Giao hợp chẳng khác gì một loại ma thuật phân tử với cái giá rất đắt - vậy tại sao nó lại tiến hóa?

Về cơ bản, giao hợp là một quá trình trộn gen: nó tạo ra những bộ gen và đặc điểm tổng hợp riêng biệt khác hẳn với cả cha lẫn mẹ. Với sinh vật nhân chuẩn (như động vật, thực vật), những cỗ máy phân tử của sự tái tổ hợp sẽ phá vỡ nhiễm sắc thể thành từng khối, chỉ để cho những mẩu nguyên bản của cha và mẹ đoàn tụ lại thành một hoán vị hoàn toàn mới rồi truyền qua thế hệ con cháu: một hành động khác thường của ma thuật phân tử, dần hoàn hảo qua hàng tỉ năm tiến hóa.

Nhưng những quá trình ở cấp độ phân tử của tái tổ hợp lại không phải là thứ khiến những nhà sinh vật học say đắm nhất, mà ngay từ đầu chính là việc trộn gen dưới hình thức giao hợp, mặc cho nó tốn quá nhiều sức lực. Những nhà lý thuyết tiến hóa đều cho rằng nhân bản là cách sinh sản hiệu quả hơn, và trong một thế giới được điều hành bởi chọn lọc tự nhiên, nó sẽ phải đánh bại giao hợp.

Lấy ví dụ, một con cái sinh sản vô tính, sẽ sinh ra số con gấp đôi so với qua giao hợp, tránh được gánh nặng từ con đực hay phải tìm bạn tình thích hợp.

Giao hợp còn chẳng có mặt ở vi khuẩn – những tế bào sống đơn giản và lâu đời nhất trên Trái Đất – sinh sản chỉ bằng cách tách ra làm hai. Tiến hóa muộn hơn hẳn, sinh vật nhân chuẩn mang theo những tế bào lớn và phức tạp hơn rất nhiều, bên trong chúng đầy những bào quan và mê cung màng tế bào cùng với những máy móc phân tử tinh vi và mạng lưới truyền dẫn. Không như vi khuẩn, rất ít loài nhân chuẩn quay lại với sinh sản vô tính, và vòng đời của những loài đó dường như quá ngắn ngủi so với lịch sử tiến hóa. Giao hợp phải trả giá đắt, nhưng nó cũng cần thiết cho sự tồn tại lâu dài của sự sống phức tạp.

Rất nhiều lý thuyết gia tài năng vẫn luôn nỗ lực để tìm hiểu. Hàng ngàn lời giải thích xuất hiện trên tạp chí khoa học và sách báo – từ những giả thuyết sơ khai như giao hợp tạo ra biến thể và tăng tốc thích nghi, cho tới vật mẫu toán học giải thích rằng xáo trộn gen sẽ kháng lại ký sinh trùng và làm chậm sư tích tụ của các khuyết tật di truyền nguy hiểm. Nhưng cho dù có được sự chú ý lớn đến nhường nào đi nữa qua nhiều năm, vấn đề này vẫn được cho là chưa có lời giải đáp.

Vì sao?

Những giả thuyết kinh điển đó về cơ bản đều không sai; trái lại, rất nhiều trong số đó được hỗ trợ rất nhiều tiền, và vẫn phát triển mạnh. Nhưng lời giải thích cổ điển được phát triển từ sinh vật nhân chuẩn hiện đại, chỉ có thể giải thích phần hiện đại của câu đố tiến hóa – vì sao giao hợp vẫn tồn tại ở sinh vật phức tạp hiện đại. Chúng không thể cho ta biết giao vì sao và giao hợp lần đầu xuất hiện như thế nào.

Cũng không có gì đáng ngạc nhiên. Những thuyết cổ điển được được xây dựng khi mốc tiến hóa của nguồn gốc của giao hợp chưa được biết đến, và cái nhìn về nguồn gốc của bản thân tế bào phức tạp cũng đã đầy quan niệm sai lầm.

Nhưng những thập kỷ gần đây đã cho thấy biến chuyển trong sự hiểu biết về việc sự sống phức tạp trở thành thực thể như thế nào. Phân tích thành phần di truyền cho thấy gen cần thiết cho sinh sản hữu tính có ở mọi nhóm sinh vật nhân chuẩn, từ động vật tới thực vật, hay amip đơn bào. Tổ tiên chung cuối cùng của mọi sinh vật nhân chuẩn và tế bào phức tạp thực sự đầu tiên vốn đã sinh sản hữu tính – đó là lý do vì sao giải pháp cuối cùng cho bí ẩn tiến hóa của giao hợp nên được tìm kiếm từ chính nguồn gốc của sinh vật nhân chuẩn.

Tiến hóa sơ khai của sự sống phức tạp vẫn còn cần một quãng đường dài để hiểu rõ hoàn toàn, nhưng ta đã có một ý niệm cơ bản về việc nó bắt đầu như nào. Khoảng 2 tỉ năm trước tại một thế giới thống trị bởi vi sinh vật, một loài vi khuẩn đã hình thành nên một quan hệ công sinh gần gũi với một tế bào đơn giản – một vi khuẩn archaea. Sự tương tác quá bền chặt khiến vi khuẩn cộng sinh còn sinh sống ở bên trong vi khuẩn archaea và biến đổi thành mitochondria – bào quan chuyên sản xuất năng lượng của tế bào của ta. Các tế bào chimera phát triển và lan rộng, sử dụng vật liệu di truyền của cả đối tác lẫn nguồn năng lượng mới để rèn nên một tế bào phức tạp chưa từng có, tạo ra vô số đặc trưng của sinh vật nhân chuẩn – bao gồm cả giao hợp.

Nhưng Nick Lane, tác giả của Power, Sex, Suicide (2005), còn cho rằng giao hợp không đơn giản chỉ là một trong những sáng tạo tiền nhân chuẩn – nó chính là chìa khóa cho sự tồn tại của những tế bào phức tạp mới nổi. Sự chuyển hóa thành sinh vật nhân chuẩn vốn bị những thách thức bao vây – không chỉ riêng chuyện một loại vi khuẩn phải tồn tại bên trong một tế bào ngoại lai, mà còn bởi cuộc cách mạng khổng lồ về gen đang diễn ra khi đó: những mảnh DNA của vi khuẩn thường xuyên được chuyển vào hệ gen của vật chủ, trong khi nhiễm sắc thể tròn bị phá vỡ thành những mảnh tuyến tính, mỗi mảnh chỉ chứa một phần lượng gen quan trọng của tế bào.

Những thay đổi quá nhanh trong cấu trúc hệ gen rất quan trọng trong việc đưa những tế bào nhân chuẩn về chung một mối, nhưng chúng cũng đã khiến thành phần di truyền của tế bào không ổn định. Cắt nhiễm sắc thể thành nhiều mảnh có thể dễ dàng sinh ra các khuyết tật chết người. Nhiễm sắc thể mới phân vùng không chính xác cũng có thể tiêu diệt tế bào trong lần phân chia tế bào tiếp theo. Nguy cơ luôn hiện hữu trong mọi bước, mà hầu hết sai lầm đều bị trừng phạt bởi cái chết.

Lane tin rằng tế bào tiền nhân chuẩn đã được cứu cánh bởi chính khả năng dung hợp với những tế bào tương đồng của chúng – một khả năng mà vi khuẩn không hề có. Những tế bào sẽ cùng đem tới bản sao hệ gen của chúng, từ những cá thể khác nhau và mỗi bản sao đều chứa một bộ biến dị khác nhau hoặc gen cộng sinh mới có được. Dung hợp tế bào sẽ che đi những dị tật chết người và đảm bảo rằng vật chủ luôn có được đầy đủ những bộ nhiễm sắc thể không thể thiếu và các gen quan trọng. Sự dung hơp đã tạo điều kiện cho xáo trộn gen thông qua tái tổ hợp tái phát, ổn định hệ gen, và thúc đẩy sử mở rộng sau này của nó.

Bất kể lợi ích ban đầu của dung hợp tế bào sinh sản hữu tính là gì, kết quả vẫn là rất lớn. Giao hợp đã giải cứu những tế bào nhân chuẩn mới mẻ vào lúc chúng mong manh nhất; không có giao hợp, sự chuyển đổi tiến hóa rõ ràng sẽ thất bại. Trong khi giao hợp dường như rất quan trọng với sự tồn tại lâu dài của sinh vật nhân chuẩn hiện đại, bản thân nó lại không phải là một sáng tạo của tế bào nhân chuẩn.

Có lẽ tế bào nhân chuẩn chỉ có thể tiến hóa bởi giao hợp – thông qua dung hợp tế bào và tái tổ hợp – đã được sinh ra từ những dòng dõi gen chimera cổ đại dẫn tới tổ tiên chung cuối cùng của mọi sự sống phức tạp.