Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
Oxy được cho là vận hành sự tiến hóa phức tạp của sự sống. Câu truyện diệu kỳ, theo nhà hóa sinh Nick Lane, nhưng điều đó lầm rồi.
Khoảng 6 triệu năm trước, khi Địa Trung Hải gần như là vùng khô cằn, một lượng muối khổng lồ đã tích tụ trên nền đáy đại dương. Một phần lượng muối lắng đọng này đã được phơi ra cách đây cũng 30.000 năm. Khi muối này hòa tan, nước đậm đặc với hàm lượng muối cực cao bị nhấn chìm xuống dưới sâu, hình thành một hồ nước mặn sâu 100 mét. Tuy nhiên, thậm chí còn đáng ngạc nhiên hơn, rằng ở nơi hồ nước đáy biển có tồn tại sự sống.
Nước trong hồ nước mặn này không trộn với lớp nước ở trên và vì thế cách ly với oxy trong một thời gian dài. Thay vào đó, các khí độc như hydrogen sulphide từ từ rỉ lên từ lớp bùn đen. Đó là nơi mà bạn không thể hình dung được là có thể tìm thấy các động vật. Nhưng đây mới là điều chính xác đã được phát hiện: loài động vật đầu tiên, như chúng ta biết cho đến hiện tại, có thể sinh trưởng và sinh sản mà không cần có sự tiếp xúc với oxy.
Các sinh vật sống tí hon sống trong bùn này còn gây tò mò hơn nhiều. Chúng có thể là manh mối về nguồn gốc của các tế bào phức tạp: cơ sở của hầu hết sự sống trên Trái Đất, từ trùng amip đến những cây sồi.
“Về mặt sinh thái học thì thật thú vị, nhưng ý nghĩa thực sự của các sinh vật này nằm ở thông tin mà chúng nói cho chúng ta về tiến hóa,” theo Bill Martin, một nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Düsseldorf, Đức. Đối với Martin, phát hiện này là một sự khẳng định mĩ mãn cho một dự đoán của ông hơn thập kỷ trước – rằng oxy không có việc gì để làm trong sự tiến hóa của sự sống phức tạp. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
Wissenschaftler Bill Martin, nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Düsseldorf, Đức.
Dạng sống đầu tiên trên Trái Đất, là vi khuẩn (thực) và vi khuẩn cổ, là các tế bào đơn giản – không nhiều hơn một cái túi nhỏ đựng các hợp chất. Rốt cuộc, chúng đã phát triển thành các tế bào phức tạp, tức là tế bào nhân thực, với các cấu trúc tinh vi bên trong, loại tế bào tìm thấy ở tất cả các thực vật và động vật. Và một trong những sự kiện quan trọng nhất của tiến hóa tế bào phức tạp là sự hình thành một đơn vị cộng sinh giữa một tế bào chủ và một tế bào vi khuẩn – tổ tiên của nhà máy năng lượng nội bào mà ta biết là ty thể ngày nay, bào quan tách năng lượng từ thức ăn trong sự có mặt của oxy. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
“Đốt cháy” thức ăn cung cấp năng lượng cao gấp 10 lần so với những cách thu năng lượng không đòi hỏi oxy. Khi các tế bào phức tạp có được khả năng này, chúng đã thay đổi tiến trình của sự sống trên Trái Đất: không có ty thể, các động vật lớn không bao giờ tiến hóa được. Sau đó, không ngạc nhiên gì, khi mà các nhà sinh học nghĩ rằng nguồn gốc của sự cộng sinh là xoay quanh oxy. Theo Martin, dù vậy, điều đó lại hoàn toàn sai.
Vào thời điểm ban đầu, Trái Đất vẫn chưa có oxy. Sự tiến hóa quá trình quang hợp đã thay đổi mọi thứ (quang hợp lúc này là của khuẩn lam, không phải thực vật). Bằng việc giải phóng sản phẩm chuyển hóa của nó – oxy – vào không khí, khuẩn lam đã làm chuyển biến toàn cầu, đâu đó khoảng 2.3 tỉ năm trước. Khi lượng oxy tăng lên, các khí độc đã khiến cho các sinh vật đầu tiên tuyệt chủng, xóa đi gần như toàn bộ các sinh vật đang tồn tại khi đó và mở đường cho một dạng sống mới: tách chiết năng lượng từ thức ăn sử dụng oxy.
Lượng oxy đã tăng theo hai bước; hầu hết các nhân thực sinh ra năng lượng bằng cách dùng oxy, và dung nạp một cách êm đềm các hợp chất độc hại từ nó (tức oxy); và hóa thạch các động vật cổ nhất đã xuất hiện không lâu sau một vụ tăng đột biến lượng oxy trong các đại dương. Tuy nhiên vẫn có những căn cứ để phán đoán rằng dù sao oxy cũng không phải là một thứ bù nhìn. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
Một trong số đó là sự tăng oxy ban đầu không làm sạch các đại dương, mà biến chúng thành một mỡ hỗn độn, đầy khí hydrogen sulphide. Thoát khỏi thời kỳ ít nơi ẩn náu, các sinh vật kị khí có cả đại dương cho mình. Hơn nữa, các điều kiện này kéo dài hơn một tỉ năm, ngay đến thời kỳ mà sinh vật nhân thực được cho là đã tiến hóa.
Các vi khuẩn đã tiến hóa khả năng này đã bị nuốt bởi các tế bào khác. Đến một lúc nào đó, một tế bào thất bại trong việc tiêu hóa bữa tối (tế bào vi khuẩn) của nó và thay vào đó là để cho vi khuẩn sống bên trong mình. Tế bào chủ này đạt được hai lợi ích: sự bảo vệ trước oxy, bởi oxy đã được hấp thu bởi vi khuẩn – tổ tiên của ty thể và được chia sẻ một phần năng lượng mà vị khách của nó tách được từ thức ăn bằng khí oxy.
Cũng không phải chờ đến khi lượng oxy tăng lên cao hơn, khoảng nửa tỉ năm trước, khi mà đại dương có thể hỗ trợ cho các sinh vật đa bào lớn thu nhận năng lượng bằng cách đốt cháy thức ăn. Điều này dẫn đến sự bùng nổ kỷ Cambri, khi ấy mọi loài động vật đều xuất hiện. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
Không có bữa trưa miễn phí
Một vấn đề khác là oxy bản thân nó không phải là một chất độc đặc trưng – nó cần được chuyển thành gốc tự do trước khi có thể phản ứng với và phá hủy protein hoặc DNA. Ty thể tạo ra rất nhiều gốc tự do, vì thế không còn bảo vệ tế bào chủ của nó khỏi oxy, tổ tiên của nó đã tăng khả năng tàn phá tế bào. Trong bất cứ trường hợp nào, sử dụng oxy đơn thuần là làm tăng gradient khuếch tán, giống như bạn cố gắng tự cứu mình khỏi chết đuối bằng cách uống nước biển xung quanh. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
Thậm chí những ưu việt về mặt năng lượng cũng cần phải bàn cãi. Không có vi khuẩn nào cho đi năng lượng của nó miễn phí, vì thế tế bào chủ không có được lợi ích từ hô hấp oxy chừng nào nó tiến hóa quy trình để lấy ATP giàu năng lượng từ vị khách vi khuẩn. Lúc đó, “cộng sinh” hẳn là một thảm họa. Nhờ vào khả năng khai thác oxy, vi khuẩn có khả năng phát triển vượt trội tế bào chủ và rốt cuộc giết chết nó. Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
Thế nếu sự liên minh không vì oxy, thì vì cái gì? “Hydro“, theo Martin và Miklos Müller từ Đại học Rockefeller (New York). Sự xuất hiện oxy và tiến hóa ty thể
Quay về những năng 1970, Müller đã phát hiện ra rằng một số sinh vật đơn bào có các cấu trúc giống ty thể nhưng thực hiện chức năng hơi khác; chúng tạo ra năng lượng mà không dùng oxy, bằng cách phân giải thức ăn thành carbon dioxide và hydro – vì thế Muller gọi cấu trúc nội bào đó là hydrogenosomes.
Sinh vật đơn bào với cấu trúc Hydrogenosome (ký hiệu chữ H trên hình)
Muller đã chỉ ra rằng hydrogenosomes không chỉ đơn thuần giống ty thể mà thực tế nó là ty thể bóc trần. Chúng cũng có cùng lớp vỏ, nhưng hydrogenosome thiếu bộ máy sản sinh ATP nhờ oxy. Thay vào đó, chúng có cỗ máy tạo ra ATP khi đang sinh ra hydro dưới dạng chất thừa. Câu hỏi là, có phải bộ máy khác biệt này đã đòi hỏi ty thể tiến hóa thành hydrogenosomes, hay nó có mặt xuyên suốt. Và nếu nó có mặt xuyên suốt, thì vi khuẩn tổ tiên của ty thể thực sự trông thế nào?
Iceberg (dịch)
www.tapchisinhhoc.comIceberg (dịch)
