Buzz
Một nghiên cứu gần đây đăng trên tạp chí Nature Physics đã mang đến một góc nhìn mới mẻ về quá trình phát triển sự sống phức tạp trên Trái Đất, cho rằng các lực vật lý tác động giữa các sinh vật đơn bào có thể là yếu tố đầu tiên dẫn đến sự xuất hiện của sự sống đa bào.
Nghiên cứu này được thực hiện bởi nhóm chuyên gia tại Phòng thí nghiệm Sinh học Biển (Marine Biological Laboratory - MBL) và có thể mở ra một hướng tiếp cận hoàn toàn mới để giải quyết câu hỏi gây nhức nhối trong giới khoa học suốt nhiều thập kỷ qua: Vì sao và bằng cách nào các sinh vật đơn bào lại có thể hợp tác và tiến hóa thành các sinh vật phức tạp hơn?
Tiến sĩ John Costello, một nhà sinh vật học biển tại Đại học Providence và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết nhóm nghiên cứu đã quyết định “lùi lại một bước” trong quá trình tiến hóa, quay về thời kỳ mà sự sống trên Trái Đất chỉ bao gồm những sinh vật đơn bào, sống độc lập.
Câu hỏi họ đặt ra là: "Vì sao các sinh vật đơn bào lại tụ hợp lại với nhau, ngay cả trước khi chúng phát triển các cấu trúc cố định để duy trì sự kết nối?".
Trọng tâm của nghiên cứu tập trung vào loài Stentor, một sinh vật đơn bào có hình dáng như chiếc kèn nhỏ, dài khoảng 2mm, kích thước này khá lớn trong thế giới vi sinh vật. Stentor là một loài lông mao sống trong các ao hồ nước ngọt, sử dụng chuyển động của lông mao để tạo ra xoáy nước, từ đó hút vi khuẩn và các hạt thức ăn khác vào miệng.
Trong môi trường tự nhiên, Stentor thường bám đầu thuôn dài của mình vào các thực vật thủy sinh hoặc bề mặt cứng, trong khi phần đầu hình kèn tự do di chuyển để tìm kiếm thức ăn.
Khi được đưa vào môi trường nước ao trong phòng thí nghiệm, một hiện tượng kỳ lạ đã xảy ra. Các cá thể Stentor nhanh chóng tụ tập thành nhóm, không phải bằng cách kết dính với nhau, mà đơn giản là chúng đồng loạt bám vào bề mặt thủy tinh.
Xét từ góc độ cơ học chất lỏng, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng khi hai cá thể Stentor ở gần nhau, khả năng tạo xoáy nước và hút nước tăng gấp đôi, từ đó thu hút được nhiều thức ăn hơn và thậm chí bắt được những con mồi di chuyển nhanh hơn.
Đặc biệt, những cá thể yếu hơn có vẻ hưởng lợi nhiều hơn từ sự hợp tác này, khi dòng nước tổng hợp giúp chúng tiếp cận nguồn thức ăn mà một mình chúng không thể tìm thấy.
Điều thú vị hơn là mô hình hành vi linh hoạt mà các nhà khoa học ghi nhận: các Stentor không giữ nguyên vị trí cố định bên cạnh một “đối tác”. Thay vào đó, chúng liên tục thay đổi bạn đồng hành, di chuyển giữa các cá thể khác nhau, một kiểu hợp tác lỏng lẻo nhưng vô cùng hiệu quả.
Nhóm nghiên cứu đã đặt tên cho hành vi này là “không chung thủy vi sinh”, trong đó các cá thể thay đổi bạn đồng hành thường xuyên để tối ưu hóa lượng thức ăn mà chúng có thể thu thập.
Tiến sĩ Shashank Shekhar, phó giáo sư tại Đại học Emory và là tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Mặc dù bề ngoài có vẻ như chúng di chuyển xa nhau, thực chất chúng đang thay đổi vị trí để tối ưu hóa khả năng khai thác năng lượng từ môi trường xung quanh”.
Đây có thể là một chiến lược sinh tồn hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh cạnh tranh khốc liệt của những sinh vật nguyên thủy đầu tiên.
Tuy nhiên, hợp tác không phải lúc nào cũng là giải pháp tối ưu. Khi nguồn thức ăn trở nên khan hiếm, các Stentor ngay lập tức tách ra khỏi đàn và quay lại trạng thái sống độc lập, tiếp tục tự kiếm thức ăn.
Điều này phản ánh một mô hình khá quen thuộc trong sinh học và cả trong xã hội loài người. "Chúng ta cũng vậy", Shekhar chia sẻ. "Khi tài nguyên phong phú, con người thường hợp tác, xây dựng cộng đồng. Nhưng khi nguồn lực hạn chế, mỗi cá nhân lại phải tự lo toan để sinh tồn".
Một điểm cần lưu ý là, không giống như các mô hình đa bào nguyên thủy đã được biết đến như Volvox carteri, nơi các tế bào trong quần thể gần như đồng nhất về mặt di truyền và có sự gắn bó chặt chẽ, các "khuẩn lạc" của Stentor chỉ là tạm thời, được hình thành từ những cá thể khác biệt về mặt di truyền và có thể dễ dàng tan rã với một tác động nhỏ.
Điều này khiến mô hình của Stentor có thể đại diện cho một giai đoạn tiến hóa sơ khai hơn trong quá trình hình thành sự sống đa bào, thậm chí còn sớm hơn những hệ thống sinh học có tổ chức mà khoa học từng ghi nhận.
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, hình thức hợp tác "vì lợi ích ngắn hạn" như của Stentor có thể là bước khởi đầu trong hành trình tiến hóa dài lâu dẫn đến sự hình thành những sinh vật đa bào ổn định và tổ chức phức tạp như động vật, thực vật và con người ngày nay.
Khi các cá thể đơn bào bắt đầu "nhận ra lợi ích" từ việc ở gần nhau – không phải vì mối quan hệ di truyền, mà chỉ đơn giản là hiệu quả trong việc kiếm thức ăn – đây có thể là nền tảng cho sự hình thành cộng sinh, hợp tác, và cuối cùng là cấu trúc đa bào bền vững.
Nghiên cứu của nhóm tại MBL không chỉ bổ sung thêm một mảnh ghép quan trọng vào bức tranh nguồn gốc sự sống phức tạp, mà còn mở ra một cách nhìn mới: sự tiến hóa không chỉ do đột biến di truyền hay chọn lọc tự nhiên, mà còn có thể bắt đầu từ những nguyên lý vật lý đơn giản như thủy động lực học. Đôi khi, chỉ cần đứng gần nhau đúng cách, sự sống đã có thể thay đổi mãi mãi.
