Giải mã cách động vật cổ đại chuyển đổi từ sống dưới nước sang trên cạn

Các nhà nghiên cứu vừa giải trình tự toàn bộ bộ gene của loài cá phổi Úc (Neoceratodus forsteri) đang bị đe dọa.

Cá phổi Úc cũng là loài có bộ gene động vật lớn nhất được biết đến, lớn gấp 14 lần kích thước của con người.

Để làm được điều này đòi hỏi các kỹ thuật giải trình tự DNA mới và sức mạnh tính toán khổng lồ để ghép lại với nhau một lượng khổng lồ 43 tỷ nucleotide.

"Khi bạn nhìn nó từ góc độ bộ gene, cá phổi là loài nằm giữa cá và động vật có xương sống trên cạn về mặt gene", nhà sinh vật học Siegfried Schloissnig từ Viện Nghiên cứu Bệnh học Phân tử (IMP) ở Áo cho biết.

Cá phổi Úc cũng là loài có bộ gene động vật lớn nhất được biết đến.

Trong số sáu loài cá phổi vẫn còn sống, bốn loài ở châu Phi, một loài ở Nam Mỹ và một loài ở Úc. Chúng xuất hiện lần đầu tiên trong hồ sơ hóa thạch 400 triệu năm trước.

Loài cá phổi ở Úc này vẫn giữ được những đặc điểm của tổ tiên nhất và bị phân loại nhầm là động vật lưỡng cư khi lần đầu tiên được phát hiện, do sự pha trộn kỳ lạ giữa cá và sa giông, bao gồm cả vây thùy kỳ dị giống chân của nó. Những "hóa thạch sống" kỳ lạ ở giữa các loài này có thể sống tới 100 năm.

Cá phổi Úc vẫn giữ được các đặc điểm gần giống với hóa thạch của các loài tổ tiên 100 triệu năm tuổi hiện đã tuyệt chủng của chúng.

Trong bộ gene khổng lồ của cá phổi Úc có chứa manh mối về cách động vật thực hiện quá trình chuyển đổi từ sống dưới nước sang trên cạn.

Các nhà nghiên cứu thậm chí đã xác định được các gene tương tự chịu trách nhiệm cho sự phát triển phôi thai của chúng ta đã có ở cá phổi, cũng như các xương cánh tay và gene mã hóa chúng. Các gene tạo hình chi của Tetrapod như hox-c13 và sal1 chưa từng được thấy trước đây ở cá.

Nhóm nghiên cứu nhận định, những điều mới lạ như vậy có thể đã khiến cá có vây thùy chinh phục đất liền, chứng tỏ bộ gene của cá phổi có thể góp phần hiểu rõ hơn về quá trình chuyển đổi quan trọng này trong quá trình tiến hóa của động vật có xương sống.

Các nhà nghiên cứu cũng tìm thấy những bổ sung lớn đối với gene của cá phổi liên quan đến mùi. Những gene này mã hóa các thụ thể mùi trong không khí, trong khi các nhóm thụ thể mùi hương trong nước bị thu hẹp lại.

Nhiều gene thừa tạo ra bộ gene khổng lồ của chúng phát sinh thông qua các đoạn DNA được sao chép. Một số nhiễm sắc thể của cá phổi chứa nhiều nucleotide như toàn bộ bộ gene của chúng ta.

Hình thức mở rộng bộ gene thông qua các bản sao này được biết đến là động lực quan trọng của quá trình tiến hóa, với bằng chứng cho thấy nó giúp cung cấp cho sinh vật khả năng thích nghi nhanh chóng với môi trường thay đổi.

Cá phổi Úc hiện đang bị đe dọa bởi các hoạt động của con người làm thay đổi môi trường sống nước ngọt của chúng. Loài này săn bắt ếch, giun và ốc sên, cũng như gặm nhấm thực vật dưới nước. Nó thường dựa vào mang để thở, nhưng lá phổi đơn cũng cho phép cá phổi nổi lên mặt nước để tìm không khí trong lành khi điều kiện khô hạn làm giảm môi trường nước của chúng.

"Không còn nghi ngờ gì nữa, bộ gene mới được giải mã của các phổi Úc sẽ tiết lộ nhiều bí mật hơn về loài động vật có xương sống kỳ lạ này trong tương lai. Nó không chỉ có thể dạy cho chúng ta những điều về sự thích nghi với cuộc sống trên cạn mà còn có thể giải thích cách một số bộ gene nhất định tiến hóa để trở nên lớn như vậy", nhà di truyền học tế bào IMP, Elly Tanaka cho biết.