Phát hiện mới của nhóm nghiên cứu Úc về loài vi khuẩn cổ Asgard mang tên Nerearchaeum marumarumayae bên trong các cấu trúc stromatolite cổ đại tại Vịnh Shark không chỉ là một khám phá sinh học thông thường. Nó cung cấp bằng chứng thực nghiệm quan trọng củng cố giả thuyết về nguồn gốc của tế bào nhân chuẩn (eukaryote) — tổ tiên của mọi dạng sống phức tạp trên Trái Đất, bao gồm thực vật, động vật và con người.
 |
| Hình ảnh tổng hợp của vi khuẩn cổ Asgard (ảnh nhỏ) được tìm thấy trong thảm vi sinh vật ở Vịnh Shark, Tây Úc. (Nguồn ảnh: Iain Duggin, Debnath Ghosal, Brendan Burns) |
Dưới đây là phân tích chi tiết các khía cạnh khoa học của phát hiện này:
Stromatolite: "Cỗ máy thời gian" sinh học
Các cấu trúc stromatolite tại Vịnh Shark (Tây Úc) được ví như những hóa thạch sống. Chúng là các cấu trúc đá vôi nhiều lớp được hình thành bởi sự tương tác lâu đời giữa các thảm vi sinh vật và trầm tích.
Tầm quan trọng: Hệ sinh thái này mô phỏng môi trường Trái Đất sơ khai (Kỷ Tiền Sinh), thời điểm mà các tương tác vi khuẩn đầu tiên bắt đầu hình thành, đặt nền móng cho sự tiến hóa lâu dài.
Nerearchaeum marumarumayae: Mô hình cộng sinh sơ khai
Từ lâu, các nhà khoa học đã nghi ngờ rằng tổ tiên của tế bào nhân chuẩn có nguồn gốc từ nhóm vi khuẩn cổ Asgard. Tuy nhiên, việc chứng minh cách chúng tương tác với vi khuẩn để tạo ra ty thể (bào quan năng lượng) vẫn còn là thách thức.
Khám phá về Nerearchaeum marumarumayae đã cung cấp một mô hình hoạt động thực tế:
- Sự phụ thuộc lẫn nhau (Cộng sinh): Nhóm nghiên cứu không thể nuôi cấy thuần khiết loài vi khuẩn cổ này trong phòng thí nghiệm suốt nhiều năm. Nó chỉ phát triển khi có sự hiện diện của một loại vi khuẩn khử lưu huỳnh. Điều này chứng tỏ sự phụ thuộc sinh tồn chặt chẽ giữa hai loài.
- Kết nối vật lý (Cầu nối tế bào): Sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp điện tử đông lạnh, các nhà khoa học đã lần đầu tiên hình dung được các cấu trúc nhô ra dạng "ống" mỏng, kết nối trực tiếp Nerearchaeum với đối tác vi khuẩn của nó.
Cơ chế trao đổi chất được đề xuất
Dựa trên phân tích, nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết về mối quan hệ hợp tác này:
- Vi khuẩn cổ: Sử dụng con đường lên men để chuyển đổi hợp chất hữu cơ, tạo ra hydro và các sản phẩm phụ khác.
- Vi khuẩn: Sử dụng các sản phẩm này làm chất nhận điện tử cho quá trình trao đổi chất của chính nó.
- Trao đổi ngược: Vi khuẩn có khả năng cung cấp lại các vitamin, axit amin và axit béo thiết yếu mà vi khuẩn cổ cần.
Đây có thể là tiền thân của quá trình nội cộng sinh sâu sắc hơn, nơi vi khuẩn cuối cùng trở thành ty thể bên trong tế bào chủ vi khuẩn cổ.
Đặc điểm tế bào bất thường và sự tương đồng với sinh vật nhân chuẩn
Nerearchaeum marumarumayae sở hữu những đặc điểm hình thái và di truyền cực kỳ khác biệt so với vi khuẩn cổ thông thường:
Hình thái phức tạp: Tế bào hình cầu có các phần mở rộng đa dạng như chồi dạng túi, tế bào chất dạng ống và sợi xơ bên ngoài.
Protein "giống sinh vật nhân chuẩn": Phân tích hệ gen và sử dụng học sâu (deep learning) để dự đoán cấu trúc protein cho thấy loài này mã hóa các protein tương đồng với protein ở sinh vật nhân chuẩn. Các protein này liên quan đến các chức năng phức tạp như:
- Hoạt động của bộ khung tế bào (cytoskeleton).
- Hệ thống màng nội bào.
- Vận chuyển túi nội bào.
Thách thức và Hướng đi tương lai
Mặc dù là một cột mốc quan trọng, nghiên cứu vẫn còn những giới hạn:
- Dựa trên mẫu làm giàu: Nghiên cứu chủ yếu dựa trên các mẫu nuôi cấy được làm giàu, chưa phải nuôi cấy thuần khiết hoàn toàn, giới hạn sự chắc chắn về mọi tương tác cụ thể.
- Chức năng chưa rõ ràng: Chức năng chính xác của các ống liên bào và một số protein khung xương vẫn còn là giả thuyết và cần được xác thực bằng thực nghiệm.
Kết luận: Phát hiện này đưa khoa học tiến gần hơn một bước lớn đến việc hiểu cách sự phức tạp tế bào phát sinh từ các dạng sống đơn giản. Nó không chỉ giải thích nguồn gốc sự sống mà còn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo tồn các hệ sinh thái độc đáo và dễ bị tổn thương như Vịnh Shark trước tác động của biến đổi khí hậu.