(Ảnh minh họa: AI)
Nam Cực là một trong những khu vực lạnh và khô hạn nhất hành tinh, nơi nhiệt độ cực thấp, mùa Đông kéo dài trong bóng tối và nguồn dinh dưỡng hết sức khan hiếm. Tuy nhiên, bên dưới vẻ ngoài gần như không có sự sống của lục địa băng giá này vẫn tồn tại những cộng đồng vi sinh vật đa dạng với khả năng thích nghi đặc biệt.
Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications, các nhà khoa học thuộc Đại học Monash đã phân tích bộ gene của 676 loài vi sinh vật và phát hiện khoảng 98% số loài được nghiên cứu có bằng chứng về việc trao đổi gene với các vi sinh vật khác. Đáng chú ý, hoạt động này diễn ra ngay cả giữa những loài có quan hệ tiến hóa xa nhau. Cơ chế trên được gọi là "chuyển gene ngang" - quá trình một sinh vật tiếp nhận vật liệu di truyền từ sinh vật khác mà không thông qua quan hệ bố mẹ - con cái. Theo nhóm nghiên cứu, khả năng trao đổi các "công cụ di truyền" hữu ích có thể là một trong những chìa khóa giúp vi sinh vật tồn tại trong môi trường khắc nghiệt của Nam Cực.
Trong số những gene thường xuyên được trao đổi, các gene liên quan đến sản xuất năng lượng đặc biệt phổ biến. Nổi bật là những gene cho phép vi sinh vật khai thác một lượng rất nhỏ các loại khí có trong khí quyển, như hydro và cacbon monoxit, để tạo ra năng lượng. Quá trình này được gọi là "aerotrophy", có thể hiểu là khả năng khai thác các chất khí trong không khí để đáp ứng nhu cầu năng lượng. Trong phần lớn các môi trường trên Trái Đất, cơ chế này có thể đóng vai trò như một nguồn năng lượng dự phòng, giúp vi khuẩn tồn tại khi những nguồn lực khác, chẳng hạn thức ăn hoặc ánh sáng Mặt Trời, trở nên khan hiếm.
Tuy nhiên, tại Nam Cực, cơ chế "sống nhờ không khí" dường như giữ vai trò thiết yếu đối với hoạt động sống thường ngày của nhiều loài vi sinh vật. Theo nghiên cứu, những gene phục vụ quá trình này đã nhiều lần được truyền giữa các loài vi sinh vật khác nhau, kể cả những loài có quan hệ họ hàng xa. Các nhà khoa học cho rằng việc các gene này xuất hiện rộng rãi cho thấy chuyển gene ngang đóng vai trò quan trọng trong quá trình thích nghi với điều kiện thiếu dinh dưỡng nghiêm trọng tại Nam Cực.
Khác với con người và nhiều sinh vật đa bào chủ yếu truyền thông tin di truyền cho thế hệ sau thông qua cơ chế chuyển gene dọc, vi sinh vật có thể trao đổi gene theo nhiều cách. Một trong số đó là hấp thụ ADN tự do trong môi trường, thường có nguồn gốc từ các tế bào đã chết. Vi sinh vật cũng có thể nhận ADN thông qua những cấu trúc kết nối cực nhỏ được hình thành tạm thời giữa các tế bào. Một con đường khác là thông qua virus: trong quá trình lây nhiễm từ tế bào này sang tế bào khác, virus có thể vô tình mang theo một phần ADN của vật chủ trước đó và chuyển vật liệu di truyền này sang tế bào mới.
Tuy nhiên, việc tiếp nhận một gene mới không đồng nghĩa gene đó sẽ tồn tại lâu dài trong quần thể. Theo nhóm nghiên cứu, sau khi một vi sinh vật có được vật liệu di truyền mới, gene này phải chứng minh được lợi ích đối với vật chủ. Nếu gene được chuyển giao giúp tăng khả năng thích nghi và sinh tồn, chọn lọc tự nhiên có thể khiến nó nhanh chóng trở nên phổ biến trong quần thể. Ngược lại, những gene gây bất lợi hoặc không còn đem lại lợi ích sẽ dần bị loại bỏ.
Qua nhiều thế hệ, các biến đổi nhỏ cũng liên tục xuất hiện trong gene. Đối với những gene mang lại lợi thế sinh tồn quan trọng, như gene hỗ trợ khai thác năng lượng từ khí quyển, các biến đổi duy trì được chức năng hữu ích có nhiều khả năng được bảo tồn. Các nhà khoa học ví quá trình này như một cơ chế "kiểm soát chất lượng" kéo dài qua nhiều thế hệ: vi sinh vật có thể liên tục tiếp nhận những khả năng mới thông qua trao đổi gene, nhưng chỉ các đặc điểm thực sự giúp chúng tồn tại tốt hơn mới được duy trì lâu dài.
Điều này có thể lý giải vì sao nhóm nghiên cứu phát hiện những gene tạo năng lượng tương tự ở các loài vi sinh vật Nam Cực có quan hệ tiến hóa xa nhau, thậm chí tại những địa điểm cách nhau hàng nghìn km. Theo các nhà khoa học, khả năng khai thác năng lượng từ khí quyển có thể là một trong những nền tảng giúp đất Nam Cực duy trì các cộng đồng vi sinh vật đa dạng. Dù có kích thước rất nhỏ, những sinh vật này đóng vai trò thiết yếu đối với hệ sinh thái khi tham gia vào quá trình luân chuyển chất dinh dưỡng và năng lượng.
Phát hiện cũng có ý nghĩa trong bối cảnh Nam Cực đang trải qua những biến đổi môi trường nhanh chóng. Nhiệt độ tăng có thể làm thay đổi hoạt động của vi sinh vật, từ đó tác động đến các quá trình sinh học vốn duy trì hệ sinh thái đặc biệt này. Vì vậy, hiểu rõ cách vi sinh vật phản ứng trước sức ép môi trường có thể giúp giới khoa học đánh giá tốt hơn những thay đổi có thể xảy ra khi khí hậu tiếp tục ấm lên.
Bình luận (0)