Nguồn gốc đôi cánh của côn trùng từ đâu?

Ngày nay, cua, tôm hùm, tôm hay tôm càng hiện đại đôi khi được gọi là bọ biển, và là một phần của họ động vật chân đốt, được đánh dấu bằng lớp giáp cơ thể chắc chắn và các khớp phân đoạn.

Các nhà khoa học tin rằng những loài côn trùng đầu tiên xuất hiện cách đây khoảng 480 triệu năm, tiến hóa từ các dạng động vật giáp xác dưới nước. Khi các hệ sinh thái trên cạn trở nên phức tạp hơn, khoảng 80 triệu năm sau, đôi cánh sẽ cho phép chúng bay lên không trung.

Nếu họ đúng, điều đó có nghĩa là những loài côn trùng sớm nhất đã "vo ve" quanh hành tinh của chúng ta từ rất lâu trước cả chim, dơi và chim ăn thịt. Câu hỏi được đặt ra đó là, chúng có khả năng đó từ đâu?

Đó là một câu hỏi đơn giản nhưng đã làm các chuyên gia đau đầu trong nhiều thế kỷ. Một giả thuyết cho rằng cánh côn trùng là một tính chất mới trong quá trình tiến hóa, mọc lên từ các chồi ngẫu nhiên của mô trong quá trình phát triển.

Quan điểm gần đây hơn đề xuất chúng hình thành từ các cấu trúc hiện có đã có ở các loài giáp xác cổ đại, dần dần biến đổi theo thời gian thành một thứ gì đó hữu ích hơn. Mang của những loài giáp xác cổ đại là một trong những ứng cử viên phần phụ hàng đầu vì chúng sở hữu cả khớp và cơ. Ở một số ấu trùng giáp xác, chúng thậm chí trông giống như những chiếc cánh nhỏ.

Nhưng hai nghiên cứu mới về họ hàng xa của côn trùng có cánh cho thấy chân của chúng phù hợp hơn.

Nghiên cứu đầu tiên cho thấy một mạng lưới gene tương tự như của cánh côn trùng hoạt động ở cả lớp giáp cơ thể của loài giáp xác và phần chân gần nhất với cơ thể của loài tôm. Điều này cho thấy bằng cách nào đó cả hai đã chui qua thành cơ thể và chui ra ngoài để tạo thành cánh.

Nghiên cứu thứ hai sau khi tìm ra một số gene nhất định, các nhà nghiên cứu so sánh cách sáu đoạn chân trên ruồi giấm và các loài côn trùng khác xếp hàng với bảy hoặc tám đoạn chân được tìm thấy trên P. hawaiensis (tôm Hawaii).

Cuối cùng, sáu đoạn đầu tiên của chân giáp xác, từ "ngón chân" về phía cơ thể, khớp gọn gàng với sáu đoạn đầu tiên được tìm thấy trên chân côn trùng. Nhưng điều này đặt ra câu hỏi, phân đoạn bảy và tám ở động vật giáp xác ở côn trùng đã đi đâu?

Các tác giả đã tìm thấy câu trả lời của họ trong một bài nghiên cứu viết năm 1893. Nó cho thấy những thùy gần trên chân của loài giáp xác đã hợp nhất vào thành cơ thể của côn trùng. Kể từ đó, người ta nhận thấy rằng trong nhiều phôi côn trùng, đoạn chân gần cơ thể nhất thực sự hợp nhất với thành cơ thể trong quá trình phát triển.

Nhà sinh vật học phân tử Heather Bruce từ Viện Hải dương học Woods Hole giải thích: "Tôi vẫn chưa hiểu được phần chính của câu chuyện. Vì vậy, tôi tiếp tục đọc và tôi bắt gặp lý thuyết những năm 1980 nói rằng không chỉ côn trùng kết hợp vùng chân gần của chúng vào thành cơ thể, mà các thùy nhỏ trên chân sau đó di chuyển lên lưng và tạo thành cánh".

Sử dụng dữ liệu gene và phôi thai, Bruce và các đồng nghiệp của cô đã tìm thấy bằng chứng chứng minh điều này. Đầu tiên, các thùy chân gần trở nên tích hợp vào thành cơ thể. Sau đó, khi ở đó đoạn gần nhất di chuyển lên phía sau, để sau này hình thành cánh côn trùng.

"Quan điểm bổ sung về gene chân và gene cánh dẫn đến các nhóm này đồng ý về câu trả lời cho một số câu hỏi chính về sự biến đổi côn trùng giáp xác có cánh", hai chuyên gia độc lập viết trong bài đánh giá về hai nghiên cứu của Nature Ecology và Evolution cho biết.

Tuy nhiên, các nghiên cứu không đồng ý về mọi thứ. Nghiên cứu đầu tiên ủng hộ giả thuyết "nguồn gốc kép", cho rằng các đoạn chân gần nhất và thành cơ thể đều góp phần vào sự phát triển của cánh.

Bài báo thứ hai đề xuất một sự chuyển đổi dần dần và phức tạp hơn, chủ yếu liên quan đến các đoạn chân. Theo phát hiện của các nhà khoa học, hai đoạn chân gần nhất đầu tiên hợp nhất vào thành cơ thể của côn trùng, sau đó chỉ đoạn chân gần nhất ép ra phía sau để tạo thành cánh.

Sự khác biệt là nhỏ và cần phải nghiên cứu thêm để chỉ ra cái nào - nếu một trong hai - là đúng hơn. Nhưng những điểm tương đồng giữa các nghiên cứu cung cấp một giải pháp thuyết phục cho câu hỏi lý thuyết nào trước đây về sự tiến hóa của cánh côn trùng là đúng.

Nhà nghiên cứu Bruce đã tranh cãi trong nhiều năm rằng các loài giáp xác tổ tiên từng có tám đoạn chân. Cô lập luận, một trong số này đã được kết hợp vào thành cơ thể, trong khi ở ruồi giấm, một trong số này đã được kết hợp vào thành cơ thể và cái kia vào cánh của nó sau này.

Điều này làm cho cánh côn trùng trông giống như nguồn gốc kép, nơi thành cơ thể và chân hòa trộn để tạo thành đôi cánh. Trong khi trên thực tế, các tác giả cho biết bản thân thành cơ thể côn trùng có nguồn gốc từ các đoạn chân gần nhất.

"Trong khi đôi cánh là sự phát triển vượt trội so với thành cơ thể côn trùng hiện nay, chúng có nguồn gốc từ đoạn chân của động vật chân đốt tổ tiên", các nhà nghiên cứu kết luận.

Đó là một ý tưởng gọn gàng giúp đưa ra nhiều giả thuyết cạnh tranh, nhưng xét trên tất cả các xác suất, nó sẽ không kết thúc bí ẩn. Chỉ trong 10 năm qua, chúng ta đã hiểu thêm rất nhiều về sự tiến hóa của côn trùng.

Trước khi nghiên cứu bộ gene, các nhà nghiên cứu thậm chí còn không nhận ra động vật giáp xác và côn trùng có quan hệ họ hàng chặt chẽ với nhau trong họ động vật chân đốt. Đó là lý do tại sao nhiều người nghĩ rằng cánh côn trùng đã mọc ra từ… hư không.

Mang, chân phân khúc và cơ thể giáp xác giờ đây đã cho chúng ta những mục tiêu trực tiếp để nghiên cứu.

"Mọi người rất hào hứng với ý tưởng cho rằng một thứ giống như cánh côn trùng có thể là một phát kiến mới của quá trình tiến hóa. Nhưng một trong những câu chuyện nổi lên từ việc so sánh bộ gene là không có gì là mới cả. Mọi thứ đều đến từ đâu đó. Và trên thực tế, bạn có thể tìm ra từ đâu", các nhà nghiên cứu nói thêm.

Tạp chí Nature kết luận: "Mặc dù nguồn gốc của đôi cánh côn trùng vẫn còn bí ẩn, nhưng nghiên cứu của cả hai nhóm cho thấy những con đường thú vị để giải quyết bí ẩn này".