Tiến hóa: Tại sao lại cần giới tính?

Từ hơn 2 tỷ năm trước, các cơ chế sinh sản hữu tính đã xuất hiện và tiến hóa mặc dù sinh vật phải tiêu dùng một lượng lớn năng lượng dành cho những hoạt động kiểu này so với cách sinh sản vô tính trước đó. Vậy sinh vật được lợi gì hay đâu là lý do để chọn lọc tự nhiên duy trì một hình thức sinh sản "tốn kém"? Câu hỏi này vốn có tính kinh điển và dường như nhiều sách giáo khoa sinh học hài lòng với lý lẽ "Sinh sản hữu tính tạo ra nhiều biến dị hơn để làm nguyên liệu của quá trình chọn lọc tự nhiên". Thực tế, đáp án này là kết quả quan sát của nhà sinh học August Weismann từ thế kỷ 19 khi ông nhận thấy lai giống tạo ra nhiều biến dị di truyền trong thế hệ con cái. Tuy nhiên, liệu sự tái tổ hợp di truyền có thể thực sự tạo ra nhiều biến dị hơn? Nếu một tổ hợp các allele của 2 locus nhất định đem lại lợi thế ở thế hệ cha mẹ thì chọn lọc tự nhiên sẽ duy trì tổ hợp này và giảm thiểu sự đa hình ở thế hệ sau. Nói một cách khác, việc phá vỡ những tổ hợp như vậy sẽ có thể làm tăng tính đa hình nhưng lại làm giảm sức sống. Tuy nhiên, nếu tổ hợp này mới chỉ gần tối ưu thì sự tái tổ hợp di truyền trong sinh sản hữu tính sẽ có thể tạo ra những tổ hợp mới với những đặc tính ưu thế. Khi đó, tính đa hình cũng sẽ tăng lên.

Hoạt động giới tính vẫn "đáng giá" dù rằng chi phí để thực hiện nó có thể tính bằng mạng sống!

Để lý giải liệu những lợi ích của việc trao đổi vật chất di truyền trong quá trình sinh sản có thể bù đắp những phí tổn của hoạt động giới tính, nhiều thế hệ nhà sinh học đã đề xuất gần 20 giả thuyết. Những giả thuyết này chia làm 2 trường phái chính: 1) môi trường (sinh thái) hoặc 2) đột biến. Các mô hình môi trường cho rằng việc tạo ra những tổ hợp gene mới sẽ làm tăng khả năng đối phó với áp lực chọn lọc khi môi trường thay đổi. Trong khi đó các mô hình đột biến thì cố gắng chứng minh sinh sản hữu tính giúp loại bỏ những đột biến gây hại trong quần thể. Xuất phát từ 2 trường phái này, 3 mô hình chính (với nhiều mô hình phái sinh) đã được tổng kết:

Mô hình Quyết định luận Đột biến (Mutational Deterministic model) cho rằng cơ chế tái tổ hợp di truyền có ưu thế hơn so với sinh sản vô tính trong việc loại bỏ những tổ hợp di truyền bất lợi của tương tác gene (negative epistasis). Trong mô hình này, tổ hợp 2 alleles tạo nên kiểu hình bất lợi hơn tổng những allele riêng lẻ.

Giả thuyết Nữ hoàng đỏ (Red Queen) cho rằng việc tạo ra những tổ hợp gene mới làm tăng tiềm năng và tốc độ cần thiết để chống chọi với áp lực chọn lọc, ví dụ nguy cơ bị thiên địch ký sinh. Nguyên tắc căn bản do Graham Bell đề xuất là "Trong một hệ thống tiến hóa, việc phát triển liên tục là cần thiết dù chỉ để duy trì sức sống tương ứng các hệ thống khác mà nó tiến hóa cùng (co-evolution)".

Cuối cùng, lý luận về Biến động Di truyền (Genetic Drift) lưu ý những thay đổi ngẫu nhiên của tần số mỗi allele trong một quần thể. Trong một quần thể xác định, những tác động của xác xuất và chọn lọc sẽ tạo ra những tổ hợp gene mới.

Tính đến nay (2009), rất ít kết quả thực nghiệm ủng hộ bất kỳ giả thuyết nào hoặc chí ít phân biệt giữa các giả thuyết. Nhiều nhà khoa học thừa nhận lợi ích của giới tính hay tái tổ hợp di truyền không nhất thiết phải thể hiện ngay ở thế hệ lai F1 mà có thể ở các thế hệ phía sau. Một điều khác là dường như các mô hình nghiên cứu hiện này đã đơn giản hóa quá nhiều so với thế giới thực, và rằng áp lực chọn lọc tự nhiên biến động phụ thuộc không gian, thời gian, trong khi tỷ lệ giới tính khác biệt và kích thước quần thể tự nhiên không phải là lớn vô hạn như lý thuyết. Tuy nhiên, gần đây một số công bố thú vị giúp chúng ta có thêm những lý giải cho câu hỏi kinh điển này.

Susanne Paland và Michael Lynch từ Đại học Indiana tiến hành nghiên cứu (Science vol. 311, 990-2) trên rận/ bọ chét nước (water fleas, Daphnia pulex) thấy rằng sinh sản giới tính thực sự đã loại bỏ những đột biến nguy hại ra khỏi genome khi so với sinh sản vô tính. Loài Daphnia pulex có thể sinh sản hữu tính (cyclical parthenogenesis) hoặc vô tính (obligate parthenogenesis). Khởi đầu, những con rận nước này được tạo ra từ sinh sản hữu tính. Sau đó, do một đột biến ức chế giảm phân, chỉ các dòng rận nước được tạo ra từ sinh sản vô tính. Các quần thể rận nước từ đó dần tích lũy các đột biến khác nhau. Với mô hình trên, các tác giả tiến hành so sánh các đột biến không trung tính (non-synonymous mutations, có thể gây ảnh hưởng chức năng) và những đột biến trung tính (synonymous mutations, không thay đổi chức năng) trên các gene ty thể mã hóa protein ở 14 dòng sinh sản hữu tính và dòng vô tính tương ứng. Kết quả cho thấy các đột biến không trung tính (đột biến chức năng) tích lũy nhiều ở dòng sinh sản vô tính (18%) so với dòng sinh sản hữu tính (4%). Do đó, Paland và Lynch ước tính khoảng 90% đột biến không trung tính đã bị chọn lọc đào thải. Kết quả này ủng hộ cho các mô hình Quyết định luận Đột biến và rằng sinh sản vô tính gây ra sự tích lũy các đột biến có hại. Một nghiên cứu khác trên loài ốc sên nước ngọt Campelomacũng cho thấy các đột biến gây hại bị loại bỏ hiệu quả hơn ở các dòng sinh sản hữu tính so với sinh sản vô tính (Evolution vol. 61:2728-35).

Một nghiên cứu mới từ phòng thí nghiệm của Bonhoeffer (Science vol. 306:1547-50) đã tiến hành trên virus HIV-1. Khi 2 hoăc nhiều hơn phần tử HIV xâm nhập vào tế bào, những genome này sau đó được trộn lẫn với nhau và khiến những virus này trở thành mô hình cực kỳ đơn giản của sự tái tổ hợp di truyền. Tác giả đã phân tích trình tự gene và dữ liệu sức sống của 10,000 bộ genome HIV và kết luận sự tương tác bất lợi (negative epistasis) không phải là động lực của sự sinh sản giới tính và tái tổ hợp di truyền.

Matthew Goddard và cộng sự tại trung tâm Sinh học Quần thể, Đại học Imperial London đã chứng minh rằng những chủng nấm men sinh sản hữu tính có khả năng thích nghi với điều kiện khắc nghiệt tốt hơn so với chủng sinh sản vô tính. Nhóm tác giả đã sử dụng các dòng nấm men gần đồng nhất (nearly isogenic) chỉ khác nhau ở việc loại bỏ 2 gene cần thiết cho quá trình tái tổ hợp và giảm phân. Tuy nhiên, giới tính không có tác động đáng kể nào đối với sức sống ở các điều kiện môi trường ít chọn lọc (Nature vol. 343: 636-40). Kết quả này lại ủng hộ cho nhóm giả thuyết về môi trường.

Một mô hình sinh thái khá phức tạp đang được tiến hành bởi Jukka Jokela và cộng sự tại viện Khoa học và Công nghệ Thủy vực Liên Bang của Thụy Sĩ. Trong 15 năm, nhóm tác giả đã quan sát mối xung đột sinh thái trong các hồ nước tại New Zealand giữa loài ốc sên Potamopyrgus antipodarum và động vật ký sinh tự nhiên của chúng, Microphallus. Trong hệ sinh thái này, ốc sên có thể sinh sản vô tính hoặc hữu tính. Các con ốc sên sinh sản vô tính thì không sinh ra được ốc sên đực nên không thực hiện được sinh sản hữu tính tạo nên những quần thể sinh thái ốc sên hữu tính và vô tính riêng biệt. Sự phân bố của các quần thể này trong sinh cảnh có liên quan đến cơ chế sinh sản. Trong vùng nước nông, cũng là nơi các động vật ký sinh sinh sống, đa số các quần thể ốc sên là nhóm sinh sản hữu tính. Trong khi đó, ở vùng nước trung bình xuất hiện nhiều dòng ốc sên sinh sản vô tính hơn và ở những thủy vực sâu, chỉ có những ốc sên sinh sản vô tính sinh sống. Nhóm tác giả cũng đồng thời ghi nhận, theo thời gian, một số lượng nhất định dòng ốc sên sinh sản vô tính trở nên tuyệt chủng trong khi một số dòng khác được phát sinh trong hồ. Sự thăng trầm nhanh ở các dòng sinh sản vô tính đã được chứng minh là do sự tiến hóa thích nghi đặc thù của các động vật ký sinh trước đây cư trú ở vùng nước nông gây nên. Những dòng ốc sên vô tính mới xuất hiện có nguồn gốc từ trong quần thể sinh sản hữu tính do những sai sót về trong cơ chế sinh sản. Một vài dòng trong số đó có khả năng kháng với động vật ký sinh và dần trở nên phổ biến ở thủy vực sâu. Ngoài ra, lý do của việc phân bố hạn chế các ốc sên hữu tính ở vùng nước sâu có thể là do thiếu áp lực chọn lọc từ thiên địch ký sinh. Tuy nhiên, hiện giờ nhóm tác giả chưa xác định được đột biến khiến dòng ốc sên hữu tính trở nên vô tính.

Nghiên cứu lý thuyết mới của Feigel và cộng sự (Plos One vol. 4(7):e6012) với những tính toán của mình đã chỉ ra rằng các cá thể có thể cảm ứng được trạng thái giới tính của những sinh vật xung quanh và từ đó điều chỉnh hành vi và trạng thái giới tính của mình. Hướng nghiên cứu mới này dựa trên cơ chế hợp tác của việc trao đổi thông tín của lý thuyết trò chơi tiến hóa (Evolutionary game theory). Các tác giả cho rằng chính khả năng cảm ứng gây ra những tương tác sắp đặt liên quan đến giới tính. Những tương tác không ngẫu nhiên này có tác dụng kích thích hoạt động sinh sản hữu tính ngay cả khi tổng thể sức sống (dưới chọn lọc kiếu Darwin) của một quần thể có bị giảm sút.

Và mặc dù hiện giờ vẫn chưa lý giải được lý do tự nhiên của sự xuất hiện giới tính và duy trì hình thức sinh sản hữu tính nhưng chúng ta vẫn cảm thấy hạnh phúc vì đã được sinh ra ở một thế giới có SEX. Hãy tận hưởng thế giới đa dạng với muôn vàn bông hoa, với vũ điệu loài ong trong mùa sinh sản, với bộ cánh của những chàng công đỏm giáng hay với chiếc giầy cao gót đau chân nhưng tôn dáng của các thiếu nữ.