thuha19051234
Pearl
Vào cuối thế kỷ 19, đã có nhiều câu chuyện buồn cười về những loài thực vật sát thủ xuất hiện ở khắp nơi. Đó là những cái cây khủng khiếp, có xúc tu ngoạm chặt và nuốt chửng những "du khách" không cẩn thận ở những vùng đất xa xôi nào đó vô tình đáp xuống. Những chuyên gia "khác người" đã nuôi những cây gọng vó và cây nắp ấm quái dị ngay trên miếng bít tết sống cho đến khi những sáng tạo "điên rồ" của họ quay lại và ăn luôn chúng.
Câu chuyện về cây sát thủ phổ biến vào cuối thế kỷ 19
Cho đến thời của Charles Darwin, hầu hết mọi người đều không thể tin việc thực vật ăn thịt động vật. Nó dường như đang chống lại quy luật tự nhiên. Động vật mới có thể di chuyển và tìm thức ăn, còn thực vật chính là thức ăn vì chúng chỉ có thể đứng yên. Nếu vô tình chúng bị làm hại, có thể chúng sẽ phát ra những tín hiệu tự vệ. Darwin đã dành 16 năm để thực hiện các thí nghiệm tỉ mỉ đã chứng minh điều ngược lại. Ông chỉ ra rằng lá của một số loài thực vật đã được biến đổi thành những cấu trúc khéo léo không chỉ bẫy côn trùng và các sinh vật nhỏ khác mà còn tiêu hóa chúng và hấp thụ chất dinh dưỡng tiết ra từ xác con mồi.
Năm 1875, Darwin xuất bản cuốn "Cây ăn côn trùng" kể chi tiết tất cả những gì ông khám phá được, đến năm 1880, ông xuất bản một cuốn sách "kinh dị" khác có tên "Sức mạnh của chuyển động trong thực vật". Việc nhận ra rằng thực vật có thể di chuyển cũng như giết người đã truyền cảm hứng cho không chỉ một thể loại truyện kinh dị cực kỳ phổ biến mà còn thúc đẩy nhiều thế hệ nhà sinh vật học mong muốn tìm hiểu những loài thực vật có thói quen khó xảy ra như vậy.
Ngày nay, các loài thực vật ăn thịt đang có một một thời khắc quan trọng khác khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm ra câu trả lời cho một trong những câu đố lớn chưa được giải đáp của giới thực vật học: Làm thế nào mà các loài thực vật có hoa lại tiến hóa thành những kẻ ăn thịt giết người?
Gần đây hơn, những tiến bộ khoa học phân tử đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu được các cơ chế chính làm nền tảng cho lối sống ăn thịt: chẳng hạn như cách một loài cây bắt ruồi có thể di chuyển nhanh như vậy, hay cách nó biến đổi thành "dạ dày" để ép côn trùng và sau đó đi vào "ruột" để hấp thụ những phần còn lại của con mồi. Những câu hỏi lớn vẫn là: Làm thế nào mà quá trình tiến hóa đã trang bị cho những loài "ăn kiêng" này phương tiện để ăn thịt?
Các hóa thạch để lại hầu như không cung cấp manh mối nào. Nhà vật lý sinh học Rainer Hedrich thuộc Đại học Würzburg ở Đức, người khám phá nguồn gốc của loài ăn thịt trong Tạp chí Sinh học Thực vật năm 2021 cho biết rằng "Những đổi mới trong công nghệ giải trình tự DNA giờ đây có nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể giải quyết câu hỏi theo cách khác, tìm kiếm các gen liên quan đến động vật ăn thịt, xác định thời điểm và vị trí các gen đó được bật và truy tìm nguồn gốc của chúng."
Hedrich cho biết, không có bằng chứng nào cho thấy thực vật ăn thịt có được bất kỳ thói quen "thú tính" nào của chúng bằng cách chiếm đoạt gen từ các nạn nhân động vật của chúng, mặc dù các gen đôi khi truyền từ loại sinh vật này sang loại sinh vật khác. Thay vào đó, một loạt các phát hiện gần đây chỉ ra sự đồng lựa chọn và thay thế lại các gen hiện có có chức năng lâu đời phổ biến ở các loài thực vật có hoa.
Victor Albert, một nhà sinh học bộ gen thực vật tại Đại học Buffalo, nói rằng "Sự tiến hóa là lén lút và linh hoạt. Trong quá trình tiến hóa, việc sử dụng lại một thứ gì đó đơn giản hơn là tạo ra một thứ gì đó mới."
Charles Darwin trồng cây gọng vó và các loại cây ăn thịt khác trong nhà kính
Ngày nay có khoảng 800 loài ăn thịt được biết đến. Một số loài, chẳng hạn như cây nắp ấm và nhiều loài gọng vó, là những loài thu nhận con mồi một cách thụ động, mặc dù chúng có khả năng thích nghi khéo léo như các vành trơn và những sợi lông có keo giúp đảm bảo bữa ăn. Một số loài gọng vó hoạt động tích cực hơn: một số có các tấm cong hướng về phía trong, hối thúc con mồi đi vào trung tâm của bẫy, trong khi một số cây có vòng ngoài gồm các xúc tu di chuyển nhanh ném nạn nhân đến chỗ chết. Tinh vi hơn cả cây bắt ruồi Venus với những sợi lông kích hoạt nhạy cảm và bẫy bắt mồi có thể phân biệt sự chạm vào của côn trùng với hạt mưa rơi hay chiếc lá vô tình bám vào chúng, ngoài ra chúng còn có thể phán đoán kích thước của con mồi và có phản ứng tương ứng.
Cây bắt ruồi Venus (Dionaea muscipula) là loài tinh vi nhất trong số các loài thực vật ăn thịt
Mặc dù có sự khác biệt lớn về hình dạng và phương thức bắt mỗi nhưng tất cả các bẫy của các loài thực vật này đều là lá hoặc các bộ phận của lá đã được biến đổi. Renner cho biết: “Điều đó có nghĩa là những cây này không chỉ lấy chất dinh dưỡng từ rễ mà còn từ một nguồn khác, bằng một con đường khác, chủ yếu qua lá hơn là rễ của chúng."
Để trả lời cho câu hỏi làm thế nào mà những chiếc lá này có thể thực hiện được những chức năng đặc biệt như vậy, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sự kết hợp của các kỹ thuật “omics” — genomics, transcriptomics và proteomics. Họ so sánh bộ gen của thực vật ăn thịt và không ăn thịt, sau đó giải trình tự các bản sao mã RNA mang các chỉ dẫn của gen để xem gen nào được kích hoạt ở đâu và khi nào, lập bảng kiểm kê protein để tìm ra loại mà bẫy tạo ra vào giờ ăn.
Quay trở lại những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng dịch tiêu hóa mà họ tìm thấy trong bẫy chứa các enzym hoạt động theo những cách rất giống với nhiều vũ khí hóa học mà thực vật sử dụng để chống lại vi khuẩn có hại, nấm và các loại côn trùng. Ban đầu, người ta không rõ liệu thực vật ăn thịt có tự tạo ra enzym hay không hay vi khuẩn sống trong bẫy của chúng đã tạo ra. Các nhà thực vật học đã xác nhận rằng các loài thực vật ăn thịt sản sinh ra nhiều loại enzyme đó và đã phát hiện ra thêm hàng chục loại enzyme khác nữa. Công nghệ giải trình tự nhanh và tiết kiệm chi phí ngày nay đã cho phép các nhà khoa học phân tử xác định nhiều gen mã hóa các enzym tiêu hóa này và theo dõi hoạt động của chúng khi thực vật bẫy và xử lý con mồi.
Danh sách các enzym bao gồm chitinase, có tác dụng phá vỡ chitin của bộ xương ngoài côn trùng; protease phân hủy thịt, phân hủy protein; và axit phosphatase màu tím, cho phép thực vật chiết xuất phốt pho có thể sử dụng được từ xác chết chưa được giải mã của "nạn nhân". Tất cả đều đóng vai trò trong việc bảo vệ phổ biến và cổ xưa của các loài thực vật có hoa. Albert cho biết: “Các gen của các enzym đó đã được thay thế khi thực vật bắt đầu ăn những thứ ban đầu để bảo vệ chúng. Chitinase rất có thể là để bảo vệ chống lại nấm, có chitin trong thành tế bào của chúng. Sau đó, sau khi động vật chân đốt tiến hóa, nó ăn chính những thành phần này. Các enzym tiêu hóa protein cũng giúp đẩy lùi những kẻ tấn công."
"Chiến thuật" thu hút và săn mồi của cây bắt ruồi
Xu hướng sử dụng và điều chỉnh các công cụ hiện có của quá trình tiến hóa đã vượt ra ngoài lĩnh vực tiêu hóa. Khi chitin, protein và DNA bị phá vỡ thành các phân tử nhỏ hơn, cái bẫy phải di chuyển chúng từ thế giới bên ngoài vào bên trong cây. Ở những loài thực vật bình thường, việc hấp thụ chất dinh dưỡng là công việc của rễ, nơi các protein vận chuyển liên tục đưa chúng từ đất vào cây. Tuy nhiên, Sönke Scherzer (đồng nghiệp của Hedrich) đã tìm thấy những protein đó hoạt động trong một chiếc lá của cây bắt ruồi Venus khi nó xử lý con mồi. Gần đây, ông xác định được các chất vận chuyển cho hai trong số các chất dinh dưỡng quan trọng nhất của thực vật là nitơ và kali. Dường như để cho phép một chiếc lá hấp thụ chất dinh dưỡng, sự tiến hóa đã chọn các gen rễ và đưa chúng hoạt động ở một nơi mới. Sự khác biệt và các gen vận chuyển luôn hoạt động trong rễ, nhưng trong bẫy, chúng chỉ được kích hoạt khi chất dinh dưỡng bắt đầu chảy ra từ con mồi đang phân hủy.
Một điều đáng ngạc nhiên chính là phát hiện ra rằng bất cứ khi nào và ở đâu một dòng sinh vật ăn thịt mới xuất hiện, quá trình tiến hóa hoạt động đều dựa trên các gen giống nhau. Nhóm nghiên cứu đã xác định được nhiều gen liên quan đến các khía cạnh khác nhau của thói quen ăn thịt của nó, từ cách cây thu hút con mồi đến cách giữ con mồi khó mà trốn thoát. Một bất ngờ lớn xảy ra khi họ tìm hiểu nguồn gốc của các enzym tiêu hóa trong Cephalotus và ba loài khác, không liên quan gồm: Nepenthes alata (một loại cây nắp ấm châu Á), cây nắp ấm Bắc Mỹ (Sarracenia purpurea) và cây gọng vó (Drosera adelae), chúng đã sắp xếp lại cùng một loại enzym cổ xưa — những enzym khớp với những enzym đã được xác định trước đây trong loài cây bắt ruồi Venus. Đây là những thực vật đại diện cho những dòng cây ăn thịt độc lập. Albert nói rằng đây là một trường hợp kinh điển của sự tiến hóa hội tụ, gợi ý rằng chỉ có những con đường hạn chế nhất định để trở thành một loài thực vật ăn thịt.
Loài nắp ấm bẫy con mồi trong những chiếc bình
Khi tìm hiểu kỹ hơn, Fukushima phát hiện ra rằng sự tiến hóa hội tụ vượt ra ngoài sự đồng chọn các gen giống nhau. Khi các enzym đã đảm nhận vai trò mới, liên quan đến ăn thịt, chúng tiếp tục phát triển, hoán đổi một số axit amin của chúng cho những axit khác để cải thiện hiệu quả làm việc, có thể là bằng cách kéo dài hoạt động của chúng trong một "hầm" chứa các hóa chất phá hủy protein. Fukushima đã tìm thấy sự thay thế axit amin rất giống nhau ở các loài thực vật không liên quan.
Chuỗi sự kiện xảy ra trong cái bẫy trên cây và quá trình tiêu hóa đã được nghiên cứu chi tiết với loài cây bắt ruồi Venus. Nếu một con côn trùng không cẩn thận bám vào một trong những cái bẫy của chúng và chạm vào một sợi lông trên đó, nó sẽ kích hoạt những tín hiệu điện, nếu nó tiếp tục chạm vào những sợi lông khác, cây sẽ nhận ra nó đích thị là con mỗi chứ không phải chỉ là một chiếc lá hay vật vô tri khác bám vào, sau đó bẫy sẽ ngay lập tức đóng lại.
Một con muỗi bị mắc kẹt bởi những chiếc lá dính của cây Butterworts
Khi côn trùng vật lộn để trốn thoát và tạo ra nhiều tín hiệu điện hơn, cái bẫy trên cây cũng bắt đầu sản xuất ra các chất hóa học gọi là jasmonate, cung cấp tín hiệu để niêm phong các cạnh của cái bẫy và bắt đầu lấp đầy nó bằng các enzym. Khi xác côn trùng bị phân hủy, cái bẫy sẽ hấp thụ enzyme của nó và bắt đầu sản xuất các chất vận chuyển chất dinh dưỡng, vẫn dưới sự kiểm soát của jasmonates. Đó là hành vi "ăn cắp" trực tiếp từ hệ thống phòng thủ của thực vật, hệ thống phản ứng với sự tấn công của côn trùng bằng cách gửi tín hiệu điện để báo động ở các tế bào lân cận - hệ thống này sau đó tổng hợp jasmonate, sau đó kích hoạt sản xuất các protein phòng thủ.
Cách thức này phổ biến ở tất cả các loài thực vật có hoa, phản ứng phòng vệ jasmonate chính là tiêu chí hàng đầu để "tuyển dụng" những loài cây này vào danh sách những loài ăn thịt phổ biến nhất. Renner nói “kỳ vọng ban đầu của chúng tôi là quy trình kiểm soát có thể giống nhau ở tất cả các loài cây ăn thịt. Và nó thực sự giống nhau đối với cây nắp ấm Nepenthes, cây gọng vó cũng như cây bắt ruồi, nhưng ba thứ đó thuộc cùng một danh sách thực vật, vì vậy điều đó không hoàn toàn đáng ngạc nhiên."
Nghiên cứu xa hơn một chút đến loài Butterworts (Pinguicula) là loài thực vật có hình dáng đẹp với những chiếc lá hình hoa thị nhỏ được bao phủ bởi các tuyến nhỏ tiết ra chất nhầy dính và các enzym tiêu hóa. Hầu hết các loài butterwort hoàn toàn thụ động, mặc dù một số ít có thể cuộn mép lá vào trong che phủ nhiều côn trùng hơn trong lớp áo gây chết người. Vào năm 2020, butterwort bắt đầu thu hút nhiều sự chú ý hơn từ các nhà nghiên cứu.
Các nhà khoa học phát hiện ra rằng khi họ cho butterwort ăn uống "hào phóng", chúng phản ứng bằng cách tạo ra các enzym, nhiều trong số chúng giống với các enzym được xác định ở các loài thực vật ăn thịt khác. Nhưng khi nói đến vai trò của jasmonates trong việc chuyển đổi sản xuất enzyme, câu chuyện lại rất khác. Giống như ở các loài thực vật có hoa khác, jasmonate điều phối khả năng bảo vệ của loài butterwort để chống lại kẻ thù của nó. Sau đó họ tiếp tục dùng kim đâm vào lá 10 hoặc 15 lần để bắt chước sự tấn công của côn trùng, cho thấy cây đã tạo ra một lượng lớn jasmonate trong lá. Nhóm nghiên cứu cũng đã thử một chiến thuật khác, phun jasmonate trực tiếp lên lá ở loài cây bắt ruồi và cây gọng vó, chúng tạo ra một lượng lớn các enzym tiêu hóa.
Vì vậy có thể thấy butterworts đã thực hiện nhiều công việc khác nhau, nhưng chính xác là những gì thì các nghiên cứu vẫn chưa khám phá được. Renner nói: “Butterworts đã khiến chúng tôi phải vò đầu bứt tai. Câu hỏi đặt ra là, có bao nhiêu loài thực vật ăn thịt khác đã tìm ra cách riêng của chúng?"
Nếu Darwin có mặt ở đây hôm nay, chắc chắn ông sẽ giải quyết được những bí ẩn còn lại về “những loài thực vật tuyệt vời nhất” trong danh sách của mình. Mặc dù có thể Darwin sẽ không nhận ra những kỹ thuật mà các nhà điều tra hiện đại sử dụng và sẽ ngạc nhiên trước số lượng dữ liệu có thể được xử lý trong vài giây, nhưng anh ấy sẽ dùng một nền tảng quen thuộc để kiểm tra các lý thuyết một cách hợp lý nhất. Renner nói: “Sắp xếp trình tự bộ gen, đếm và phân tích gen là không đủ. Bạn vẫn phải thực hiện các thí nghiệm để tìm hiểu xem gen làm gì và hoạt động như thế nào”.
Nguồn arstechnica
Thực vật ăn thịt đã được nghiên cứu cách đây hàng trăm năm
Nhà khoa học trẻ Arthur Conan Doyle đã tiếp cận gần hơn với loại cây bắt ruồi Venus - một trong những loài thực vật ăn thịt - dựa trên những khám phá hoàn toàn mới. Ông đã mô tả chính xác những chiếc bẫy hai thùy, cách chúng bắt côn trùng và cách chúng tiêu hóa con mồi kỹ lưỡng như thế nào. Ngay cả những di chuyển của nó cũng có phạm vi lớn đến mức khó tin, đủ lớn để có thể tiêu thụ cả một con người. Loài thực vật ăn thịt động vật, và cả thịt người đã xuất hiện trong thời điểm này.
Cho đến thời của Charles Darwin, hầu hết mọi người đều không thể tin việc thực vật ăn thịt động vật. Nó dường như đang chống lại quy luật tự nhiên. Động vật mới có thể di chuyển và tìm thức ăn, còn thực vật chính là thức ăn vì chúng chỉ có thể đứng yên. Nếu vô tình chúng bị làm hại, có thể chúng sẽ phát ra những tín hiệu tự vệ. Darwin đã dành 16 năm để thực hiện các thí nghiệm tỉ mỉ đã chứng minh điều ngược lại. Ông chỉ ra rằng lá của một số loài thực vật đã được biến đổi thành những cấu trúc khéo léo không chỉ bẫy côn trùng và các sinh vật nhỏ khác mà còn tiêu hóa chúng và hấp thụ chất dinh dưỡng tiết ra từ xác con mồi.
Năm 1875, Darwin xuất bản cuốn "Cây ăn côn trùng" kể chi tiết tất cả những gì ông khám phá được, đến năm 1880, ông xuất bản một cuốn sách "kinh dị" khác có tên "Sức mạnh của chuyển động trong thực vật". Việc nhận ra rằng thực vật có thể di chuyển cũng như giết người đã truyền cảm hứng cho không chỉ một thể loại truyện kinh dị cực kỳ phổ biến mà còn thúc đẩy nhiều thế hệ nhà sinh vật học mong muốn tìm hiểu những loài thực vật có thói quen khó xảy ra như vậy.
Ngày nay, các loài thực vật ăn thịt đang có một một thời khắc quan trọng khác khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm ra câu trả lời cho một trong những câu đố lớn chưa được giải đáp của giới thực vật học: Làm thế nào mà các loài thực vật có hoa lại tiến hóa thành những kẻ ăn thịt giết người?
Những nghiên cứu với kết quả rõ ràng hơn
Kể từ sau khám phá của Darwin, các nhà thực vật học, sinh thái học, côn trùng học, sinh lý học và sinh học phân tử đã khám phá mọi khía cạnh của những loài thực vật có thể dìm con mồi trong những chiếc bình chứa đầy chất lỏng của chúng, sau đó cố định chúng bằng những chiếc lá có chất dính hoặc giam chúng trong bẫy chụp nhanh và bẫy hút dưới nước. Họ cũng đã trình bày chi tiết những gì cây bắt được và cách thức thực hiện, cộng với một số lợi ích và chi phí của lối sống kỳ quặc của của chúng.Gần đây hơn, những tiến bộ khoa học phân tử đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu được các cơ chế chính làm nền tảng cho lối sống ăn thịt: chẳng hạn như cách một loài cây bắt ruồi có thể di chuyển nhanh như vậy, hay cách nó biến đổi thành "dạ dày" để ép côn trùng và sau đó đi vào "ruột" để hấp thụ những phần còn lại của con mồi. Những câu hỏi lớn vẫn là: Làm thế nào mà quá trình tiến hóa đã trang bị cho những loài "ăn kiêng" này phương tiện để ăn thịt?
Các hóa thạch để lại hầu như không cung cấp manh mối nào. Nhà vật lý sinh học Rainer Hedrich thuộc Đại học Würzburg ở Đức, người khám phá nguồn gốc của loài ăn thịt trong Tạp chí Sinh học Thực vật năm 2021 cho biết rằng "Những đổi mới trong công nghệ giải trình tự DNA giờ đây có nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể giải quyết câu hỏi theo cách khác, tìm kiếm các gen liên quan đến động vật ăn thịt, xác định thời điểm và vị trí các gen đó được bật và truy tìm nguồn gốc của chúng."
Hedrich cho biết, không có bằng chứng nào cho thấy thực vật ăn thịt có được bất kỳ thói quen "thú tính" nào của chúng bằng cách chiếm đoạt gen từ các nạn nhân động vật của chúng, mặc dù các gen đôi khi truyền từ loại sinh vật này sang loại sinh vật khác. Thay vào đó, một loạt các phát hiện gần đây chỉ ra sự đồng lựa chọn và thay thế lại các gen hiện có có chức năng lâu đời phổ biến ở các loài thực vật có hoa.
Victor Albert, một nhà sinh học bộ gen thực vật tại Đại học Buffalo, nói rằng "Sự tiến hóa là lén lút và linh hoạt. Trong quá trình tiến hóa, việc sử dụng lại một thứ gì đó đơn giản hơn là tạo ra một thứ gì đó mới."
Thực vật ăn thịt đã tiến hóa như thế nào
Tuy nhiên, dù rất kỳ quặc, nhưng các loài ăn thịt đã phát triển liên tục trong hơn 140 triệu năm mà các loài thực vật có hoa đã tồn tại. Tanya Renner, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Penn State , cho biết sự thích nghi đã phát sinh độc lập ít nhất 12 lần. Mỗi lần, động lực cho sự tiến hóa là đều giống nhau: đó chính là nhu cầu tìm kiếm một nguồn thay thế các chất dinh dưỡng quan trọng. Thực vật ăn thịt mọc ở đầm lầy, trong các vùng nước nghèo dinh dưỡng hoặc trên đất mỏng nhiệt đới, đó là các môi trường sống thiếu nitơ và phốt pho cần thiết cho sự phát triển. Các loại côn trùng nhiều protein và các động vật không xương sống nhỏ khác là nguồn thức ăn phong phú cho các thực vật ăn thịt này, kết hợp các yếu tố khác mà cây trồng cần để phát triển. Hedrich nói: “Một cây bắt ruồi Venus có thể sống trong ba tuần trên một con côn trùng lớn. Nếu nó bắt được nhiều côn trùng, nó sẽ tạo ra nhiều lá hơn và nhiều bẫy hơn”. Cây bắt ruồi thu hút côn trùng bằng cách chuyển màu, tỏa ra hương hoa và tạo ra mật hoa ngọt ngào xung quanh vành bẫy. Khi con mồi tiếp đất, nó bắt đầu chuyển động một chuỗi các sự kiện để cung cấp cho cây những chất dinh dưỡng thiếu trong môi trường sống sa lầy của nó.Ngày nay có khoảng 800 loài ăn thịt được biết đến. Một số loài, chẳng hạn như cây nắp ấm và nhiều loài gọng vó, là những loài thu nhận con mồi một cách thụ động, mặc dù chúng có khả năng thích nghi khéo léo như các vành trơn và những sợi lông có keo giúp đảm bảo bữa ăn. Một số loài gọng vó hoạt động tích cực hơn: một số có các tấm cong hướng về phía trong, hối thúc con mồi đi vào trung tâm của bẫy, trong khi một số cây có vòng ngoài gồm các xúc tu di chuyển nhanh ném nạn nhân đến chỗ chết. Tinh vi hơn cả cây bắt ruồi Venus với những sợi lông kích hoạt nhạy cảm và bẫy bắt mồi có thể phân biệt sự chạm vào của côn trùng với hạt mưa rơi hay chiếc lá vô tình bám vào chúng, ngoài ra chúng còn có thể phán đoán kích thước của con mồi và có phản ứng tương ứng.
Mặc dù có sự khác biệt lớn về hình dạng và phương thức bắt mỗi nhưng tất cả các bẫy của các loài thực vật này đều là lá hoặc các bộ phận của lá đã được biến đổi. Renner cho biết: “Điều đó có nghĩa là những cây này không chỉ lấy chất dinh dưỡng từ rễ mà còn từ một nguồn khác, bằng một con đường khác, chủ yếu qua lá hơn là rễ của chúng."
Để trả lời cho câu hỏi làm thế nào mà những chiếc lá này có thể thực hiện được những chức năng đặc biệt như vậy, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sự kết hợp của các kỹ thuật “omics” — genomics, transcriptomics và proteomics. Họ so sánh bộ gen của thực vật ăn thịt và không ăn thịt, sau đó giải trình tự các bản sao mã RNA mang các chỉ dẫn của gen để xem gen nào được kích hoạt ở đâu và khi nào, lập bảng kiểm kê protein để tìm ra loại mà bẫy tạo ra vào giờ ăn.
Cần có những nghiên cứu mới cho các gen cũ
Nhiều đặc điểm của lối sống ăn thịt vẫn còn giữ những bí mật trong quá trình di truyền của chúng. Nhưng các nghiên cứu về hai trong số các yếu tố ghê rợn hơn của nó - gồm tiêu hóa và hấp thụ - đang tiết lộ cách mà quá trình tiến hóa đã sắp xếp lại các gen hiện có, đưa một số hoạt động ở những nơi mới và mang lại cho những loài khác những chức năng mới và những tinh chỉnh kỳ lạ để chúng phù hợp hơn với vai trò mới của mình. Trong rất nhiều trường hợp, các cây ăn thịt tiến hóa hoàn toàn độc lập đã hoán vị lại các gen giống nhau. Đối mặt với vấn đề tiêu thụ thịt, tất cả chúng đều có cùng một giải pháp, và trung tâm của sự chuyển đổi chính là hệ thống phòng thủ lâu đời của thực vật.Quay trở lại những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng dịch tiêu hóa mà họ tìm thấy trong bẫy chứa các enzym hoạt động theo những cách rất giống với nhiều vũ khí hóa học mà thực vật sử dụng để chống lại vi khuẩn có hại, nấm và các loại côn trùng. Ban đầu, người ta không rõ liệu thực vật ăn thịt có tự tạo ra enzym hay không hay vi khuẩn sống trong bẫy của chúng đã tạo ra. Các nhà thực vật học đã xác nhận rằng các loài thực vật ăn thịt sản sinh ra nhiều loại enzyme đó và đã phát hiện ra thêm hàng chục loại enzyme khác nữa. Công nghệ giải trình tự nhanh và tiết kiệm chi phí ngày nay đã cho phép các nhà khoa học phân tử xác định nhiều gen mã hóa các enzym tiêu hóa này và theo dõi hoạt động của chúng khi thực vật bẫy và xử lý con mồi.
Danh sách các enzym bao gồm chitinase, có tác dụng phá vỡ chitin của bộ xương ngoài côn trùng; protease phân hủy thịt, phân hủy protein; và axit phosphatase màu tím, cho phép thực vật chiết xuất phốt pho có thể sử dụng được từ xác chết chưa được giải mã của "nạn nhân". Tất cả đều đóng vai trò trong việc bảo vệ phổ biến và cổ xưa của các loài thực vật có hoa. Albert cho biết: “Các gen của các enzym đó đã được thay thế khi thực vật bắt đầu ăn những thứ ban đầu để bảo vệ chúng. Chitinase rất có thể là để bảo vệ chống lại nấm, có chitin trong thành tế bào của chúng. Sau đó, sau khi động vật chân đốt tiến hóa, nó ăn chính những thành phần này. Các enzym tiêu hóa protein cũng giúp đẩy lùi những kẻ tấn công."
Xu hướng sử dụng và điều chỉnh các công cụ hiện có của quá trình tiến hóa đã vượt ra ngoài lĩnh vực tiêu hóa. Khi chitin, protein và DNA bị phá vỡ thành các phân tử nhỏ hơn, cái bẫy phải di chuyển chúng từ thế giới bên ngoài vào bên trong cây. Ở những loài thực vật bình thường, việc hấp thụ chất dinh dưỡng là công việc của rễ, nơi các protein vận chuyển liên tục đưa chúng từ đất vào cây. Tuy nhiên, Sönke Scherzer (đồng nghiệp của Hedrich) đã tìm thấy những protein đó hoạt động trong một chiếc lá của cây bắt ruồi Venus khi nó xử lý con mồi. Gần đây, ông xác định được các chất vận chuyển cho hai trong số các chất dinh dưỡng quan trọng nhất của thực vật là nitơ và kali. Dường như để cho phép một chiếc lá hấp thụ chất dinh dưỡng, sự tiến hóa đã chọn các gen rễ và đưa chúng hoạt động ở một nơi mới. Sự khác biệt và các gen vận chuyển luôn hoạt động trong rễ, nhưng trong bẫy, chúng chỉ được kích hoạt khi chất dinh dưỡng bắt đầu chảy ra từ con mồi đang phân hủy.
Con đường chung của tất cả những loài cây ăn thịt
"Đồng lựa chọn" chính là một động lực quan trọng của sự đổi mới tiến hóa và thường bắt đầu với sự sao chép ngẫu nhiên của các gen trong quá trình phân chia tế bào. Hầu hết các gen sao chép không phục vụ mục đích và cuối cùng bị mất, tuy nhiên, nếu các gen dự phòng có được các đột biến hữu ích, điều đó có thể mở đường cho sự thay đổi chức năng. Albert nói: “Sự sao chép của các gen luôn xảy ra và đôi khi nó có tính thích nghi cao. Đây dường như là cách mà các loài thực vật ăn thịt phát triển khả năng ăn thịt của chúng — ít nhất là đối với những gen đã được kiểm tra cho đến nay."Một điều đáng ngạc nhiên chính là phát hiện ra rằng bất cứ khi nào và ở đâu một dòng sinh vật ăn thịt mới xuất hiện, quá trình tiến hóa hoạt động đều dựa trên các gen giống nhau. Nhóm nghiên cứu đã xác định được nhiều gen liên quan đến các khía cạnh khác nhau của thói quen ăn thịt của nó, từ cách cây thu hút con mồi đến cách giữ con mồi khó mà trốn thoát. Một bất ngờ lớn xảy ra khi họ tìm hiểu nguồn gốc của các enzym tiêu hóa trong Cephalotus và ba loài khác, không liên quan gồm: Nepenthes alata (một loại cây nắp ấm châu Á), cây nắp ấm Bắc Mỹ (Sarracenia purpurea) và cây gọng vó (Drosera adelae), chúng đã sắp xếp lại cùng một loại enzym cổ xưa — những enzym khớp với những enzym đã được xác định trước đây trong loài cây bắt ruồi Venus. Đây là những thực vật đại diện cho những dòng cây ăn thịt độc lập. Albert nói rằng đây là một trường hợp kinh điển của sự tiến hóa hội tụ, gợi ý rằng chỉ có những con đường hạn chế nhất định để trở thành một loài thực vật ăn thịt.
Khi tìm hiểu kỹ hơn, Fukushima phát hiện ra rằng sự tiến hóa hội tụ vượt ra ngoài sự đồng chọn các gen giống nhau. Khi các enzym đã đảm nhận vai trò mới, liên quan đến ăn thịt, chúng tiếp tục phát triển, hoán đổi một số axit amin của chúng cho những axit khác để cải thiện hiệu quả làm việc, có thể là bằng cách kéo dài hoạt động của chúng trong một "hầm" chứa các hóa chất phá hủy protein. Fukushima đã tìm thấy sự thay thế axit amin rất giống nhau ở các loài thực vật không liên quan.
"Chiến thuật" săn mồi và tiêu hóa độc đáo
Các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá các loài ăn thịt và xác định thêm nhiều loại enzym khác. Renner, người đứng đầu một cuộc điều tra lớn về vai trò của đồng lựa chọn trong việc tạo ra những người ăn thịt, cho biết rằng "Nhưng hết lần này đến lần khác, chúng tôi nhận thấy rằng chúng có các chức năng tương tự đối với các loài có quan hệ họ hàng xa. Tuy nhiên, trong khi điều đó củng cố ý tưởng rằng thực vật ăn thịt có kỹ năng tiêu hóa mới theo cách tương tự, ngày càng có nhiều nghi ngờ rằng điều đó có thể không đúng với cơ chế tất cả quan trọng kiểm soát toàn bộ hoạt động bằng cách chuyển đổi các gen phù hợp."Chuỗi sự kiện xảy ra trong cái bẫy trên cây và quá trình tiêu hóa đã được nghiên cứu chi tiết với loài cây bắt ruồi Venus. Nếu một con côn trùng không cẩn thận bám vào một trong những cái bẫy của chúng và chạm vào một sợi lông trên đó, nó sẽ kích hoạt những tín hiệu điện, nếu nó tiếp tục chạm vào những sợi lông khác, cây sẽ nhận ra nó đích thị là con mỗi chứ không phải chỉ là một chiếc lá hay vật vô tri khác bám vào, sau đó bẫy sẽ ngay lập tức đóng lại.
Khi côn trùng vật lộn để trốn thoát và tạo ra nhiều tín hiệu điện hơn, cái bẫy trên cây cũng bắt đầu sản xuất ra các chất hóa học gọi là jasmonate, cung cấp tín hiệu để niêm phong các cạnh của cái bẫy và bắt đầu lấp đầy nó bằng các enzym. Khi xác côn trùng bị phân hủy, cái bẫy sẽ hấp thụ enzyme của nó và bắt đầu sản xuất các chất vận chuyển chất dinh dưỡng, vẫn dưới sự kiểm soát của jasmonates. Đó là hành vi "ăn cắp" trực tiếp từ hệ thống phòng thủ của thực vật, hệ thống phản ứng với sự tấn công của côn trùng bằng cách gửi tín hiệu điện để báo động ở các tế bào lân cận - hệ thống này sau đó tổng hợp jasmonate, sau đó kích hoạt sản xuất các protein phòng thủ.
Cách thức này phổ biến ở tất cả các loài thực vật có hoa, phản ứng phòng vệ jasmonate chính là tiêu chí hàng đầu để "tuyển dụng" những loài cây này vào danh sách những loài ăn thịt phổ biến nhất. Renner nói “kỳ vọng ban đầu của chúng tôi là quy trình kiểm soát có thể giống nhau ở tất cả các loài cây ăn thịt. Và nó thực sự giống nhau đối với cây nắp ấm Nepenthes, cây gọng vó cũng như cây bắt ruồi, nhưng ba thứ đó thuộc cùng một danh sách thực vật, vì vậy điều đó không hoàn toàn đáng ngạc nhiên."
Nghiên cứu xa hơn một chút đến loài Butterworts (Pinguicula) là loài thực vật có hình dáng đẹp với những chiếc lá hình hoa thị nhỏ được bao phủ bởi các tuyến nhỏ tiết ra chất nhầy dính và các enzym tiêu hóa. Hầu hết các loài butterwort hoàn toàn thụ động, mặc dù một số ít có thể cuộn mép lá vào trong che phủ nhiều côn trùng hơn trong lớp áo gây chết người. Vào năm 2020, butterwort bắt đầu thu hút nhiều sự chú ý hơn từ các nhà nghiên cứu.
Các nhà khoa học phát hiện ra rằng khi họ cho butterwort ăn uống "hào phóng", chúng phản ứng bằng cách tạo ra các enzym, nhiều trong số chúng giống với các enzym được xác định ở các loài thực vật ăn thịt khác. Nhưng khi nói đến vai trò của jasmonates trong việc chuyển đổi sản xuất enzyme, câu chuyện lại rất khác. Giống như ở các loài thực vật có hoa khác, jasmonate điều phối khả năng bảo vệ của loài butterwort để chống lại kẻ thù của nó. Sau đó họ tiếp tục dùng kim đâm vào lá 10 hoặc 15 lần để bắt chước sự tấn công của côn trùng, cho thấy cây đã tạo ra một lượng lớn jasmonate trong lá. Nhóm nghiên cứu cũng đã thử một chiến thuật khác, phun jasmonate trực tiếp lên lá ở loài cây bắt ruồi và cây gọng vó, chúng tạo ra một lượng lớn các enzym tiêu hóa.
Vì vậy có thể thấy butterworts đã thực hiện nhiều công việc khác nhau, nhưng chính xác là những gì thì các nghiên cứu vẫn chưa khám phá được. Renner nói: “Butterworts đã khiến chúng tôi phải vò đầu bứt tai. Câu hỏi đặt ra là, có bao nhiêu loài thực vật ăn thịt khác đã tìm ra cách riêng của chúng?"
Nếu Darwin có mặt ở đây hôm nay, chắc chắn ông sẽ giải quyết được những bí ẩn còn lại về “những loài thực vật tuyệt vời nhất” trong danh sách của mình. Mặc dù có thể Darwin sẽ không nhận ra những kỹ thuật mà các nhà điều tra hiện đại sử dụng và sẽ ngạc nhiên trước số lượng dữ liệu có thể được xử lý trong vài giây, nhưng anh ấy sẽ dùng một nền tảng quen thuộc để kiểm tra các lý thuyết một cách hợp lý nhất. Renner nói: “Sắp xếp trình tự bộ gen, đếm và phân tích gen là không đủ. Bạn vẫn phải thực hiện các thí nghiệm để tìm hiểu xem gen làm gì và hoạt động như thế nào”.
Nguồn arstechnica
