Chúng ta có thể dự đoán tiến hóa không?

Các sinh vật phản ứng theo những cách tương tự với các hoàn cảnh tương tự.

Tiến hóa được biết đến như một quá trình không thể đoán trước nhưng lại có trật tự. Với các đột biến và môi trường đóng vai trò quan trọng, việc dự đoán loài nào sẽ tiến hóa để có đặc điểm nào dường như giống như việc đoán số khi tung một viên xúc xắc có hàng triệu mặt.

Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng kết quả từ viên xúc xắc có xu hướng ra cùng một kết quả lặp đi lặp lại. Sự kết hợp giữa sự phát triển tự nhiên của các sinh vật và áp lực từ môi trường có thể tạo ra các dạng rất giống nhau, được gọi là ecomorphs. Các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng này là phát xạ được lặp lại. (Đôi khi, thuật ngữ phát xạ thích nghi được sử dụng thay thế.)

Một ví dụ tưởng tượng có thể làm rõ hơn

Giả sử có năm nhóm SpongeBob khác nhau bị chia cắt đột ngột, phân tán theo địa lý đến năm khu vực khác nhau trong đại dương, không còn cơ hội gặp lại nhau. Quá trình tiến hóa loài diễn ra trong hàng triệu năm ở mỗi khu vực này. Nhưng thay vì tạo ra các dạng mới trong từng khu vực, các loài SpongeBob mới đều khác với nhóm ban đầu theo cách tương tự nhau.

Ví dụ, nếu loài SpongeBob ban đầu có màu vàng và hình vuông, có thể cả năm loài mới – mỗi loài tiến hóa độc lập – đều trở thành màu cam và hình tròn. Việc trở thành màu cam và hình tròn, hóa ra, giúp các loài mới thích nghi với những điều kiện môi trường tương tự có mặt ở cả năm khu vực này. Điều này có nghĩa là sự kết hợp giữa sự phát triển tự nhiên của các sinh vật và một số áp lực từ môi trường đã tạo ra một dạng giống nhau năm lần. Viên xúc xắc đã được tung ra ở mỗi khu vực và kết quả luôn là cùng một con số.

Một nghiên cứu về tiến hóa lá cây trong thực vật

Trong một bài báo mới công bố trên tạp chí Nature Ecology & Evolution, một nhóm nhà nghiên cứu quốc tế đã chứng minh rằng một nhóm thực vật sống trong 11 khu vực cách biệt về địa lý đã tiến hóa độc lập các loài mới với hình dạng lá tương tự nhau. Đây là lần đầu tiên có minh chứng về hiện tượng phát xạ lặp lại ở thực vật, và nghiên cứu mang tính đột phá này mang lại cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về khả năng tiến hóa trong tương lai.

Oreinotinus là một thành viên của nhóm thực vật Viburnum, một nhóm cây bụi hoặc cây thân gỗ mà bạn có thể từng thấy trồng quanh các thị trấn ở Bắc Mỹ. Các loài Viburnum có cành trang trí với lá màu xanh lá chanh và nở những chùm hoa trắng nhỏ, tỏa hương dễ chịu như mùi hạt phỉ. Nhóm này sống trong các khu vực núi cao, di cư từ Mexico xuống Trung và Nam Mỹ khoảng 10 triệu năm trước.

Các loài khác nhau của Oreinotinus có các loại lá khác nhau. Đơn giản mà nói, một số có lá lớn, phủ lông, trong khi một số khác có lá nhỏ, trơn láng. Ban đầu, các chuyên gia cho rằng cả hai dạng lá này đã tiến hóa từ sớm trong lịch sử của nhóm và sau đó phân tán riêng biệt qua các dãy núi khác nhau, có lẽ nhờ chim chóc. Tuy nhiên, mô hình phân bố của các loài này, cùng với sự khác biệt nổi bật về đặc điểm lá, đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu một hệ thống lý tưởng để khám phá khả năng rằng các dạng lá này đã tiến hóa độc lập qua các khu vực khác nhau, tức là có thể là một trường hợp của phát xạ được lặp lại.

Tìm hiểu lịch sử tiến hóa của lá cây

Các nhà nghiên cứu đã xác định 11 khu vực núi cao, mỗi khu vực chứa một loài Oreinotinus đặc hữu và cách biệt với các khu vực khác bởi các rào cản đồng bằng ngăn chặn sự phân tán của thực vật – như eo đất Panama, biển Caribbean, hoặc eo đất Tehuantepec. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu 40 loài Oreinotinus và chỉ có bốn trong số chúng xuất hiện ở hơn một trong 11 khu vực. Để truy vết lịch sử tiến hóa của các dạng lá, họ đã xem xét mối quan hệ giữa các loài (cây phát sinh loài), phân bố địa lý và đặc điểm lá của từng loài.

Nếu có phát xạ được lặp lại, các nhà nghiên cứu kỳ vọng hai kết quả quan trọng. Thứ nhất, các loài trong cùng một khu vực sẽ có quan hệ gần gũi với nhau hơn so với các loài ở các khu vực khác. Thứ hai, các đặc điểm lá tương tự sẽ xuất hiện ở hầu hết các khu vực, nhưng sẽ tiến hóa độc lập với nhau.

Những chiếc lá giống nhau nhưng tiến hóa độc lập

Khi Oreinotinus phát triển đa dạng, bốn loại lá chính đã tiến hóa độc lập từ một dạng lá tổ tiên. Bốn dạng này khác nhau về kích thước, hình dạng, gờ lá – tức là mép lá mịn hoặc có răng cưa – và sự hiện diện của lông lá. Nghiên cứu đã phân loại lá thành bốn loại và còn củng cố các đánh giá của mình bằng phân tích thống kê dựa trên các đặc điểm này.

Chín trong số 11 khu vực chứa ít nhất hai dạng lá; bốn khu vực có ba dạng; và một khu vực, Oaxaca, là nơi sinh sống của cả bốn dạng lá. Dựa trên các mô phỏng và mô hình, các tác giả đã bác bỏ mô hình tiến hóa đơn giản, trong đó các dạng lá tiến hóa trước khi các loài phân tán. Họ cũng nhận thấy rằng ngẫu nhiên không thể giải thích việc chín khu vực đặc hữu chứa hai hoặc nhiều hơn hai dạng lá. Dựa trên những bằng chứng này, nhóm nghiên cứu kết luận rằng các dạng lá đã tiến hóa riêng biệt trong nhiều khu vực. Các dạng lá không phải là sản phẩm từ giai đoạn sớm của quá trình tiến hóa Oreinotinus. Thay vào đó, khi các dòng tiến hóa khác nhau trong các khu vực khác nhau, mỗi dòng đã di chuyển qua cùng một vùng không gian hình thái của lá.

Vai trò chức năng của các loại lá

Lá không thay đổi ngẫu nhiên – các dạng lá khác nhau có các chức năng khác nhau. Chúng ta biết rằng kích thước và hình dạng lá ảnh hưởng đến việc hấp thụ ánh sáng, điều hòa nhiệt và hiệu suất quang hợp. Lông lá giúp điều chỉnh nhiệt độ của lá, ảnh hưởng đến quang hợp và bảo vệ lá khỏi các loài ăn thực vật.

Vậy nhóm loài này muốn nói gì với chúng ta khi nó tiến hóa ra các dạng lá khác nhau? Hóa ra, các loại lá khác nhau mang lại các lợi thế khác nhau phù hợp với các ngách khí hậu cụ thể. Ví dụ, các lá nhỏ hơn giúp điều chỉnh nhiệt độ một cách chính xác hơn – lá sẽ không quá nóng hay quá lạnh khi thời tiết thay đổi. Ngược lại, lá lớn hơn sẽ phù hợp hơn với môi trường ít ánh sáng, thường xuyên có mây, vì chúng cải thiện việc hấp thụ ánh sáng và làm cho quá trình quang hợp hiệu quả hơn. Vì vậy, các ecomorph của lá khác nhau thích nghi với các tập hợp điều kiện môi trường đặc biệt mà đôi khi chỉ khác biệt nhẹ nhưng thường cận kề nhau.

Tương lai của tiến hóa

Giờ đây, các nhà nghiên cứu có thể thêm Oreinotinus vào danh sách đặc biệt của các nhóm sinh vật khác đã trải qua phát xạ được lặp lại, như thằn lằn Anolis ở vùng Caribbean, cá rô phi ở các hồ rạn nứt châu Phi và nhện ở Hawaii.

Với một loài thực vật trong danh sách, các nhà sinh học tiến hóa nhận ra rằng đây không phải là một xu hướng chỉ giới hạn ở động vật bị cô lập trên các hòn đảo, nơi hầu hết các ví dụ khác đến từ. Giống như các quần đảo, các môi trường rừng mây của Oreinotinus bị cô lập khỏi nhau. Một ví dụ về thực vật sẽ giúp các nhà sinh học tiến hóa xác định rõ các điều kiện chung mà dưới đó chúng ta có thể đưa ra các dự đoán chắc chắn về tiến hóa.

Các nghiên cứu về phát xạ được lặp lại không phải là những nỗ lực đầu tiên để khám phá các cơ chế đằng sau tiến hóa. Một số nhà nghiên cứu lại hướng đến tương lai thay vì quá khứ. Trong một nghiên cứu nổi bật năm 2013, các nhà nghiên cứu đã nuôi cấy vi khuẩn E. coli trong sáu tháng – tương đương với 1.200 thế hệ đối với các sinh vật phát triển nhanh này. Ch

ẳng mấy chốc, hầu hết các vi khuẩn bắt đầu chuyên biệt hóa trong một trong hai nguồn thức ăn có sẵn – axetat (giấm) hoặc glucose (đường). Họ bắt đầu lại chu kỳ hai lần và nhận thấy rằng tỷ lệ các vi khuẩn chuyên biệt hóa axetat và glucose là như nhau trong cả ba lần thử nghiệm. Đáng chú ý, những điểm tương đồng này cũng phản ánh trong di truyền của vi khuẩn. Trong cả ba thí nghiệm, các đột biến trong đường dẫn trao đổi chất của vi khuẩn đã dẫn đến sự phát triển của sở thích ngọt hoặc chua của vi khuẩn.

Cho dù đó là chim sẻ của Darwin, Oreinotinus, hay một nhóm vi khuẩn E. coli thích ăn đường, tất cả chúng ta đều chịu sự tác động của quá trình tiến hóa đầy bí ẩn. Nhưng có lẽ, khi các nhóm nghiên cứu đa dạng cùng nhau giải quyết vấn đề, bí ẩn này sẽ dần được giải mã. Như Michael Donoghue, một đồng tác giả của nghiên cứu về Oreinotinus, đã nói trong một tuyên bố: Có lẽ sinh học tiến hóa có thể trở thành một khoa học dự đoán nhiều hơn chúng ta từng tưởng tượng trong quá khứ.