Cá gai ba gai (Gasterosteus aculeatus) sống ở biển có một hàng tấm xương giáp dọc hai bên thân, nhưng khi vào sống ở hồ nước ngọt, chúng lặp đi lặp lại cùng một thay đổi: mất gần hết giáp. Nguyên nhân chính là một biến thể của gen Eda, vốn đã nằm sẵn với tần số rất thấp trong cá biển, và được chọn lọc mạnh mỗi khi cá vào nước ngọt. Ở hồ Loberg tại Alaska, các nhà khoa học đã chứng kiến sự thay đổi này diễn ra chỉ trong vài chục năm.
Con cá nhỏ được nghiên cứu nhiều bậc nhất
Cá gai ba gai dài chỉ vài xăng-ti-mét, sống ở vùng ven biển và nước ngọt khắp bán cầu bắc, từ châu Âu, Bắc Mỹ tới Nhật Bản. Tên gọi đến từ ba chiếc gai trên lưng. Con đực xây tổ bằng cỏ rác dưới đáy nước, nhảy điệu "zic zắc" để dụ con cái, rồi trông trứng và quạt nước cho trứng. Nhà tập tính học Niko Tinbergen từng dùng tập tính của nó trong các thí nghiệm kinh điển của thế kỷ 20.
Với sinh học tiến hoá, giá trị lớn nhất của nó nằm ở một "thí nghiệm" mà tự nhiên đã làm lặp lại hàng nghìn lần.
Thí nghiệm tự nhiên hàng nghìn lần
Cuối kỷ băng hà gần nhất, khoảng hơn mười nghìn năm trước, băng tan và rút dần khỏi các vùng ven biển ở Bắc Mỹ, Bắc Âu. Vô số hồ và suối mới hình thành. Cá gai ba gai từ biển bơi vào, và ở mỗi hồ, một quần thể nước ngọt mới bắt đầu.
Các quần thể này hầu như độc lập với nhau. Nhưng ở rất nhiều hồ, kết quả giống nhau đến lạ:
| Đặc điểm | Cá gai ở biển | Cá gai ở nhiều hồ nước ngọt |
|---|---|---|
| Tấm giáp bên thân | Hàng đầy đủ, khoảng ba mươi tấm mỗi bên | Chỉ còn ít tấm ở gần đầu, hoặc gần như không còn |
| Gai bụng (gai chậu) | Có | Ở một số hồ bị mất |
| Màu sắc, kích cỡ | Tương đối đồng đều | Đa dạng tuỳ từng hồ |
Khi cùng một thay đổi xảy ra độc lập ở nhiều nơi có điều kiện giống nhau, đó là dấu hiệu mạnh của chọn lọc tự nhiên, chứ không phải tình cờ. Hiện tượng này gọi là tiến hoá song song.
Gen Eda: chìa khoá đã nằm sẵn trong biển
Năm 2005, nhóm của nhà di truyền học David Kingsley ở Đại học Stanford công bố trên tạp chí Science rằng phần lớn khác biệt về số tấm giáp do một gen quyết định: Eda (ectodysplasin). Gen này cũng có ở người và tham gia hình thành răng, tóc, tuyến mồ hôi.
Phát hiện bất ngờ nhất là: cá gai nước ngọt ở những hồ cách nhau hàng nghìn kilômét, thậm chí ở hai bờ Thái Bình Dương, đều mang cùng một biến thể "ít giáp" của Eda. Biến thể này có nguồn gốc rất cổ, ước tính hàng triệu năm. Nó không phải đột biến mới xuất hiện riêng ở từng hồ.
Vậy nó đến từ đâu? Câu trả lời là từ biển. Trong quần thể cá biển, biến thể "ít giáp" vẫn tồn tại với tần số rất thấp, cỡ dưới một phần trăm, thường ở dạng một bản sao đi kèm bản sao "đủ giáp". Vì biến thể này gần như lặn, cá biển mang nó vẫn có giáp bình thường nên không bị loại. Khi một nhóm cá biển vào hồ, chúng mang theo vài bản sao, và chọn lọc trong nước ngọt nhanh chóng đẩy tần số lên.
Các nhà sinh học gọi đây là tiến hoá từ biến dị có sẵn (standing variation). Đó là lý do quá trình có thể nhanh: không cần chờ đột biến mới, chỉ cần chọn cái đã có.
Hồ Loberg: xem tiến hoá trong vài chục năm
Hồ Loberg ở Alaska là nơi tiến hoá của cá gai được quan sát gần như theo thời gian thực. Năm 1982, cơ quan quản lý cá của Alaska xử lý hồ bằng chất diệt cá để loại bỏ cá gai, nhằm thả cá hồi cho người câu. Sau đó, cá gai từ biển bơi ngược vào hồ qua dòng suối nối với biển, bắt đầu lại một quần thể mới từ con số gần như không.
Nhóm của nhà sinh học Michael Bell theo dõi hồ này nhiều năm. Ban đầu, phần lớn cá trong hồ là kiểu đủ giáp như cá biển. Chỉ sau khoảng một thập niên, tỉ lệ cá ít giáp đã tăng rõ rệt, và qua các năm tiếp theo, cá ít giáp trở thành phổ biến. Thời gian này tương ứng với khoảng chục thế hệ cá.
Ở Canada, các nhà nghiên cứu còn làm thí nghiệm trực tiếp: thả cá gai biển vào ao nước ngọt rồi theo dõi. Cá mang biến thể "ít giáp" lớn nhanh hơn khi còn non, và tần số biến thể đó tăng lên chỉ trong một mùa sinh sản. Kết quả này cho thấy chọn lọc có thể tác động lên gen Eda thông qua tốc độ lớn, chứ không chỉ qua chuyện bị ăn thịt hay không.
Vì sao nước ngọt "không cần" giáp
Giáp xương bảo vệ cá khỏi bị nuốt bởi cá lớn và chim. Ở biển, cá săn mồi nhiều, giáp đáng giá. Ở hồ, tình hình khác, và các giả thuyết chính gồm:
- Thiếu khoáng chất. Nước ngọt thường nghèo canxi hơn nước biển. Làm giáp tốn canxi và năng lượng. Bỏ giáp giúp cá lớn nhanh hơn, sớm đủ cỡ để sống qua mùa đông và sinh sản.
- Kẻ săn mồi khác. Ở nhiều hồ, kẻ đe doạ lớn là ấu trùng chuồn chuồn và côn trùng nước, chúng tóm cá con bằng càng. Có giả thuyết cho rằng gai và giáp còn giúp côn trùng dễ bám, nên ít giáp lại có lợi. Giả thuyết này còn được tranh luận.
- Ít cá săn mồi lớn. Hồ mới hình thành sau băng hà thường có ít loài cá dữ hơn biển.
Có thể không phải một nguyên nhân duy nhất, và mỗi hồ một khác. Điều đã chắc là chọn lọc nghiêng về ít giáp ở rất nhiều hồ.
Khi tiến hoá chạy ngược chiều
Câu chuyện không phải lúc nào cũng một chiều. Ở hồ Washington, gần thành phố Seattle, nước hồ từng rất đục do ô nhiễm. Sau khi thành phố làm sạch nước thải từ thập niên 1960, nước trong trở lại. Cá hồi săn mồi bằng mắt nhìn thấy con mồi dễ hơn. Các nghiên cứu sau đó ghi nhận tỉ lệ cá gai có giáp đầy đủ tăng lên đáng kể. Một hồ "sạch hơn" đã làm cá tiến hoá trở lại hướng nhiều giáp.
Gai bụng cũng có câu chuyện riêng. Ở một số hồ, cá mất hẳn bộ gai chậu. Nghiên cứu cho thấy nguyên nhân thường là mất một đoạn ADN nhỏ điều khiển hoạt động của gen Pitx1 ở vùng xương chậu, trong khi gen này vẫn hoạt động bình thường ở các bộ phận khác. Đây là ví dụ đẹp về việc tiến hoá thường "chỉnh công tắc" chứ không phá cả gen.
Cũng có lúc tiến hoá xoá đi chính kết quả của nó. Ở hồ Enos tại Canada, từng có hai dạng cá gai khác nhau rõ rệt cùng sống, một dạng ăn ở đáy, một dạng bơi giữa nước. Sau khi tôm hùm đất ngoại lai được thả vào hồ làm đục nước và đổi môi trường, hai dạng lai với nhau mạnh và gần như hoà làm một. Đây là ví dụ về sự hình thành loài có thể bị đảo ngược.
Góc nhìn hôm nay
Cá gai ba gai cho ta ba bài học. Thứ nhất, tiến hoá có thể nhanh khi biến dị đã sẵn có. Thứ hai, những thay đổi lớn về hình dạng đôi khi chỉ do vài gen điều khiển. Thứ ba, môi trường đổi thì hướng tiến hoá cũng đổi, và hoạt động của con người, từ xử lý hồ tới làm sạch nước, là một phần của môi trường ấy.
Ở Việt Nam không có cá gai ba gai trong tự nhiên, nhưng có những nhóm cá sống được cả nước lợ lẫn nước ngọt, như cá bống, cá đối, cá chẽm. Đó là những ứng viên thú vị cho các nghiên cứu về thích nghi với độ mặn. Người muốn tìm hiểu thêm có thể tìm các sách phổ biến khoa học về di truyền học phát triển tiến hoá (evo-devo), nơi cá gai ba gai thường được kể như một ví dụ chủ chốt, hoặc đọc bài của Colosimo, Kingsley và cộng sự trên Science năm 2005.
Câu hỏi thường gặp
Cá gai ba gai là cá gì?
Cá gai ba gai là loài cá nhỏ ở vùng ven biển và nước ngọt bán cầu bắc, có ba gai trên lưng. Con đực làm tổ và chăm trứng. Loài này được dùng rất nhiều trong nghiên cứu tiến hoá vì đã thích nghi với nước ngọt độc lập ở hàng nghìn hồ.
Vì sao cá gai nước ngọt mất giáp?
Ở nước ngọt, làm giáp tốn canxi và năng lượng, trong khi cá săn mồi thường ít hơn biển. Cá ít giáp lớn nhanh hơn và có lợi thế sống sót, sinh sản. Biến thể gen Eda gây ít giáp vì thế được chọn lọc và lan rộng trong hồ.
Gen Eda là gì?
Eda là gen tham gia hình thành các cấu trúc từ da như vảy, răng, tóc và tuyến mồ hôi. Ở cá gai ba gai, một biến thể cổ của gen này làm cá có ít tấm giáp xương. Gen tương ứng ở người cũng liên quan tới răng, tóc và tuyến mồ hôi.
Tiến hoá ở cá gai ba gai nhanh tới mức nào?
Ở hồ Loberg, Alaska, cá gai biển vào hồ sau năm 1982 và chỉ trong vài chục năm, cá ít giáp đã trở nên phổ biến. Thí nghiệm thả cá vào ao ở Canada cho thấy tần số biến thể ít giáp tăng chỉ trong một mùa.
Tiến hoá song song là gì?
Tiến hoá song song là khi những quần thể độc lập, sống trong điều kiện giống nhau, tiến hoá ra cùng một đặc điểm. Cá gai ba gai mất giáp ở hàng nghìn hồ nước ngọt khác nhau là ví dụ kinh điển.