Quá trình tiến hóa của vây, chi và mang

Công cụ di truyền mà động vật sử dụng để hình thành vây và chi cũng giống như công cụ di truyền kiểm soát sự phát triển của xương mang ở cá mập, theo một nghiên cứu mới.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences ngày 23 tháng 3, 2009. Các tác giả bao gồm Andrew Gillis và Neil Shubin thuộc Đại học Chicago, và Randall Dahn thuộc Phòng thí nghiệm Sinh học Mount Desert Island.

Andrew Gillis, tác giả chính của bài báo, hiện là nghiên cứu sinh tại Khoa giải phẫu và sinh học tại Đại học Chicago, cho biết: “Trên thực tế, xương của bất cứ phần thêm vào ngoài cơ thể của một động vật là kết quả của chương trình phát triển di truyền hình thành nên mang cá mập. Chúng tôi đã theo dấu nguồn gốc tiến hóa của chương trình phát triển di truyền hình thành nên vây và chi”.

Phát hiện mới này phù hợp với một lý thuyết cũ, thường không được nhắc đến trong các sách khoa học, rằng vây và chi tiến hóa từ mang của một loài có xương sống đã tuyệt chủng. Gillis thêm vào: “Sự khan hiếm hóa thạch ngăn cản chúng tôi đưa ra kết luận cuối cùng rằng vây tiến hóa từ mang. Tuy nhiên, nghiên cứu này cho thấy cấu trúc di truyền của mang, vây và chi là giống hệt nhau”.

Nghiên cứu dựa trên phát hiện hóa thạch Tiktaalik, một loài cá có chân, mang tính đột phát của Neil Shubin và các đồng nghiệp năm 2006. Shubin, tác giả chính của bài báo trên PNAS, giáo sư trưởng khoa sinh vật học tiến hóa tại Đại học Chicago, nhận xét: “Đây là một bằng chứng nữa về việc chu trình tiến hóa sử dụng những chương trình phát triển thông thường để cấu tạo nên các cấu trúc giải phẫu khác nhau. Trong trường hợp này, cơ chế phát triển chung của hình thành nên xương mang và vây của loài có xương sống”.

Xương mang. Xương mang vòng (trái) cho thấy mang dạng tia nguyên thủy chỉ có ở cá mập và các loài cá sụn khác. Mang của các loài cá khác (phải) cũng vòng nhưng không có các tia. Đặc tính nguyên thủy này của cá mập cho phép các nhà khoa học kết nối chương trình phát triển di truyền của vây và chi với chương trình phát triển di truyền nguyên thủy của mang. (Ảnh: J. Andrew Gillis, Đại học Chicago).

Nghiên cứu cũng lần đầu tiên cho thấy xương vòng mang của phôi cá đuối (họ hàng của cá mập có mang dạng tia) phản ứng với việc chữa trị bằng axit retinoic có nguồn gốc vitamin A tương tự như xương chi hoặc vây: bằng cách tạo một bản sao của cấu trúc khi phôi phát triển. Theo các nhà nghiên cứu, vòng di truyền hình thành nên những bộ phận theo cặp ngoài cơ thể (tay, chân và vây) có nguồn gốc tiến hóa sớm hơn bản thân những bộ phận này.

Gillis cho biết: “Những phát hiện này cho thấy khi những bộ phận theo cặp xuất hiện, cơ chế được sử dụng để cấu taọ xương chính là cơ chế hình thành nên mang. Có thể chúng ta nên quan niệm mang cá mập là một bộ phận ngoài cơ thể khác của động vật có xương sống – được hình thành tương tự như vây và chi”.

Những đặc điểm cấu trúc, chức năng và điều tiết tương tự giữa những bộ phận theo cặp và mang dạng tia, cũng như tính nguyên thủy của mang so với những bộ phận theo cặp, cho thấy mạng lưới tín hiệu do axit retinoic gây ra có chức năng cấu tạo mang trước khi những bộ phận theo cặp ở động vật có xương sống xuất hiện.

Tham khảo:
J. Andrew Gillis, Randall D. Dahna, and Neil H. Shubin. Shared developmental mechanisms pattern the vertebrate gill arch and paired fin skeletons. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009; DOI: 10.1073/pnas.0810959106