Loài cá phổi lập kỷ lục với bộ gen lớn nhất trong thế giới động vật, có DNA dài gấp 30 lần so với con người

Loài cá phổi, một trong những sinh vật kỳ lạ nhất trên Trái Đất, đã thiết lập kỷ lục với bộ gen lớn nhất trong thế giới động vật. DNA của nó dài gấp 30 lần so với con người, làm cho cá phổi trở thành đối tượng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực tiến hóa và phát triển động vật trên cạn.

Bộ gen khổng lồ của loài cá phổi

Loài cá phổi Nam Mỹ, với tên khoa học là Lepidosiren paradoxa, đã được giải mã bộ gen và cho thấy nó sở hữu một bộ gen lớn chưa từng có trong thế giới động vật. Bộ gen của nó đạt kích thước 90 gigabase (GB), gấp đôi so với loài cá phổi Úc (Neoceratodus forsteri), loài giữ kỷ lục trước đó.

Đặc biệt, 18 trong số 19 nhiễm sắc thể của cá phổi Nam Mỹ đều lớn hơn toàn bộ bộ gen của con người, vốn chỉ có gần 3 tỷ cặp bazơ. Điều này có nghĩa là bộ gen của loài cá này dài gấp khoảng 30 lần bộ gen của con người, dù chỉ có khoảng 20.000 gen mã hóa protein, tương tự như con số ở người.

Sự tiến hóa kỳ diệu của cá phổi

Cá phổi là loài động vật có xương sống đặc biệt, có khả năng thở cả dưới nước và trên cạn nhờ vào lá phổi. Tính năng này đã giúp cá phổi tồn tại và phát triển trong hàng triệu năm, đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa từ cá thành động vật bốn chân (tetrapod). Hiện tại, cá phổi được xem là hóa thạch sống với ba dòng chính: cá phổi châu Phi (Protopterus annectens), cá phổi Nam Mỹ, và cá phổi Úc.

So sánh bộ gen của ba dòng cá phổi giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự đa dạng và tiến hóa của chúng trong suốt 100 triệu năm qua. Những phát hiện này cũng cung cấp cái nhìn quý giá về sự chuyển mình của tổ tiên chúng ta từ các sinh vật nước ngọt thành động vật có khả năng sống trên cạn.

Bộ gen khổng lồ của cá phổi Nam Mỹ phần lớn do sự hiện diện của các yếu tố chuyển vị, hay còn gọi là 'gen nhảy', gây ra. Đây là những đoạn DNA có khả năng tự sao chép và di chuyển trong bộ gen, dẫn đến những thay đổi di truyền nhanh chóng. Những thay đổi này có thể gây hại nhưng cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa.

Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng cá phổi có mức piRNA – một loại RNA thường ức chế các yếu tố chuyển vị – rất thấp. Điều này cho phép các gen nhảy di chuyển tự do và mở rộng bộ gen của cá phổi qua hàng triệu năm.

Dù bộ gen của cá phổi Nam Mỹ rất lớn, cấu trúc của nó lại khá ổn định và bảo thủ. Điều này giúp các nhà khoa học tái tạo cấu trúc nhiễm sắc thể của tổ tiên chung của tất cả động vật bốn chân. Nghiên cứu bộ gen của cá phổi không chỉ giúp hiểu về tiến hóa của loài này mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về con đường tiến hóa của các loài động vật có xương sống khác, bao gồm cả con người.

Sự khác biệt giữa ba loài cá phổi

Mặc dù có chung tổ tiên, ba loài cá phổi hiện nay lại có những đặc điểm khác biệt rõ rệt. Cá phổi Úc là loài duy nhất giữ một lá phổi và vẫn có thể thở qua mang, trong khi cá phổi châu Phi và Nam Mỹ có mang teo và sở hữu hai lá phổi. Điều này cho phép cá phổi châu Phi và Nam Mỹ thở hoàn toàn bằng phổi khi môi trường sống cạn kiệt nước.

Cá phổi Úc còn giữ lại các vây giống chi, cho phép di chuyển trên cạn, trong khi cá phổi châu Phi và Nam Mỹ đã tiến hóa thành các vây dạng sợi, không còn chức năng di chuyển trên cạn. Sự khác biệt này có thể được giải thích bằng những thay đổi trong con đường truyền tín hiệu phát triển phôi thai gọi là Shh, yếu tố quan trọng hướng dẫn sự phát triển của các chi.

Những thay đổi trong quá trình phát triển đã được xác nhận qua các nghiên cứu trên chuột được chỉnh sửa gen để mang gen cá phổi. Kết quả cho thấy sự phát triển của chi phụ thuộc vào cả yếu tố di truyền và môi trường, giúp chúng ta hiểu sâu hơn về quá trình tiến hóa của động vật có xương sống.

Tầm quan trọng của việc nghiên cứu cá phổi

Việc giải mã bộ gen của cá phổi Nam Mỹ và so sánh với các loài cá phổi khác đã mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới trong sinh học tiến hóa. Cá phổi, với vai trò quan trọng trong cây phát sinh loài, giúp hiểu rõ hơn về cách các quá trình phân tử, phát triển và tiến hóa đã hỗ trợ động vật có xương sống chinh phục môi trường đất liền.

Các nhà khoa học cho rằng bộ gen của cá phổi không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình tiến hóa của loài này mà còn cho thấy cách tổ tiên của động vật bốn chân rời khỏi môi trường nước để sống trên cạn. Đây là một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử tiến hóa của động vật có xương sống, bao gồm cả con người.

Những phát hiện từ nghiên cứu này cũng hứa hẹn mang lại hiểu biết sâu hơn về sự tiến hóa của các loài động vật khác, đặc biệt trong việc phân tích cách yếu tố di truyền và môi trường tương tác để tạo ra những thay đổi trong cấu trúc cơ thể và chức năng sinh học.

Nghiên cứu bộ gen của cá phổi Nam Mỹ không chỉ làm sáng tỏ nhiều khía cạnh về loài cá cổ đại này mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới về sự tiến hóa của động vật có xương sống. Giải mã bộ gen của cá phổi cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách các quá trình di truyền và môi trường đã hình thành sự phát triển của các loài động vật qua hàng triệu năm.

Cá phổi, với bộ gen khổng lồ và các đặc điểm tiến hóa đặc biệt, đã trở thành một đối tượng nghiên cứu quan trọng giúp giải mã các bí ẩn về tiến trình tiến hóa của sự sống trên Trái Đất. Những phát hiện mới này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách loài người và các động vật khác đã từng bước tiến hóa để chinh phục hành tinh này.