Các “siêu gen” trong DNA có thể là động lực tiềm ẩn đằng sau những đợt tiến hóa nhanh chóng trong tự nhiên. Ảnh: Shutterstock

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cơ chế di truyền mạnh mẽ có thể giúp giải thích cách một số loài tiến hóa với tốc độ đáng kinh ngạc. Một số đoạn DNA nhất định, được gọi là các đoạn "đảo ngược", dường như giúp cá nhanh chóng thích nghi với môi trường mới và thậm chí phân hóa thành các loài hoàn toàn mới. Những đặc điểm di truyền này hoạt động như chất xúc tác tiến hóa, bảo tồn các đặc điểm hữu ích và đẩy nhanh quá trình thay đổi.

Một trong những câu hỏi lớn nhất của sinh học là làm thế nào Trái đất lại trở thành nơi sinh sống của một hệ động thực vật đa dạng đến vậy. Cá cichlid ở hồ Malawi, nằm ở Đông Phi, là một ví dụ điển hình. Chỉ trong một hồ nước này, hơn 800 loài đã xuất hiện từ một tổ tiên chung trong khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với thời gian con người và tinh tinh tách ra.

Điều đáng chú ý hơn nữa là tất cả sự đa dạng hóa này đều diễn ra trong cùng một vùng nước. Một số loài cá cichlid tiến hóa thành động vật ăn thịt, trong khi những loài khác chuyên ăn tảo, lọc cát hoặc tiêu thụ sinh vật phù du. Mỗi loài đều tạo ra vai trò sinh thái riêng của mình mặc dù sống cạnh nhau.

Các nhà khoa học từ Đại học Cambridge và Đại học Antwerp đã bắt tay vào nghiên cứu để tìm hiểu làm thế nào sự bùng nổ tiến hóa nhanh chóng này có thể xảy ra. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên Tạp chí Science .

Sự khám phá các đoạn ADN bị đảo ngược

Để điều tra, các nhà nghiên cứu đã phân tích DNA của hơn 1.300 con cá cichlid. Họ đang tìm kiếm các đặc điểm di truyền có thể giải thích tốc độ tiến hóa nhanh bất thường này.

"Chúng tôi phát hiện ra rằng, ở một số loài, những đoạn lớn của DNA trên năm nhiễm sắc thể bị đảo ngược - một loại đột biến được gọi là đảo đoạn nhiễm sắc thể", tác giả chính Hennes Svardal từ Đại học Antwerp cho biết.

Trong điều kiện bình thường, sinh sản liên quan đến sự tái tổ hợp, một quá trình trong đó DNA từ cả bố và mẹ được trộn lẫn với nhau. Tuy nhiên, trong các vùng bị đảo ngược này, sự trộn lẫn đó bị chặn lại. Kết quả là, các nhóm gen vẫn liên kết với nhau và được truyền nguyên vẹn từ thế hệ này sang thế hệ khác. Điều này bảo tồn các tổ hợp đặc điểm vốn đã có lợi, cho phép quá trình tiến hóa diễn ra hiệu quả hơn.

"Nó giống như một hộp dụng cụ, nơi tất cả các công cụ hữu ích nhất được gắn kết với nhau, bảo tồn các tổ hợp gen ưu việt giúp cá thích nghi với các môi trường khác nhau," tác giả chính Moritz Blumer từ Khoa Di truyền học của Đại học Cambridge cho biết.

"Siêu gen" và khả năng thích nghi nhanh chóng

Các cụm gen liên kết này thường được gọi là "siêu gen". Ở cá cichlid, chúng dường như đóng vai trò quan trọng trong việc định hình sự khác biệt giữa các loài. Mặc dù các loài khác nhau vẫn có thể giao phối với nhau, nhưng những sự đảo đoạn này hạn chế mức độ pha trộn DNA của chúng, giúp duy trì các đặc điểm riêng biệt.

Điều này đặc biệt quan trọng ở những khu vực mà các loài chồng chéo nhau, chẳng hạn như các vùng cát trống trải của hồ, nơi không có ranh giới vật lý rõ ràng phân tách các môi trường sống.

Nhiều gen trong các siêu gen này ảnh hưởng đến các đặc điểm thiết yếu cho sự sống còn và sinh sản, bao gồm thị giác, thính giác và hành vi. Ví dụ, các loài cá sống ở độ sâu dưới nước (đến 200 mét) phải đối phó với ánh sáng yếu, áp suất cao và nguồn thức ăn khác so với những loài sống gần mặt nước. Siêu gen của chúng giúp bảo tồn những đặc điểm thích nghi cụ thể cần thiết cho những điều kiện đó.

"Khi các loài cá cichlid khác nhau lai giống với nhau, toàn bộ các đột biến đảo ngược có thể được truyền lại giữa chúng - mang theo những đặc điểm sinh tồn quan trọng, như khả năng thích nghi với môi trường cụ thể, đẩy nhanh quá trình tiến hóa," Blumer cho biết.

Vai trò rộng lớn hơn trong quá trình tiến hóa

Sự đảo đoạn nhiễm sắc thể không chỉ giúp bảo tồn các đặc điểm có ích. Chúng còn có thể hoạt động như nhiễm sắc thể giới tính, ảnh hưởng đến việc cá thể phát triển thành nam hay nữ. Vì việc xác định giới tính đóng vai trò trong quá trình hình thành loài, điều này giúp hiểu rõ hơn về sự tiến hóa.

"Mặc dù nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào cá cichlid, nhưng hiện tượng đảo đoạn nhiễm sắc thể không chỉ có ở loài này," Giáo sư Richard Durbin, đồng tác giả chính đến từ Khoa Di truyền học của Đại học Cambridge, cho biết. "Hiện tượng này cũng được tìm thấy ở nhiều loài động vật khác - bao gồm cả con người - và ngày càng được xem là yếu tố quan trọng trong quá trình tiến hóa và đa dạng sinh học."

Các nhà nghiên cứu tin rằng những phát hiện này có thể giúp giải đáp một câu hỏi đã tồn tại từ lâu về cách thức sự sống đa dạng hóa nhanh chóng trong những điều kiện thích hợp.

"Chúng tôi đã nghiên cứu quá trình hình thành loài từ lâu rồi," Svardal nói. "Giờ đây, bằng cách hiểu được cách các siêu gen này tiến hóa và lan rộng, chúng ta đang tiến gần hơn đến việc trả lời một trong những câu hỏi lớn của khoa học: làm thế nào sự sống trên Trái đất trở nên phong phú và đa dạng đến vậy."