DNA 360.000 năm tuổi đã hé mở ánh sáng mới về lịch sử tiến hóa của gấu hang động

Hóa thạch mà nhóm nghiên cứu phân tích thuộc về loài gấu hang động của kỷ Pleistocen có tên là Ursus kudarensis praekudarensis, chúng được cho là tổ tiên của loài gấu hang động Caucasian - Ursus kudarensis kudarensis.

Mẫu vật được tìm thấy trong hang động Kudaro nằm ở Nam Caucasus, Ossetia, Georgia. Tiến sĩ Axel Barlow, nhà nghiên cứu tại Đại học Nottingham Trent và Đại học Potsdam cho biết: "Việc phân tích toàn bộ dữ liệu bộ gen của chúng đã tiết lộ một lịch sử tiến hóa mới của loài gấu hang động".

Ông và các đồng nghiệp của mình đã phân tích và tách ra hàng tỷ chuỗi DNA ngắn riêng lẻ đại diện cho hỗn hợp DNA từ loài gấu hang động khỏi chất gây ô nhiễm tích tụ ở hóa thạch trong hàng trăm nghìn năm qua.

Gấu hang động, họ hàng lớn hơn và ăn chay của gấu Bắc Cực và gấu nâu, đã chết ở khu vực ngày nay là Georgia trong kỷ Pleistocen giữa. Loài gấu hang rất to lớn, con đực nặng tới 2.200 pao (khoảng 1 tấn). Trọng lượng tối đa của cả loài gấu Kodial và gấu Bắc Cực - cá thể lớn nhất đang tồn tại ngày nay chỉ khoảng 1.760 pao (800 kg), còn trọng lượng trung bình là 1.100 pao (500 kg).

Tiến sĩ Barlow cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy phân tử tuyệt vời này có thể tồn tại lâu hơn những gì mà chúng ta nghĩ trước đây, đồng thời cũng mở ra cơ hội mới cho việc điều tra di truyền ở những khoảng thời gian bị bỏ ngỏ trước đó".

"Chúng tôi đã phát hiện và phân tích được một chiếc xương hóa thạch có niên đại lâu đời hơn khoảng 7 lần so với bất kỳ mẫu hóa thạch nào chúng tôi đã nghiên cứu trước đây, nghiên cứu cho thấy dữ liệu bộ gen có thể được phục hồi từ các mẫu vùng ôn đới kéo dài hơn 300.000 năm".

"Điều này còn cho thấy một thực tế là loài gấu hang động có thể đã tồn tại trên Trái Đất trước cả khi loài của chúng ta - Homo sapiens xuất hiện".

Sau đó, các nhà khoa học sử dụng phân tích, tính toán để sắp xếp các trình tự gen ngắn với bộ gen tham chiếu của một sinh vật có liên quan, trong trường hợp này là gấu Bắc Cực.

Nhóm nghiên cứu giải thích: "Từ tổng số 2,6 tỷ phân tử được sắp xếp theo trình tự, chúng tôi có thể lập bản đồ 2,1 Gb của trình tự với độ tin cậy cao cho tập hợp bộ gen tham chiếu của gấu Bắc Cực".

Rất nhiều nhà khoa học trước đây khẳng định rằng gấu hang tồn tại ít nhất cách đây 15.000 năm trước, nhưng phương pháp nghiên cứu của các khảo sát trước đây có nhiều sai lầm trong xác định niên đại cũng như nhầm lẫn giữa loài gấu hang và gấu nâu. Cái tên "hang động" bắt nguồn từ việc những hóa thạch của loài này được tìm thấy chủ yếu trong các hang động, điều này cho thấy rằng gấu hang động có thể đã dành nhiều thời gian hơn trong các hang động hơn so với gấu nâu - sử dụng các hang động chỉ để ngủ đông.

Để tìm hiểu thêm về quá trình tiến hóa của gấu hang động, nhóm nghiên cứu đã thu thập bộ gen của gấu hang động Ursus kudarensis praekudarensis, sau đó so sánh với những loài khác từ 35.000 đến 70.000 năm trước để cung cấp mẫu gen về tất cả các dòng gấu hang động chính.

Vì sự khác biệt về thời gian giữa các mẫu hóa thạch của gấu hang động là rất lớn, nên nhóm nghiên cứu có thể đếm được có bao nhiêu đột biến DNA đã xảy ra trong khoảng thời gian này.

Từ đây, họ có thể tính toán tỷ lệ đột biến DNA trong bộ gen của gấu hang động, cũng như thời gian mà các dòng giống khác nhau phân hóa.

Sử dụng tỷ lệ đột biến mới được tính toán, họ phát hiện ra rằng gấu hang động và họ hàng còn sống của chúng - gấu nâu và gấu Bắc Cực - đã tách ra khỏi tổ tiên chung cách đây khoảng 1,5 triệu năm.

Trong khi trước đây họ đã chỉ ra rằng gấu hang động đã lai với gấu nâu, với tỷ lệ đột biến nhất định, và giờ đây họ có thể xác định niên đại của những sự kiện này.

Niên đại tuyệt chủng mới xác định là cách đây 27.800 năm, thời gian này trùng hợp với giai đoạn biến đổi khí hậu đáng kể gọi là Last Glacial Maximum khi mà nhiệt độ hạ thấp khiến những loài thực vật mà gấu hang ăn không còn (loài gấu nâu hiện nay là loài ăn tạp). Mất nguồn cung cấp thức ăn dẫn đến sự tuyệt chủng của loài gấu hang Ursus spelaeus, một trong nhóm động vật to lớn bao gồm cả loài voi mamut, tê giác lông mịn, nai khổng lồ và sư tử sống trong hang.

Các tác giả phát hiện ra rằng gấu hang thường xuyên trao đổi ADN ty thể trong quá trình tiến hóa của chúng. Họ cũng phát hiện ra rằng nhiều sự kiện quan trọng trong quá trình tiến hóa của loài gấu có thể được thúc đẩy bởi sự thay đổi khí hậu toàn cầu khoảng một triệu năm trước, khi các pha lạnh ngày càng kéo dài và cường độ cao hơn và các pha ấm.

Tiến sĩ Barlow cho biết: "Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể xác định tỷ lệ đột biến của bộ gen gấu hang động".

"Sử dụng thông tin này, chúng tôi đã phát hiện ra rằng những thay đổi lớn về khí hậu có thể là yếu tố thúc đẩy các sự kiện tiến hóa lớn ở những con gấu khổng lồ này".