peterson phải xem xét lại quá trình tiến hoá của loài cnidarian. Ông nói: "Nó đã thay đổi hoàn toàn suy nghĩ của tôi về sự tiến hoá của động vật ở thời kỳ đầu tiên".

Giờ đây ông cho rằng cnidarian không phải đơn giản là một trong những loài động vật hình thành trước tiên trong giai đoạn bùng nổ Cambrian, mà là một trong những loài nằm trong giai đoạn này, sự tiến hoá của nó chịu quy luật điều khiển của các loài động vật ăn thịt.

Trong một bài báo được đăng tải trên tạp chí Paleobiology, Bác sĩ Peterson và các đồng nghiệp của ông đề ra lý thuyết tổ tiên chung của cả loài hai lớp và nhóm cnidarian là một loài côn trùng. Loài côn trùng cổ xưa này, theo đánh giá của bác sĩ Peterson, sống trong thời kỳ khoảng 600 triệu năm trước đây, đại diện cho một mẫu tiến hoá quan trọng trong sự tiến hoá động vật. Thay vì lọc con mồi nhỏ một cách đơn giản, nó có khả năng bắt những con mồi lớn hơn.

Bác sĩ Peterson nói: "Khi chúng đã có thể tự kiếm mồi, không gì có thể chặn chúng lại được nữa".

Một số loài này bắt đầu ăn thịt lẫn nhau. Loài động vật nào có khả năng tự vệ cao hơn sẽ có khả năng sinh tồn. Một cách để không bị ăn thịt chính là làm sao để phát triển cơ thể to hơn. Một cách khác là đẻ trứng trong các cột nước thay vì để trơ trọi trên đáy biển. Một số động vật cũng có khả năng bơi lội khi trưởng thành.

Khi môi trường nước bắt đầu có nhiều động vật, loài cnidarian biến đổi cơ thể như hiện nay. Những động vật loài cnidarian thời kỳ đầu tự neo mình dưới đáy biển và phát triển hướng lên, tương tự như cỏ chân ngỗng và san hô như ngày nay. Trong quá trình phát triển, chúng tiêu huỷ cơ chế đối xứng trục của tổ tiên chúng.

Cùng trong giai đoạn này, loài cnidarian hình thành vũ khí đặc biệt của mình : các tế bào hình thành những chiếc gai nhỏ gọi là nematocyte, chưá chất độc làm tê liệt con mồi.

Sứa biển

Bác sĩ Peterson cho rằng khi các loài động vật cận đại di chuyển cao hơn trong các cột nước, một số loài cnidarian tiến hoá để có khả năng săn lùng con mồi. Sứa biển chính là sản phẩm chung cuộc của quá trình tiến hoá này.

Những khám phá mới về loài cnidarian đã khiến cho con người phát sinh nhu cầu tìm hiểu chúng kỹ càng hơn. Cỏ chân ngỗng hình sao đang được tiếp tục nghiên cứu tại viện nghiên cứu năng lượng Genome Energy Department's Joint Genome Institute, dự kiến sẽ hoàn tất công trình nghiên cứu trong năm nay.

Các nhà khoa học đang chờ đợi nhiều điều ngạc nhiên từ công trình nghiên cứu gene này. Họ đã tìm ra rất nhiều loại gene tương tự các loài có xương sống trong hệ thống gene của nhóm cnidarian. Rõ ràng các gene này không thể nào hình thành trong những loài có xương sống thời kỳ đầu.

Chúng có tuổi xa hơn, có liên quan đến tổ tiên của loài cnidarian và động vật hai lớp từ 600 triệu năm trước. Về sau, chúng biến mất trong nhánh phát triển của loài động vật hai lớp như côn trùng và giun tròn, hiện rất được chú ý trong các công trình nghiên cứu.

Ở một vài điểm, nhóm cnidarian là một mô hình nghiên cứu có ích cho ngành sinh học cơ thể người hơn là loài ruồi giấm. Có thể là một điều rất đáng kinh ngạc, nhưng khi nhìn một con sứa biển trong bể cá, chẳng khác nào chúng ta đang nhìn vào gương soi.