Nhện biển (lớp Aglagiidae) từ lâu đã khiến giới khoa học phải đau đầu bởi vẻ ngoài và cấu tạo giải phẫu khác thường. Không giống như họ hàng hình nhện của chúng, nhện biển gần như không có bụng thực sự.
Thậm chí, một số cơ quan nội tạng của chúng còn kéo dài tận vào những chiếc chân khẳng khiu. Loài động vật chân khớp biển này có thân mình cực kỳ ngắn và hẹp, khiến chúng trở thành một trong những sinh vật kỳ lạ nhất đại dương. Mặc dù có tên gọi như vậy, nhưng nhện biển là họ hàng gần của lớp hình nhện và thuộc ngành Chelicerate, một nhóm đa dạng bao gồm nhện, bọ cạp, ve và cua móng ngựa.
Cấu trúc cơ thể độc đáo này của nhện biển đã đặt ra nhiều câu hỏi lớn: Cấu trúc kỳ lạ này xuất hiện như thế nào trong quá trình tiến hóa? Nó có ý nghĩa gì đối với sự phát triển của động vật thuộc lớp chelicerate? Để giải đáp bí ẩn này, các nhà nghiên cứu đã chuyển hướng sang DNA của nhện biển, hy vọng tìm thấy câu trả lời ẩn sâu trong mã di truyền.
Giải mã bộ gen: Công nghệ tiên tiến và những mảnh ghép bất ngờ
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ giải trình tự tiên tiến để giải mã bộ gen nhện biển. Đầu tiên, DNA được chiết xuất từ một mẫu nhện biển ven bờ bằng công nghệ giải trình tự đọc dài. Phương pháp này có thể thu thập các đoạn DNA lớn, liên tục, giúp các nhà khoa học khắc phục những vùng lặp lại phức tạp trong bộ gen. Tiếp theo, một mẫu thứ hai được nghiên cứu để xác định vị trí sắp xếp không gian của bộ gen trong nhân tế bào, từ đó xác định chính xác trình tự đoạn DNA.
Việc kết hợp hai công nghệ hiện đại này đã giúp nhóm nghiên cứu lắp ráp được 57 nhiễm sắc thể giả với độ chính xác chưa từng có, gần như bao phủ toàn bộ bộ gen của nhện biển. Bằng cách phân tích hoạt động của gen ở các giai đoạn phát triển khác nhau, cơ chế tăng trưởng và hình thành của sinh vật đã được làm sáng tỏ hơn nữa.
Nikolaos Papadopoulos, tác giả chính của bài báo từ Khoa Sinh học Tiến hóa tại Đại học Vienna, cho biết: "Việc lắp ráp bộ gen của các sinh vật không phải mô hình là vô cùng khó khăn, và nhện biển cũng không ngoại lệ. Sự kết hợp của các công nghệ dữ liệu hiện đại, thông lượng cao đã cho phép chúng tôi thu được một bộ gen chất lượng cao, đóng vai trò là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo".
"Mất tích" gen: Chìa khóa cho sự thoái hóa bụng
Phân tích sâu hơn, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào cụm gen Hox – một họ gen có tính bảo tồn rất cao trong giới động vật và đóng vai trò cốt lõi trong quá trình phân chia cơ thể. Giáo sư Andreas Wanninger, trưởng nhóm dự án, giải thích: "Ở động vật chân khớp, gen Hox đóng vai trò điều hòa cốt lõi trong quá trình phân chia cơ thể và là 'bộ điều hòa chính' của sự phát triển cơ thể ở hầu hết các nhóm động vật".
Khám phá đáng ngạc nhiên và quan trọng nhất là một phần quan trọng của cụm gen Hox, gen phát triển bụng (Abd-A), hoàn toàn biến mất khỏi bộ gen của loài nhện biển sống ven bờ. Gen này thường chịu trách nhiệm cho sự phát triển chuyên biệt của phần sau cơ thể. Sự vắng mặt của nó có thể liên quan trực tiếp đến sự thoái hóa nghiêm trọng của phần bụng ở nhện biển, giải thích cho cấu trúc cơ thể kỳ lạ của chúng.
Hiện tượng tương tự cũng đã được quan sát thấy ở các loài chân khớp khác có phần sau cơ thể bị thoái hóa (chẳng hạn như một số loài ve và hà). Điều này bổ sung bằng chứng mạnh mẽ cho thuyết tiến hóa rằng "sự mất mát của gen Hox dẫn đến sự thoái hóa cơ thể".
Hé lộ quy luật tiến hóa vĩ mô: Nguồn gốc của ngành Chelicerate
Bộ gen của nhện biển cũng tiết lộ một quy luật tiến hóa vĩ mô hơn. Không giống như nhện và bọ cạp, bộ gen của loài nhện biển sống trên bờ không có dấu vết của sự nhân đôi toàn bộ hệ gen cổ xưa.
Vì nhện biển được coi là nhóm chị em nguyên thủy của chelicerate, điều này cho thấy bộ gen tổ tiên của chelicerate không có những đặc điểm nhân đôi này, và sự nhân đôi toàn bộ hệ gen hẳn đã xảy ra trong quá trình tiến hóa tiếp theo của một phân nhóm chelicerate cụ thể, chứ không phải ở tổ tiên chung.
Bản đồ bộ gen chất lượng cao này đã mở ra những hướng đi mới cho các nghiên cứu so sánh, biến loài nhện biển sống trên bờ thành loài tham chiếu quan trọng để nghiên cứu mối quan hệ giữa các loài chân khớp, mô hình tiến hóa cơ thể và cơ chế di truyền của sự đa dạng động vật chân khớp.
Tiến sĩ Georg Brenneis, tác giả liên hệ của bài báo, cho biết: "Nhện biển cực kỳ thú vị xét từ góc độ phát triển tiến hóa: mô hình phát triển của chúng có thể giữ lại các đặc điểm của tổ tiên động vật chân khớp, đồng thời phát triển các cấu trúc cơ thể độc đáo và khả năng tái tạo phi thường. Giờ đây, với bản đồ bộ gen và cơ sở dữ liệu về hoạt động của gen trong quá trình phát triển, chúng ta có thể nghiên cứu một cách có hệ thống các đặc điểm này ở cấp độ phân tử".
Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục sử dụng bộ gen tham chiếu này để khám phá sâu hơn về cơ chế điều hòa gen, phát triển và tái tạo của các loài chelicerate, với hy vọng giải mã bí ẩn cho sự thành công đáng kinh ngạc của nhóm động vật này trong quá trình tiến hóa. Khám phá này không chỉ là một bước tiến vượt bậc trong sinh học tiến hóa mà còn là minh chứng cho sự phức tạp và đa dạng đến vô cùng tận của sự sống trên hành tinh chúng ta.
Trung Quốc đã phát triển một loại 'bê tông dẻo' dạng bọt, có thể ngăn chặn những thảm kịch đối với máy bay!
