BM: Xương sống giúp con người ưu việt hơn?

Thursday, September 1, 2016

Xương sống giúp con người ưu việt hơn?

Trong thế giới khoa học viễn tưởng, những sinh vật có hình thù kỳ quái nắm vị trí thống trị.

Từ người sao Hỏa trong Cuộc chiến của các thế giới (War of the Worlds) cho tới những "con bọ" khổng lồ trong Cuộc chiến liên hành tinh (Starship Troopers), câu chuyện luôn là có một loài vật kỳ dị không xương sống đe dọa tới sự tồn vong của con người.

Lý do là bởi trong suy nghĩ của chúng ta, xương sống chính là vua.

film neil patrick harris get to know me meme starship troopers 2015 movie challenge

Việc loài người chúng ta có phải là sinh vật thực sự "thống trị" Trái Đất hay không vẫn là điều gây tranh cãi, nhưng chúng ta có xương sống, và là loài sinh vật thuộc nhóm lớn nhất, đặc biệt nhất có khả năng đứng thẳng đi bằng hai chân, có thể bơi và bay.

Xương sống hẳn nhiên là một tiến hóa rất hữu ích.

Nó khiến cơ thể chúng ta được nâng đỡ, và tủy sống được bảo vệ.

Việc cơ thể được nâng đỡ bởi bộ xương bên trong thay vì là khung bên ngoài cho phép chúng ta có thể di chuyển trong khoảng rộng lớn hơn, và nó cũng đồng nghĩa với việc các loài có xương sống có thể phát triển với kích cỡ to lớn hơn nhiều so với các loài không có xương sống.

Thế nhưng nếu nhìn vào thực tế là có tới trên 90% các loài động vật trên thế giới vẫn sống tốt dù không có xương sống, thì ta sẽ băn khoăn không hiểu vì sao việc tiến hóa trở thành loài có xương sống lại diễn ra. Xương sống đã được sinh ra từ một thế giới không có xương sống như thế nào?

Từ không có đến có xương sống

Sứa mặt trăng (Aurelia aurita) không có xương sống

Bước nhảy tiến hóa dẫn đến việc hình thành các loài có xương sống diễn ra trong kỷ Cambri, chừng 500 triệu năm trước.

Trước đó, đời sống sinh vật từng diễn ra khá giản đơn trong suốt hàng trăm triệu năm; những tế bào đơn lẻ trôi dạt, thỉnh thoảng tụ lại một chỗ với nhau.

Rồi xuất hiện sự bùng nổ kỷ Cambri, khi các đại dương trên Trái Đất đầy những nhóm khối tế bào khổng lồ tập hợp lại với nhau.

Chỉ trong vài chục triệu năm, sự sống tiến hóa thành những loài động vật chân đốt ăn thịt dài gần hai mét và những loài kỳ quặc có nhiều mắt.

Những loài như thế còn lại tới ngày nay ta có thể kể tới là cá mút đá lamprey và cá mút đá hagfish.

Những sinh vật này nằm trong số những loài đầu tiên có xương sống.

Cơ thể chúng được hỗ trợ bởi dạng xương sống sơ khai, bởi một cái cần cứng, được gọi là 'dây sống' ('notochord') được hình thành từ chất giống như sụn. Bộ phận này đóng vai trò như bộ xương bên trong, giúp các sinh vật có thể di chuyển và bảo vệ các cơ quan quan trọng bên trong cơ thể.

Dây sống là một dạng tiền thân của xương sống, phần cấu tạo cơ thể có ở các loài có xương sống sau nay, từ chuột cho tới khủng long hay con người.

Những loài tiền thân của động vật có xương sống được tìm thấy trong các hóa thạch ở biển thời Cambri: các động vật giống như giun, sâu, như Pikaia hay Haikouella.

Chúng không phải là động vật có xương sống, nhưng có một dây sống trong cơ thể.

Chúng thuộc nhóm được gọi là ngành dây sống ('Chordates'), vốn gồm các loài có xương sống và một số ít các nhóm giống như loài có xương sống.

Đáng chú ý là điều này có nghĩa bản thân loài người chúng ta cũng thuộc ngành dây sống. Nhìn lại thì chúng ta cũng có thời gian ngắn sở hữu dây sống, khi còn đang là phôi thai hình thành trong bụng mẹ.

Tuy nhiên, câu hỏi về việc chính xác là các nhóm thuộc ngành dây sống đầu tiên xuất hiện từ khi nào lâu nay vẫn là điều gây tranh cãi.

"Những người tranh cãi đồng ý với nhau ở một điểm," nhà động vật học Thomas Stebbing nói. "Đó là tất cả các đối thủ của họ đều sai."

Qua nhiều năm, mọi nhóm không xương sống - từ động vật thân mềm cho tới động vật chân đốt - đều được cho là điểm khởi đầu cho việc phát sinh ra ngành dây sống. Tuy nhiên, không có bằng chứng hóa thạch nào đáng tin cậy để trả lời cho câu hỏi này.

Vấn đề nằm ở chỗ, khác với các loài có xương sống xuất hiện về sau này, vốn có rất nhiều bằng chứng để chứng minh, thì các thành phần cơ thể "có khả năng hóa thạch" phải là xương và răng, trong lúc các sinh vật thời kỳ đầu không có.

Ngày nay, chúng ta chỉ thu được những dấu vết nhạt nhòa mà cơ thể thân mềm của chúng còn để lại. Điều này khiến việc xác định chính xác khó thực hiện được, trong lúc lại dễ gây ra nhiều đồn đoán.

Trong vài thập niên vừa qua, các lĩnh vực nghiên cứu về sinh học phát triển tiến hóa ("evo-devo") và phân tử đã giúp các khoa học gia hiểu rõ hơn về mối quan hệ tiến hóa giữa các bộ phận cơ thể.

Những nghiên cứu thực hiện trên một số loài họ hàng không xương sống gần gũi nhất với chúng ta, một nhóm các sinh vật biển như sao biển, nhím biển (nhum), hải sâm, hay một số loài sinh vật kỳ lạ trông giống như giun, sâu, được gọi là động vật nửa dây sống ('hemichordates').

Giống như tất cả các loài sinh vật này, chúng ta là động vật miệng phái sinh ('deuterostomes') - hậu môn chúng ta được hình thành trước khi hình thành miệng.

Nói cách khác, chúng ta là động vật có xương sống nằm trong nhóm động vật dây sống, mà bản thân các loài trong ngành dây sống lại là một dạng của động vật nửa dây sống.

Điều này có nghĩa là việc tiến hóa của chúng ta rốt cuộc được xác định dựa trên hậu môn, điều nghe có vẻ không mấy thơ mộng.

Nhưng đó thực sự là cách hay nhất mà các khoa học gia đưa ra để lý giải về cấu trúc phân ngành trong vương quốc động vật.

Như vậy, tuy trông không giống nhưng chúng ta lại có chung tổ tiên với các loài như nhím biển, là loài mà theo nhà nghiên cứu chuyên về động vật dây sống từ Viện Nghiên cứu hải dương học Scripps ở Hoa Kỳ, Linda Holland, là có thể giống với nhím biển, giống với động vật dây sống, giống với động vật nửa dây sống, hoặc có thể chẳng giống loài nào trong số đó cả.

Ấu trùng hải tiêu (sea squirt) có dây sống

Sau đó, một trong những loài sinh vật miệng phái sinh thời kỳ đầu này tiến hóa, trở thành động vật có dây sống đầu tiên.

Trong giai đoạn đầu của sự sống, nhiều loài sinh vật miệng phái sinh trải qua thời kỳ ấu trùng.

Nhưng trong lúc bọ lông hoặc ấu trùng nhím biển có thể bơi bằng cách sử dụng các cấu trúc giống như lông tơ tí hon có trên cơ thể, thì ấu trùng động vật dây sống lại dùng đuôi.

Theo thuyết của nhà động vật học người Anh Walter Garstang, được Satoh phát triển thêm, thì động vật dây sống thời kỳ đầu tiến hóa thành động vật không xương sống, sinh sống ở tầng đáy biển.

Chúng giữ lại dây sống có từ khi còn là ấu trùng cho tới lúc trưởng thành, giống như một số loài lưỡng cư ngày nay vẫn giữ lại những dấu tích của thời ấu trùng khi đã trưởng thành.

Lý do khiến quá trình tiến hóa giữ lại đuôi có từ khi còn là ấu trùng, theo Satoh, là điều dễ hiểu.

"Bơi bằng đuôi thì hiệu quả hơn nhiều so với việc bơi bằng hệ thống lông tơ," ông nói. "Dây sống khiến các động vật dây sống hồi thời kỳ đầu có lợi thế rõ rệt."

Trong các đại dương Cambri đầy hiểm nguy đầy những kẻ săn mồi di chuyển nhanh, thì việc có thể bơi nhanh sẽ là điều rất đáng giá, giúp chúng thoát hiểm.

Từ dây sống sơ khai tới cấu trúc xương sống

Trải qua thời gian, cơ thể động vật dây sống dần thay đổi.

Ở hầu hết các loài động vật có xương sống thời hiện đại, gồm cả con người, thì dây sống không còn có tác dụng hỗ trợ nữa, nhưng vẫn giữ một vai trò quan trọng.

Bộ khung xương một con cá nhà táng (Balaenoptera physalus)

Nó trở thành một phần của bộ đĩa đệm phân chia các đốt xương sống của chúng ta, và giữ vai trò giảm xóc.

Những ai từng phải chịu đau đớn khó chịu do bệnh thoát vị đĩa đệm sẽ thấy rõ nhất tầm quan trọng của dây sống.

Một số ít các loài động vật dây sống còn tồn tại đến ngày nay vẫn giữ lại điều kiện không có xương sống như thời cổ đại, là thời mà dây sống đóng vai trò hỗ trợ.

Loài cá lưỡng tiêm (lancelet, hay còn gọi là amphioxus) là loài sinh vật trông giống như cá, có màu trong mờ, là đại diện cho một trong những loài động vật dây sống không có xương sống còn tồn tại cho tới ngày nay.

Nó chính là một dạng "hóa thạch sống" giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu về sự tiến hóa của các loài động vật có xương sống trong những đại dương thời tiền sử.

Tiến hành giải phẫu cá lưỡng tiêm cho thấy có dấu hiệu về sự tiến hóa bước đầu của xương sống, bởi loài cá này có những khối cơ được phân khúc và có một vỏ bao ở quanh dây sống và dây thần kinh của nó.

Cột các đốt xương sống ở người và các loài động vật có xương sống khác, nếu giải thích một cách đơn giản nhất, là sự tạo thành từ vỏ bao tương tự.

Bộ gene căn bản: nguồn gốc hình thành khung xương cơ thể?

Holland và các cộng sự đã chứng minh được rằng cá lưỡng tiêm sở hữu một bộ gene căn bản cũng được tìm thấy ở toàn bộ các loài động vật có xương sống thời hiện đại.

Nghiên cứu xa hơn về bộ gene này cho thấy chúng trong quá trình tiến hóa có thể thực hiện những vai trò mới, như tạo thêm sụn, hoặc tạo những loại tế bào đặc biệt giúp hình thành xương ở đầu phần và phần hàm.

Bộ gene này thậm chí khi được làm biến đổi có thể làm rắn lại các mô mềm đã được khoáng hóa. Chúng tạo ra một 'giàn giáo' vững chắc bên trong cơ thể: đó chính là bộ khung xương ở động vật có xương sống.

Chúng ta có thể nhìn thấy bước tiến hóa trong 25 triệu năm như sau: động vật có xương sống trong thời kỳ đầu mở đường để cá phát triển thành loài có chân, rồi tiến hóa thành động vật bốn chân sống được trên cạn, dần dần biết đứng thẳng để đi trên hai chân và trở thành con người.

Hải tiêu vàng (Golden sea squirts - Polycarpa aurata)

Tuy nhiên, nếu xem lịch sử động vật có xương sống như một tiến trình trực tiếp khiến những động vật sơ khai thuở ban đầu trở thành con người thì đó lại là sự hiểu lầm.

Khi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử Âu châu tìm thấy một cấu trúc giống như dây sống trong một con sâu biển hồi 2014, điều này đã ủng hộ cho giả thuyết cũ theo đó nói động vật dây sống bắt nguồn từ những con sâu thời tiền sử.

Trên thực tế, dây sống có thể đã xuất hiện từ trước đó, ở thời loài người chúng ta còn có chung tổ tiên với sao biển và các loài động vật miệng phái sinh không xương sống khác.

Những sinh vật này có thể khi đó đã từ bỏ cấu trúc dây sống để nhằm thích nghi với cuộc sống nơi đáy đại dương, nơi mà bộ phận này không thực sự hữu ích.

Các loài động vật khác cũng có thể từng có dây sống, rồi sau thoái hóa đi.

Trong lúc loài cá lưỡng tiêm nhìn chung được xác định như họ hàng gần gũi nhất còn tồn tại đến ngày nay của các loài có xương sống, thì một nghiên cứu hồi 2006 đăng trên tạp chí Nature nói rằng không phải vậy.

Nghiên cứu này nói rằng chính động vật phân ngành sống đuôi (tunicates - là một phân ngành trong ngành động vật dây sống), còn được biết đến với tên gọi hải tiêu (sea squirt) mới giữ vị trí đó.

Các loài động vật sống đuôi đương nhiên là động vật dây sống, và bằng chứng chứng minh là ấu trùng của chúng trông giống như nòng nọc. Thế nhưng khi trưởng thành thì cơ thể chúng lại dính chặt vào đá và về căn bản chúng chỉ là những miệng phễu lọc thức ăn.

Vấn đề là dường như cả hải tiêu cũng từng có cơ thể dạng dây sống, nhưng sau chúng thích nghi với kiểu sống đơn giản hơn, là cách sống không cần tới dây sống.

Chúng ta có thể cho rằng dây sống là một thành tựu lớn trong quá trình tiến hóa, nhưng lựa chọn tự nhiên thì không nghĩ vậy.

Những câu chuyện khoa học viễn tưởng về sinh vật không xương sống đầy quyền năng có thể hơi quá, nhưng ít nhất thì về mặt con số, thế giới của chúng ta được thống trị áp đảo bởi những sinh vật mà ta thấy là đơn giản. Một số sinh vật thậm chí còn không có những thuộc tính mà ta thường gán cho động vật, như khả năng di chuyển, hoặc việc có cái đầu.

Quá trình tiến hóa không có điểm dừng.

Con sao biển cũng có thể có bước tiến hóa dài như con người, và việc một con sao biển cổ xưa cũng có thể làm hé lộ những thuộc tính mà chúng ta gán cho những mẫu hình cơ thể phức tạp hơn.

Điều này cho thấy không phải cứ những loài động vật có xương sống là đương nhiên ưu việt hơn.

Josh Gabbatiss