Loài tôm càng này tự nhân bản chính mình, và nó lan tràn khắp châu Âu

Loài tôm càng này tự nhân bản chính mình, và nó lan tràn khắp châu Âu

Carl Zimmer (Feb. 5, 2018) - https://www.nytimes.com/2018/02/05/science/mutant-crayfish-clones-europe.html


Tôm càng cẩm thạch (marbled crayfish) là một loài đột biến tự nhân bản chính mình, theo báo cáo của các nhà khoa học. Dân số đang bùng nổ ở châu Âu, nhưng loài dường như chỉ mới ra đời khoảng 25 năm trước. (Ranja Andriantsoa)

Frank Lyko, một nhà sinh học tại Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Đức, nghiên cứu tôm càng cẩm thạch dài-sáu-inch. Việc tìm kiếm cá thể khá dễ dàng: Dr. Lyko có thể mua tôm càng tại các tiệm thú cưng ở Đức, hay anh có thể cùng các cộng sự chạy thẳng ra hồ nước kế cận.

Đợi đến khi trời tối, bật đèn đeo đầu, và đi vào vùng nước nông. Tôm càng cẩm thạch sẽ rời khỏi nơi ẩn náu và bắt đầu tụ tập xung quanh mắt cá bạn.

“Cực kỳ ấn tượng,” tiến sĩ Lyko nói. “Ba chúng tôi có lần bắt đến 150 con trong vòng một giờ, chỉ bằng tay không.”

Hơn năm năm qua, Dr. Lyko và cộng sự của mình đã giải trình tự gien của tôm càng cẩm thạch. Trong một nghiên cứu được xuất bản hôm thứ hai, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng tôm càng cẩm thạch, dẫu trông bình thường, lại là một trong những loài đáng chú ý nhất được biết với khoa học.

Khoảng 25 năm trước, loài đơn giản không hề tồn tại. Một đột biến mạnh mẽ ở một con tôm càng đã ngay tức thì tạo ra tôm càng cẩm thạch.

Đột biến cho phép con vật tự nhân bản chính nó, và hiện nay nó đã lan ra phần lớn châu Âu và đặt chân lên những lục địa khác. Ở Madagascar, nơi nó xuất hiện vào khoảng 2007, hiện số lượng lên đến hàng triệu con và đe dọa tôm càng bản địa.

“Chúng ta có thể không bao giờ biết được hệ gien của một loài ngay sau khi nó trở thành một loài,” theo Zen Faulkes, một nhà sinh học tại Đại học Texas Rio Grande Valley, người không tham gia vào nghiên cứu mới.

Tôm càng cẩm thạch trở nên phổ biến trong giới chơi hồ cảnh Đức vào cuối những năm 1990. Báo cáo sớm nhất về sinh vật đến từ một tay chơi, người nói với Dr. Lyko rằng anh mua thứ được mô tả như là “tôm càng Texas” vào 1995.

Tay chơi – người mà Dr. Lyko từ chối tiết lộ danh tính – ấn tượng trước kích thước lớn của con tôm càng và bè trứng khủng của nó. Mỗi con tôm càng cẩm thạch có thể đẻ hàng trăm trứng một lần.

Chẳng mấy lúc, tay chơi đưa tôm càng cho bạn bè mình. Và không lâu sau đó, cái gọi là marmorkrebs bắt đầu xuất hiện trong các tiệm thú cưng ở Đức và xa hơn.

Khi marmorkrebs trở nên phổ biến hơn, người nuôi ngày càng thắc mắc. Tôm càng dường như đẻ trứng mà chẳng cần giao phối. Bầy con toàn là tôm cái, và mỗi con khi lớn lên đều sẵn sàng sinh sản.

Vào 2003, các nhà khoa học khẳng định rằng tôm càng cẩm thạch rõ ràng đang nhân bản chính mình. Họ giải trình tự (sequenced) một phần nhỏ DNA của con vật, vốn hết sức giống với một nhóm tôm càng gọi là Procambarus, loài bản địa ở Bắc và Trung Mỹ.

Mười năm sau, Dr. Lyko và đồng sự của mình lập kế hoạch xác định toàn bộ hệ gien (genome) của tôm càng cẩm thạch. Kể từ đó, nó không chỉ là một “hàng độc” (oddity) nữa.

Trong gần hai thập kỷ, tôm càng cẩm thạch nhân bản như bọn Tribbles trong series “Star Trek” huyền thoại. “Người ta có thể bắt đầu với mỗi một con, và một năm sau họ sẽ có vài trăm con,” Dr. Lyko nói.

Nhiều chủ sở hữu rõ ràng lái xe đến ao hồ kế cận và trút bỏ đám marmorkrebs của mình. Và hóa ra bọn tôm càng cẩm thạch chẳng cần gì nhiều để sinh sôi. Marmorkrebs hình thành một cộng đồng lớn mạnh ngoài tự nhiên, đôi khi bò [trên bộ] hàng trăm yard để tiến chiếm ao hồ hay dòng chảy mới. Các quần thể hoang bắt đầu xuất hiện ở Cộng hòa Séc, Hungary, Croatia và Ukraine ở châu Âu, và sau này ở Nhật Bản và Madagascar.

Việc giải trình tự hệ gien của loài này không dễ dàng: Chưa ai từng giải trình tự hệ gien của một con tôm càng. Thực ra, chưa ai từng giải trình tự bất kỳ loài họ hàng gần nào của tôm càng.

Dr. Lyko và các đồng sự của mình đã nỗ lực trong nhiều năm trời để lắp ráp các mảnh DNA với nhau thành một bản đồ hệ gien của nó. Khi thành công, họ đã giải trình tự hệ gien của 15 cá thể khác nữa, bao gồm tôm càng cẩm thạch trong các ao hồ ở Đức và những con thuộc về các loài khác.

Chi tiết di truyền dồi dào cho phép các nhà khoa học có cái nhìn rõ ràng hơn về nguồn gốc quái dị của tôm càng cẩm thạch.

Nó rõ ràng tiến hóa từ một loài được biết như là tôm càng lọ lem (slough crayfish), Procambarus fallax, vốn chỉ phân bố trong các nhánh của sông Satilla ở Florida và Georgia.

Các nhà khoa học kết luận rằng loài mới được hình thành khi hai con tôm càng lọ lem giao phối. Một con trong chúng có một đột biến ở một tế bào sinh sản (sex cell) – dẫu là trứng hay tinh trùng, các nhà khoa học không thể chỉ ra (1).

Tế bào sinh sản bình thường bao gồm một bản sao của mỗi [bộ] nhiễm sắc thể (2). Nhưng tế bào sinh sản ở tôm càng đột biến lại có hai.

Chẳng hiểu sao, các tế bào sinh sản của cả hai kết hợp và tạo ra một bào thai tôm càng mái với ba bản sao của mỗi nhiễm sắc thể thay vì hai như bình thường [tức tam bội – triploid]. Cũng chẳng hiểu sao, con tôm càng mới không bị bất kỳ dị tật nào dưới tác động của toàn bộ số DNA cộng thêm đó.

Nó tăng trưởng và sinh sôi. Nhưng thay vì sinh sản hữu tính, con tôm càng cẩm thạch đầu tiên có khả năng kích động bè trứng của chính mình phân chia thành các bào thai. Tôm con, toàn mái, được di truyền các bản sao giống hệt gồm các bộ ba nhiễm sắc thể của mẹ. Chúng là đám nhân bản (clones).

Bây giờ các nhiễm sắc thể của chúng không còn khớp với tôm càng lọ lem, bọn chúng không thể sinh sản [với nhau] được nữa. Tôm càng lọ lem đực vẫn có thể giao phối với tôm càng cẩm thạch [cái], nhưng nó không bao giờ là cha của bất kỳ tôm con nào.

Vào tháng mười hai, Dr. Lyko và các cộng sự của mình chính thức công bố tôm càng cẩm thạch là một loài riêng, có tên Procambarus virginalis. Các nhà khoa học không thể khẳng định loài ra đời từ đâu. Không có quần thể tôm càng cẩm thạch hoang nào ở Mỹ, vì vậy có thể hiểu rằng loài mới nảy sinh trong một hồ cảnh ở Đức.

Tất cả tôm càng cẩm thạch mà đội của Dr. Lyko nghiên cứu đều hầu như giống hệt nhau về mặt di truyền. Tức một hệ gien đơn lẻ cho phép các nhân bản sinh sôi trong mọi hình thái địa bàn – từ đầm than bỏ hoang ở Đức đến đồng lúa ở Madagascar.

Trong nghiên cứu mới của họ, được xuất bản trên tạp chí Nature Ecology and Evolution [Sinh thái và Tiến hóa Tự nhiên], các nhà nghiên cứu chứng tỏ rằng tôm càng cẩm thạch lan tràn khắp Madagascar với một tốc độ đáng ngạc nhiên, bao phủ một diện tích cỡ bang Indiana trong khoảng một thập kỷ.

Nhờ sự non trẻ của loài, tôm càng cẩm thạch có thể soi rọi ánh sáng vào một trong những bí ẩn lớn nhất trong giới động vật: tại sao quá nhiều động vật có giới tính.

Chỉ khoảng 1 phần 10,000 loài là mái nhân bản. Nhiều nghiên cứu dự đoán rằng các loài phi-giới tính (sex-free) hiếm bởi vì chúng không tồn tại lâu dài.

Trong một nghiên cứu, Abraham E. Tucker thuộc Đại học Nam Arkansas và đồng sự của mình đã tìm hiểu 11 loài rận nước (water fleas) sinh sản vô tính, một loại động vật không xương sống. DNA của chúng cho thấy các loài chỉ mới tiến hóa khoảng 1,250 năm trước.

Có nhiều thuận lợi rõ ràng với một nhân bản. Tôm càng cẩm thạch không sản sinh gì khác ngoài tôm con hữu sinh (fertile), cho phép quần thể của chúng bùng phát. “Sinh sản vô tính là một chiến lược ngắn-hạn tuyệt vời,” Dr. Tucker nói.

Tuy nhiên, trong dài hạn, có những lợi ích với sinh sản hữu tính. Chẳng hạn, động vật sinh sản hữu tính có thể chống chọi với bệnh tật tốt hơn.

Nếu một loại bệnh tiến hóa một cách thức để tấn công một nhân bản, chiến lược của nó sẽ thành công trên mọi nhân bản. Các loài sinh sản hữu tính pha trộn gien của chúng với nhau thành các kết hợp mới, gia tăng tỷ lệ phát triển một hình thức phòng vệ (3).

Tôm càng cẩm thạch mang lại cho các nhà khoa học cơ hội để chứng kiến kịch bản này thực sự diễn ra ngay từ đầu. Trong vài thập kỷ đầu tiên của mình, nó làm cực kỳ tốt. Nhưng sớm hay muộn, vận may của tôm càng cẩm thạch có thể đổi chiều.

“Có lẽ chúng chỉ sống sót 100,000 năm thôi,” Dr. Lyko dự đoán. “Đó là một thời gian dài với tôi, về mặt cá nhân, nhưng trong tiến hóa đó chỉ là một tiếng bip trên màn radar.”

Ghi chú
(1) Ban đầu, một con tôm càng lọ lem (slough crayfish) có đột biến ở một trứng (nếu là cái) hay một tinh trùng (nếu là đực). Khi giao phối với con tôm càng lọ lem khác, trứng hay tinh trùng đột biến sẽ tạo ra một con tôm càng cẩm thạch (marble crayfish) đầu tiên [anh chị em cùng bầy của nó vẫn là tôm càng lọ lem bình thường]. Nó có khả năng sinh sản vô tính, cụ thể là trứng tự phân chia và phát triển thành bào thai! [mà chẳng cần đến tinh trùng] Kết quả, nó nhân bản chính mình và di truyền khả năng này cho con cháu. Từ đó hình thành một loài mới là tôm càng cẩm thạch!

(2) Động vật thường có hai bản sao ở mỗi bộ nhiễm sắc thể, gọi là lưỡng bội (diploid). Tế bào sinh sản, tức trứng hay tinh trùng, có một bản sao ở mỗi bộ nhiễm sắc thể, gọi là đơn bội (haploid). Khi trứng và tinh trùng kết hợp với nhau, bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội được tái tạo. Nhưng ở con tôm lọ lem đột biến, một trứng hay tinh trùng của nó lại có hai bản sao ở mỗi bộ nhiễm sắc thể. Để khi giao phối với con tôm lọ lem bình thường khác, một con tôm với ba bản sao ở mỗi bộ nhiễm sắc thể ra đời (gọi là tam bội – triploid).

(3) Về nhược điểm ở sinh sản vô tính, chúng ta có thể thấy rất rõ ở thực vật, nhất là lãnh vực giống cây trồng. Để duy trì và tái tạo một giống cây, chẳng hạn cây ăn trái chất lượng cao như xoài cát Hòa Lộc, chúng ta phải áp dụng các hình thức sinh sản vô tính hay nhân bản như chiết hay ghép từ giống gốc. Cây nhân bản sẽ có chất lượng của cây mẹ [mà nó được chiết ra hay lấy chồi để ghép]. Còn nếu bạn trồng từ hạt, tức sinh sản hữu tính, thì sẽ cho ra đủ loại trái với chất lượng không đồng đều. Đó là điều mà nhà vườn không mong muốn. Nhưng thiên địch luôn tiến hóa để tấn công cây trái một cách hiệu quả. Một ví dụ phổ biến là sâu đục thân ở xoài cát Hòa Lộc [và nhiều giống xoài thương mại khác]. Cây nhỏ và cây non vài năm tuổi sẽ chết khi bị sâu tấn công, kể cả cây lớn nếu không phát hiện kịp thời. Như đã nói, đây là giống nhân bản vô tính nên một khi sâu có thể tấn công một cây, nó có thể tấn công toàn bộ giống đó! Trên thực tế, các giống cây trái chất lượng đều có vài loài thiên địch mà chúng không thể đề kháng tự nhiên và nhà vườn chỉ còn cách xịt thuốc trừ sâu! Và việc đó lại là vấn đề đối với người tiêu thụ. Với xoài hoang hay được trồng từ hạt, thiên địch chỉ có thể tấn công một tỷ lệ cây nào đó thôi chứ không thể với toàn bộ quần thể. Tất nhiên khi đó chất lượng trái sẽ không đồng đều!

===============================

Sinh tồn của loài cá toàn-mái trỏ đến DNA của nó

Loài xâm lấn: cướp tinh trùng là một chiến lược thành công

Cá mập trinh vẫn chửa, các nhà khoa học sửng sốt nói

Sở hữu đội quân nhân bản