Các nhà sinh vật học thường tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu họ có thể tua lại cuốn băng lịch sử sự sống và để quá trình tiến hóa diễn ra lại từ đầu. Liệu các dòng sinh vật có tiến hóa theo những cách hoàn toàn khác nhau nếu có cơ hội đó không? Hay liệu chúng có xu hướng tiến hóa các loại mắt, cánh và các đặc điểm thích nghi giống nhau khác bởi vì lịch sử tiến hóa trước đây đã đưa chúng đi theo những con đường phát triển nhất định?

A bài báo mới xuất bản hôm nay in Khoa học mô tả một trường hợp thử nghiệm hiếm hoi và quan trọng cho câu hỏi đó, đây là trường hợp cơ bản để hiểu cách thức tiến hóa và phát triển tương tác với nhau. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara đã tình cờ phát hiện ra nó khi đang nghiên cứu sự tiến hóa của thị giác ở một nhóm động vật thân mềm ít người biết đến được gọi là chiton. Trong nhóm động vật đó, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hai loại mắt – đốm mắt và mắt vỏ – mỗi loại tiến hóa hai lần độc lập. Một dòng dõi nhất định có thể phát triển loại mắt này hoặc loại mắt khác, nhưng không bao giờ có cả hai.

Điều thú vị là, loại mắt của một dòng dõi được xác định bởi một đặc điểm cũ dường như không liên quan: số lượng khe hở trên vỏ giáp của chiton. Điều này thể hiện một ví dụ thực tế về “tiến hóa phụ thuộc vào con đường”, trong đó lịch sử của dòng dõi định hình quỹ đạo tiến hóa trong tương lai của nó một cách không thể thay đổi được. Những thời điểm quan trọng trong dòng dõi hoạt động giống như những cánh cửa một chiều, mở ra một số khả năng trong khi vĩnh viễn đóng lại những lựa chọn khác.

“Đây là một trong những trường hợp đầu tiên [trong đó] chúng tôi thực sự có thể nhìn thấy sự tiến hóa phụ thuộc vào con đường,” cho biết Rebecca Varney, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ ở Phòng thí nghiệm của Todd Oakley tại UCSB và là tác giả chính của bài báo mới. Mặc dù sự tiến hóa phụ thuộc vào con đường đã được quan sát thấy ở một số vi khuẩn được nuôi trong phòng thí nghiệm, nhưng “việc chứng minh rằng trong một hệ thống tự nhiên là một điều thực sự thú vị có thể làm được”.

“Luôn luôn có tác động của lịch sử đến tương lai của một đặc điểm cụ thể,” nói Lauren Sumner-Rooney, người nghiên cứu hệ thống thị giác của động vật không xương sống tại Viện Khoa học tiến hóa và đa dạng sinh học Leibniz và không tham gia vào nghiên cứu mới. “Điều đặc biệt thú vị và thú vị về ví dụ này là các tác giả dường như đã xác định chính xác thời điểm mà bạn nhận được sự chia rẽ đó.”

Vì lý do đó, chiton “có khả năng sẽ được đưa vào sách giáo khoa về tiến hóa trong tương lai” như một ví dụ về quá trình tiến hóa phụ thuộc vào con đường, cho biết. Dan-Eric Nilsson, một nhà sinh thái học thị giác tại Đại học Lund ở Thụy Điển, người không tham gia nghiên cứu.

Chiton, loài động vật thân mềm nhỏ sống trên đá thủy triều và ở vùng biển sâu, giống như những chiếc bể nhỏ được bảo vệ bởi tám tấm vỏ - một cấu trúc cơ thể vẫn tương đối ổn định trong khoảng 300 triệu năm. Không chỉ là lớp giáp trơ, những tấm vỏ này còn được trang trí nhiều cơ quan cảm giác giúp chiton phát hiện các mối đe dọa có thể xảy ra.

Các cơ quan cảm giác có ba loại. Tất cả các chiton đều có tính thẩm mỹ, một thụ thể tổng hợp cực kỳ đồng bộ cho phép chúng cảm nhận được ánh sáng cũng như các tín hiệu hóa học và cơ học trong môi trường. Một số chiton cũng có hệ thống thị giác thích hợp: hàng nghìn đốm mắt cảm nhận ánh sáng hoặc hàng trăm mắt vỏ phức tạp hơn, có thấu kính và võng mạc để ghi lại những hình ảnh thô. Động vật có mắt vỏ có thể phát hiện những kẻ săn mồi đang rình rập, để phản ứng lại, chúng bám chặt vào đá.

Để hiểu loại mắt chiton này phát triển như thế nào, một nhóm các nhà nghiên cứu do Varney dẫn đầu đã xem xét mối liên hệ giữa hàng trăm loài chiton. Họ đã sử dụng một kỹ thuật gọi là thu thập exome để sắp xếp các phần DNA chiến lược từ các mẫu vật cũ trong bộ sưu tập DNA. Doug Eernisse, một chuyên gia về chiton tại Đại học bang California, Fullerton. Như đã nói, họ đã giải trình tự DNA từ hơn 100 loài được lựa chọn cẩn thận để thể hiện toàn bộ sự đa dạng của chiton, tập hợp phát sinh chủng loại toàn diện nhất (hoặc cây về các mối quan hệ tiến hóa) cho chiton cho đến nay.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã ánh xạ các loại mắt khác nhau vào cơ chế phát sinh loài. Các nhà nghiên cứu quan sát thấy bước đầu tiên trước khi phát triển mắt vỏ hoặc đốm mắt là sự gia tăng mật độ thẩm mỹ trên vỏ. Chỉ khi đó đôi mắt phức tạp hơn mới có thể xuất hiện. Mỗi đốm mắt và mắt vỏ đều tiến hóa hai lần riêng biệt trong suốt quá trình phát sinh loài - đại diện cho hai trường hợp tiến hóa hội tụ riêng biệt.

Varney nói: “Một cách độc lập, chiton đã tiến hóa mắt – và thông qua chúng, những gì chúng tôi nghĩ có thể giống như tầm nhìn không gian – bốn lần, điều này thực sự ấn tượng”. “Họ cũng tiến hóa cực kỳ nhanh chóng.” Các nhà nghiên cứu ước tính rằng trong chi tân nhiệt đới chiton, ví dụ, các đốm mắt đã tiến hóa chỉ trong vòng 7 triệu năm - một chớp mắt trong thời gian tiến hóa.

Kết quả làm các nhà nghiên cứu ngạc nhiên. “Tôi đã nghĩ rằng đó là một sự tiến hóa từng bước về độ phức tạp, đi từ thẩm mỹ đến hệ thống lỗ mắt rồi đến mắt vỏ - một sự tiến triển rất thỏa mãn,” nói Dan Speiser, một nhà sinh thái học thị giác tại Đại học Nam Carolina và là đồng tác giả của bài báo. “Thay vào đó, có nhiều con đường hướng tới tầm nhìn.”

Nhưng tại sao một số dòng dõi lại tiến hóa thành mắt vỏ chứ không phải đốm mắt? Trong sáu giờ lái xe từ một hội nghị ở Phoenix trở về Santa Barbara, Varney và Oakley bắt đầu phát triển giả thuyết rằng số lượng khe hở trên vỏ chiton có thể là chìa khóa cho sự tiến hóa của thị giác chiton.

Varney giải thích, tất cả các cấu trúc cảm nhận ánh sáng trên vỏ chiton đều được gắn với các dây thần kinh, đi qua các khe vỏ để kết nối với các dây thần kinh chính của cơ thể. Các khe này có chức năng như bộ phận tổ chức cáp, bó các tế bào thần kinh cảm giác lại với nhau. Nhiều khe hở hơn có nghĩa là nhiều lỗ hơn để dây thần kinh có thể chạy qua.

Điều đó xảy ra là số lượng khe hở là thông tin tiêu chuẩn được ghi lại bất cứ khi nào ai đó mô tả một loại chiton mới. Varney nói: “Thông tin đã có sẵn, nhưng không có bối cảnh phát sinh chủng loại để ánh xạ lại, nó không có bất kỳ ý nghĩa nào”. “Vì vậy, tôi đã đi xem xét cái này và bắt đầu nhìn thấy mô hình này.”

Varney đã quan sát thấy rằng hai lần, một cách độc lập, các dòng có 14 khe hở trở lên ở tấm đầu đã tiến hóa các đốm mắt. Và hai lần, độc lập, các dòng có 10 khe trở xuống tiến hóa mắt vỏ. Cô nhận ra rằng số lượng khe khóa cố định mà loại mắt có thể tiến hóa: Một chiton có hàng nghìn đốm mắt cần nhiều khe hơn, trong khi một chiton có hàng trăm mắt vỏ cần ít khe hơn. Nói tóm lại, số lượng khe vỏ quyết định sự tiến hóa của hệ thống thị giác của sinh vật.

Những phát hiện này dẫn đến một loạt câu hỏi mới. Một điều mà các nhà nghiên cứu đang tích cực điều tra là tại sao số lượng khe hở lại hạn chế loại mắt có thể tiến hóa. Để trả lời điều đó sẽ cần phải làm sáng tỏ mạch điện của dây thần kinh thị giác và cách chúng xử lý tín hiệu từ hàng trăm hoặc hàng nghìn con mắt.

Ngoài ra, mối quan hệ giữa loại mắt và số khe hở có thể được điều khiển không phải bởi nhu cầu thị giác mà bởi cách các tấm phát triển và lớn lên ở các dòng dõi khác nhau, Sumner-Rooney đề xuất. Các tấm vỏ phát triển từ tâm ra ngoài bằng cách bồi tụ, và các mắt được bổ sung trong suốt vòng đời của chiton khi phần rìa phát triển. Sumner-Rooney cho biết: “Đôi mắt cổ nhất là đôi mắt ở giữa con vật và đôi mắt gần đây nhất được thêm vào ở rìa. Là một chiton, “bạn có thể bắt đầu cuộc đời với 10 con mắt và kết thúc cuộc đời mình với 200 con mắt.”

Kết quả là, mép đang phát triển của tấm vỏ phải để lại lỗ cho mắt mới - nhiều lỗ nhỏ cho đốm mắt hoặc ít lỗ lớn hơn cho mắt vỏ. Quá nhiều hoặc quá lớn các lỗ có thể làm vỏ yếu đi đến mức dễ vỡ, do đó các yếu tố cấu trúc có thể hạn chế khả năng có mắt.

Nilsson cho biết vẫn còn nhiều điều cần khám phá về cách chiton nhìn thế giới, nhưng đồng thời, đôi mắt của chúng có khả năng trở thành ví dụ yêu thích mới của các nhà sinh vật học về quá trình tiến hóa phụ thuộc vào con đường. “Các ví dụ về sự phụ thuộc vào đường dẫn có thể được chứng minh thực sự rõ ràng, như trường hợp này [là], rất hiếm - mặc dù hiện tượng này không chỉ phổ biến mà đó là cách mọi thứ diễn ra tiêu chuẩn.”