Thuyết nội cộng sinh cho rằng ty thể, nơi sản xuất năng lượng trong tế bào ta, và lục lạp, nơi quang hợp trong tế bào thực vật, vốn là những vi khuẩn sống tự do, bị một tế bào lớn hơn nuốt vào nhưng không tiêu hoá, rồi ở lại làm "người thuê nhà" vĩnh viễn. Ý tưởng này đã có từ đầu thế kỷ 20, nhưng chính nhà sinh học Mỹ Lynn Margulis mới gom bằng chứng và theo đuổi nó từ năm 1967, khi phần lớn giới khoa học còn nghi ngờ. Đến thập niên 1980, nhờ giải trình tự ADN, phần cốt lõi của thuyết được chấp nhận rộng rãi.
Câu đố về tế bào nhân thực
Sinh vật trên Trái Đất có hai kiểu tế bào lớn. Tế bào nhân sơ của vi khuẩn nhỏ, đơn giản, không có nhân. Tế bào nhân thực của động vật, thực vật, nấm và nhiều sinh vật đơn bào thì lớn hơn nhiều, có nhân bọc màng và nhiều bào quan bên trong. Khoảng cách giữa hai kiểu tế bào lớn tới mức các nhà sinh học từng coi đây là bước nhảy khó giải thích nhất trong lịch sử sự sống, chỉ sau nguồn gốc của chính sự sống.
Trong tế bào nhân thực, ty thể và lục lạp có những nét lạ. Chúng tự phân đôi chứ không được tế bào làm ra từ đầu. Dưới kính hiển vi điện tử, chúng trông khá giống vi khuẩn về kích thước và hình dạng. Câu hỏi đặt ra: phải chăng chúng từng là vi khuẩn?
Những người đi trước bị lãng quên
Năm 1905, nhà thực vật học Nga Konstantin Mereschkowski đề xuất lục lạp có nguồn gốc từ vi khuẩn lam cộng sinh. Thập niên 1920, nhà sinh học Mỹ Ivan Wallin cho rằng ty thể là vi khuẩn. Cả hai đều bị bỏ qua hoặc chế giễu. Thời đó không có công cụ nào để kiểm chứng, và ý tưởng một tế bào được ghép từ nhiều sinh vật nghe quá kỳ lạ.
Đến đầu thập niên 1960, người ta phát hiện ty thể và lục lạp có ADN riêng, tách biệt với ADN trong nhân. Đó là manh mối quan trọng, nhưng vẫn chưa ai gom chúng lại thành một lập luận đầy đủ.
Lynn Margulis và bài báo bị từ chối nhiều lần
Lynn Margulis sinh năm 1938 ở Chicago, mất năm 2011. Bà vào đại học từ rất sớm, theo đuổi di truyền học tế bào, và đặc biệt quan tâm đến những gì di truyền ngoài nhân. Năm 1967, bài báo của bà mang tên On the origin of mitosing cells (Về nguồn gốc các tế bào phân bào có tơ) được đăng trên Journal of Theoretical Biology dưới tên Lynn Sagan, tên theo chồng thứ nhất là nhà thiên văn Carl Sagan. Theo lời kể của chính bà, bài này đã bị nhiều tạp chí từ chối trước đó, con số hay được nhắc là khoảng mười lăm lần.
Năm 1970, bà xuất bản cuốn Origin of Eukaryotic Cells, mở rộng lập luận. Bà đề xuất tế bào nhân thực hình thành qua nhiều lần hợp nhất:
- Một tế bào chủ, kiểu vi khuẩn lớn, nuốt một vi khuẩn hô hấp hiếu khí. Vi khuẩn này trở thành ty thể.
- Theo bà, tế bào chủ còn hợp nhất với vi khuẩn xoắn (spirochete), sinh ra roi và lông của tế bào nhân thực.
- Một số dòng nuốt thêm vi khuẩn lam quang hợp, trở thành lục lạp. Từ đó sinh ra tảo và thực vật.
Bằng chứng cho ty thể và lục lạp
| Đặc điểm | Ty thể và lục lạp | Vi khuẩn | Phần còn lại của tế bào nhân thực |
|---|---|---|---|
| ADN | Vòng, không có histone bọc | Vòng, không có histone | Thẳng, cuộn quanh histone |
| Ribosome | Loại nhỏ, giống vi khuẩn | Loại nhỏ | Loại lớn hơn |
| Cách nhân lên | Phân đôi | Phân đôi | Nguyên phân |
| Màng bao | Hai lớp màng | Màng vi khuẩn | Bào quan khác thường một lớp |
| Nhạy với kháng sinh diệt khuẩn | Có, với một số loại | Có | Thường không |
Hai lớp màng của ty thể và lục lạp phù hợp với hình ảnh một vi khuẩn bị gói vào túi màng của tế bào chủ khi bị nuốt. Việc một số kháng sinh nhắm vào ribosome vi khuẩn cũng ảnh hưởng đến ty thể người giải thích một phần tác dụng phụ của chúng.
Bằng chứng quyết định: trình tự gen
Từ cuối thập niên 1970, các nhóm nghiên cứu so sánh trình tự ARN ribosome và nhiều gen khác. Kết quả cho thấy ADN của lục lạp gần với vi khuẩn lam, ADN của ty thể gần với nhóm vi khuẩn alpha-proteobacteria, cùng nhóm với một số vi khuẩn gây bệnh sống trong tế bào. Đây là bằng chứng mà Mereschkowski và Wallin không thể có. Đến giữa thập niên 1980, nguồn gốc vi khuẩn của ty thể và lục lạp đã thành kiến thức sách giáo khoa.
Phần nào đúng, phần nào chưa
Không phải mọi đề xuất của Margulis đều được chấp nhận. Ý tưởng roi và lông của tế bào nhân thực có nguồn gốc từ vi khuẩn xoắn đến nay không được ủng hộ, vì chưa tìm thấy ADN hay gen nào chứng minh. Bà cũng có những quan điểm gây tranh cãi khác, ví dụ cho rằng cộng sinh là động lực chính của tiến hoá, quan trọng hơn chọn lọc các đột biến nhỏ. Nhiều nhà sinh học đồng ý cộng sinh rất quan trọng nhưng không đồng ý mức độ bà nhấn mạnh.
Margulis còn cộng tác với nhà khoa học Anh James Lovelock phát triển giả thuyết Gaia, coi sự sống và môi trường Trái Đất như một hệ thống tự điều chỉnh. Giả thuyết này được bàn nhiều trong khoa học Trái Đất, có những phần được giữ lại dưới dạng nghiên cứu tương tác sinh vật và khí hậu, có những phần còn tranh luận.
Năm 1999 bà nhận Huân chương Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. Bà nổi tiếng là người kiên trì, không ngại đi ngược số đông, và cũng không ngại tranh luận gay gắt.
Câu chuyện còn tiếp: tế bào chủ là ai
Nếu ty thể là vi khuẩn bị nuốt, vậy tế bào nuốt nó là gì? Nghiên cứu cho thấy phần nhân của tế bào nhân thực có nhiều gen gần với cổ khuẩn, nhóm vi sinh vật được Carl Woese xác định năm 1977. Năm 2015, một nhóm nghiên cứu phân tích ADN trong bùn đáy biển gần một vùng miệng phun thuỷ nhiệt trên sống núi giữa đại dương, ở vùng biển giữa Greenland và Na Uy, phát hiện nhóm cổ khuẩn được đặt tên Lokiarchaeota, mang nhiều gen trước đây tưởng chỉ có ở tế bào nhân thực. Về sau người ta tìm thêm nhiều nhóm họ hàng, gọi chung là cổ khuẩn Asgard.
Năm 2020, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản công bố đã nuôi được một loài cổ khuẩn Asgard trong phòng thí nghiệm, sau hơn mười năm cố gắng. Tế bào này có những xúc tu dài, bám vào vi khuẩn sống cùng. Nhóm gợi ý rằng mối quan hệ gần gũi kiểu ấy có thể là bước khởi đầu cho việc một tế bào ôm lấy tế bào khác. Đây vẫn là lĩnh vực đang nghiên cứu sôi nổi, chi tiết còn tranh luận.
Nội cộng sinh vẫn đang xảy ra
Một số sinh vật hôm nay cho thấy những giai đoạn khác nhau của quá trình này. Amip Paulinella mang trong mình một vi khuẩn lam đã hoá thành bào quan quang hợp, nhưng là lần hợp nhất riêng, xảy ra muộn hơn nhiều so với lục lạp của thực vật. Nhiều loài côn trùng như rệp cây mang vi khuẩn cộng sinh trong tế bào, truyền qua trứng, không sống được nếu thiếu nhau. Các loài tảo như tảo silic và tảo nâu thì có lục lạp là "tảo nuốt tảo", gọi là nội cộng sinh thứ cấp.
Góc nhìn hôm nay
Mỗi tế bào trong cơ thể ta, trừ hồng cầu trưởng thành, mang hàng trăm đến hàng nghìn ty thể, mỗi cái giữ một đoạn ADN nhỏ riêng. ADN ty thể di truyền theo dòng mẹ, và các nhà khoa học dùng nó để truy dòng tổ tiên của các quần thể người. Bệnh ty thể là nhóm bệnh di truyền hiếm, ảnh hưởng nặng nhất đến cơ và thần kinh, những mô cần nhiều năng lượng.
Câu chuyện của Margulis là bài học về cách khoa học xét một ý tưởng ngược dòng: không phải ai kiên trì cũng đúng, và bà sai ở một số điểm, nhưng ý tưởng nào có bằng chứng sẽ đứng vững. Thuyết nội cộng sinh từ chỗ bị từ chối mười mấy lần đã vào sách giáo khoa sinh học phổ thông ở nhiều nước, trong đó có Việt Nam.
Muốn tìm hiểu thêm:
- Quan sát lục lạp trong tế bào lá rong đuôi chó hoặc lá thài lài bằng kính hiển vi quang học ở phòng thí nghiệm trường, có thể thấy chúng chuyển động theo dòng tế bào chất.
- Đọc cuốn Microcosmos do Margulis viết cùng con trai Dorion Sagan, kể lịch sử sự sống từ góc nhìn vi khuẩn.
- Tìm đọc tin về cổ khuẩn Asgard để theo dõi câu chuyện nguồn gốc tế bào nhân thực đang được viết tiếp.
Câu hỏi thường gặp
Thuyết nội cộng sinh là gì?
Thuyết nội cộng sinh cho rằng ty thể và lục lạp trong tế bào nhân thực có nguồn gốc từ vi khuẩn sống tự do, bị một tế bào lớn nuốt vào rồi sống cộng sinh lâu dài. Ty thể bắt nguồn từ vi khuẩn hô hấp hiếu khí, lục lạp từ vi khuẩn lam.
Ai đề xuất thuyết nội cộng sinh?
Những ý tưởng đầu tiên đến từ Konstantin Mereschkowski năm 1905 và Ivan Wallin thập niên 1920. Lynn Margulis là người tập hợp bằng chứng và phổ biến thuyết này từ năm 1967, nên thường được gắn tên với nó.
Bằng chứng nào cho thấy ty thể từng là vi khuẩn?
Ty thể có ADN vòng riêng, ribosome giống vi khuẩn, hai lớp màng, tự phân đôi, và trình tự gen của nó gần với nhóm vi khuẩn alpha-proteobacteria. Những đặc điểm này cùng chỉ về nguồn gốc vi khuẩn.
Vì sao ADN ty thể chỉ di truyền từ mẹ?
Ở người, trứng chứa rất nhiều ty thể, còn ty thể của tinh trùng thường bị đánh dấu và phân huỷ sau thụ tinh. Vì vậy hầu hết ADN ty thể của con đến từ mẹ, giúp các nhà khoa học truy dòng mẹ qua nhiều thế hệ.
Lynn Margulis có đúng hoàn toàn không?
Không. Bà đúng về nguồn gốc vi khuẩn của ty thể và lục lạp, nhưng ý tưởng roi tế bào có nguồn gốc từ vi khuẩn xoắn chưa được bằng chứng ủng hộ. Một số quan điểm khác của bà về vai trò của cộng sinh trong tiến hoá vẫn còn tranh luận.