Thuyết nội cộng sinh

MÔN HỌC:
NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
THUYẾT NỘI CỘNG SINH

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. Võ Văn Toàn
Học viên : Nguyễn Quỳnh Hương
Lớp : Cao học Sinh K18

Sự tiến hóa từ sinh vật nhân sơ đơn giản thành sinh vật nhân chuẩn phức tạp đã xảy ra như thế nào?
Hiện nay, dựa trên sự nghiên cứu về các tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn, chúng ta có thể thấy rằng theo thời gian, các tế bào đã có nhiều thay đổi theo hướng tiến hóa hơn và duy trì sự thay đổi đó cho đến ngày nay. Cụ thể, chúng ta đã thấy sự xuất hiện của rất nhiều bào quan trong tế bào cũng như tính tổ chức cao hơn trong cấu trúc của tế bào. Câu hỏi đặt ra là những thay đổi ấy đã xảy ra như thế nào?
Tế bào nhân sơ
Tế bào nhân chuẩn
Khái niệm về sự tiến hóa đã được đưa ra để thể hiện sự biến đổi một cách tự nhiên của các tế bào theo hướng từ đơn giản đến phức tạp hơn. Và thuyết chiếm ưu thế hiện nay trong việc giải thích về sự tiến hóa của các tế bào nhân chuẩn chính là thuyết nội cộng sinh.
Thuyết nội cộng sinh nói về điều gì?
Thuyết nội cộng sinh về sự tiến hóa của tế bào nhân thực (Symbiotic Theory) lần đầu tiên được nhà sinh học Lynn Margulis (cựu giảng viên của trường Đại học Boston) đề xuất vào năm 1960. Năm 1981, thuyết nội cộng sinh của bà chính thức được xuất bản thành cuốn sách "Sự nội cộng sinh trong tiến hóa tế bào“.








Lynn Margulis

Tuy nhiên, trong những năm đầu tiên khi bà đưa ra thuyết này, cả bà và thuyết của bà đã bị nhạo báng và bác bỏ bởi các nhà sinh học khác. Nhưng nhờ sự kiên trì, cuối cùng thuyết của bà cũng được cả thế giới công nhận. Và đóng góp của bà đã giúp cho sinh học giải thích được một cách hợp lí về sự tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn.
Thuyết nội cộng sinh cho rằng tổ tiên của các tế bào nhân chuẩn là sự tham gia của một "tập đoàn cộng sinh" các tế bào nhân sơ từ một hoặc nhiều loài khác nhau. Nói cách khác, đó là sự xâm nhập của vi khuẩn hiếu khí vào một loài kị khí khác như amip, mỗi bên thực hiện chức năng của mình và mang lại lợi ích cho nhau.
Vi khuẩn hiếu khí sẽ giúp các amip hô hấp và các amip này sẽ mang theo các vi khuẩn hiếu khí di chuyển qua vùng biển giàu oxy mới để tìm thức ăn. Bằng cách này, mỗi sinh vật sẽ được hưởng lợi từ mối quan hệ cộng sinh, nó giúp chúng thích nghi tốt hơn trước sự thay đổi của môi trường ở giai đoạn tiền Cambri. Người ta đã phát hiện ra rằng oxy bắt đầu tích lũy trong các hóa thạch tiến hóa từ sinh vật nhân sơ thành sinh vật nhân chuẩn.
Phát hiện của Giáo sư Kwang Jeon giúp khẳng định thêm tính đúng đắn của thuyết nội cộng sinh


Những điều đã đưa ra trong thuyết cộng sinh có phải giống một câu chuyện được sáng tạo ra hơn là một thuyết hợp lí?

Hãy kiểm tra điều này với sự phát hiện của Giáo sư Kwang Jeon của trường Đại học Tennessee.
Phát hiện của Giáo sư Kwang Jeon
Năm 1987, Giáo sư Kwang Jeon nhận thấy các tế bào amip của ông đã xuất hiện sự phát triển của một số lượng lớn các dấu chấm nhỏ. Những dấu chấm ấy hóa ra chính là vi khuẩn, chúng nhanh chóng giết chết các amip của ông. Jeon để ý đến những amip ít bị bệnh nhất và bắt đầu theo dõi sự phát triển của chúng.
Phát hiện của Giáo sư Kwang Jeon

Những amip này dường như có khả năng kháng khuẩn nhiều hơn kể từ khi chúng sống sót, sau đó chúng lại tiếp tục quá trình phát triển của mình. Tuy nhiên, khoảng 40.000 các vi khuẩn xâm nhập vẫn còn hiện diện trong những amip sống sót.
Phát hiện của Giáo sư Kwang Jeon

Thông qua thí nghiệm nuôi cấy, Joen thấy rằng nhân của các amip không thể sống được nếu không chứa vi khuẩn gây bệnh. Phát hiện tình cờ của Kwang Jeon chúng minh rằng sự sống của mỗi sinh vật sẽ phụ thuộc vào một phần chức năng của các sinh vật khác. Và thay vì loại bỏ những vi khuẩn xâm nhập này, amip đã cùng phát triển với chúng trong mối quan hệ cộng sinh.
Bây giờ chúng ta cùng hình dung xem sự cộng sinh đã diễn ra như thế nào, hãy nhìn một cách tổng thể vào chức năng của toàn bộ quá trình cũng như sự liên quan của từng bào quan trong quá trình này.


Tế bào nhân sơ chủ ăn hoặc vô tình nuốt phải vi khuẩn hiếu khí (cũng có thể là một kí sinh trùng), và trong tế bào của các thế hệ tiếp theo của nó cũng sẽ chứa các vi khuẩn này. Những vi khuẩn hiếu khí này tồn tại nhờ vào các chất dinh dưỡng của tế bào chủ.
Mô tả chức năng
Dần dần, cả tế bào chủ cũng như vi khuẩn cộng sinh phát triển cùng nhau trong mối quan hệ cùng có lợi và nếu thiếu một bên thì cả hai đều sẽ khó khăn hay thậm chí là không thể thực hiện được chức năng sống của mình.

Vi khuẩn hiếu khí có thể kiểm soát và thực hiện quá trình oxy hóa trong tế bào nhân sơ chủ. Khi môi trường bên ngoài thay đổi trong giai đoạn Tiền Cambri, để thích nghi hơn, các vi khuẩn hiếu khí bắt đầu sử dụng và sửa đổi vai trò cũ của mình để có chức năng giống như là một bộ phận của tế bào nhân sơ.
Và như chúng ta đã biết thì chính các vi khuẩn hiếu khí này đã đảm nhận vai trò của ty thể (mitochondrion), sau đó qua quá trình tiến hóa từ tế bào nhân sơ thành tế bào nhân chuẩn thì các vi khuẩn này biến đổi tạo nên bào quan ty thể trong cấu trúc của tế bào nhân chuẩn
Sự tiến hóa của thực vật nhân chuẩn và một số sinh vật nguyên sinh có liên quan tới sự cộng sinh với vi khuẩn quang hợp và xảy ra một quá trình tương tự như với vi khuẩn hiếu khí và ty thể. Các vi khuẩn quang hợp sử dụng khả năng quang hợp của mình để phục vụ cho cả tế bào chủ nhân sơ chứ không phải chỉ cho riêng bản thân mình. Ta nhận thấy đây chính là cơ sở hình thành lục lạp.
Trước khi Margulis đưa ra thuyết nội cộng sinh vào năm 1960, các nhà sinh vật học tin rằng các bào quan được mã hóa thành một hệ thống di truyền cụ thể gọi là ADN. Nói cách khác, các bào quan này tồn tại là do chúng được quy định bởi ADN , giống như lí do tại sao tất cả mọi người đều có bàn tay và bàn chân.

Ban đầu khi Margulis đề xuất thuyết nội cộng sinh, bà dự đoán rằng nếu các bào quan này thực sự là do vi khuẩn cộng sinh thì các bào quan này phải có ADN của chúng.
Nhưng còn ADN thì như thế nào?
Bà lí luận rằng nếu thuyết của bà đúng thì các ADN của các bào quan này sẽ giống với các vi khuẩn khác và phải khác với ADN của tế bào (nằm trong màng nhân tế bào). Vô cùng ngạc nhiên, trong những năm 1980, điều này đã được chứng minh đối với 2 bào quan là ty thể và lục lạp. Sau đó, cuối những năm 1980, một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc trường
Đại học Rockefeller đã công bố phát hiện tương tự trên trung tử - cấu trúc mang lại khả năng vận động và phân chia tế bào ở các tế bào nhân chuẩn.

Đỉa trâu Hirudo medicinalis gần như có mối quan hệ cộng sinh bắt buộc với vi khuẩn Aeromonas hydrophyla ( Pseudomonas hirudinis ), đây cũng là loài vi khuần duy nhất sống trong ruột đỉa (.Zirpolo 1923; Lehmensick 1941, 1942; Hornbostel 1941; Busing 151; Busing và cộng sự 1953; Wilde 1976; Jennings và Vander Lande 1967; Whitlock. O’Hare, Sauders và Morrow 1983).
Aeromonas hydrophyla đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống của đỉa Hirudo medicinalis ở nhiều khía cạnh khác nhau:
1. Nó tiết ra một chất kháng sinh, giúp ngăn chặn sự phát triển của các vi khuẩn khác, từ đó làm chậm sự thối rữa để máu có thể được lưu trữ trong một thời gian dài.
2. Nó góp phần tạo ra enzyme đóng vai trò quan trọng trong tiêu hóa.
Aeromonas hydrophyla đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống của đỉa Hirudo medicinalis ở nhiều khía cạnh khác nhau:
3.Người ta cũng giả định đỉa chính là nơi đầu tiên phát triển sự nội cộng sinh, và khi đó các vi khuẩn có khả năng sản xuất ra được các loại vitamin mà cơ thể đỉa bị thiếu hụt. Đây là một suy luận dựa trên quan sát những loài động vật sống dựa hoàn toàn vào máu thường sẽ thiếu một số hợp chất nhất định cho cơ thể, bao gồm một số vitamin nhóm B (Wigglesworth 1965; Buchner 1965). Nhưng chế độ dinh dưỡng thiếu hụt ở đỉa hút máu lại chưa được nghiên cứu nhiều


Aeromonas hydrophyla đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống của đỉa Hirudo medicinalis ở nhiều khía cạnh khác nhau:
3.Người ta cũng giả định đỉa chính là nơi đầu tiên phát triển sự nội cộng sinh, và khi đó các vi khuẩn có khả năng sản xuất ra được các loại vitamin mà cơ thể đỉa bị thiếu hụt. Đây là một suy luận dựa trên quan sát những loài động vật sống dựa hoàn toàn vào máu thường sẽ thiếu một số hợp chất nhất định cho cơ thể, bao gồm một số vitamin nhóm B (Wigglesworth 1965; Buchner 1965). Nhưng chế độ dinh dưỡng thiếu hụt ở đỉa hút máu lại chưa được nghiên cứu nhiều



Thuyết nội cộng sinh cho rằng tế bào nhân chuẩn được tiến hóa từ sự cộng sinh của các tế bào nhân sơ. Điều rõ ràng là các bào quan chứa ADN như ty thể hay lục lạp là những phần cộng sinh của một nhóm vi khuẩn hiếu khí (ty thể) hay vi khuẩn lam (lục lạp) cổ xưa. Các phần tử trên bị cơ thể nhân thực thực bào, dẫn đên việc sống cộng sinh. Lâu ngày, chúng trở thành một bào quan vô cùng cần thiết và luôn có mặt trong tế bào nhân chuẩn.