“Thử thách nước đá” cho thấy vi khuẩn có thể dự đoán các mùa

Theo nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của ‘thử thách nước đá’, vi khuẩn đã sử dụng đồng hồ sinh học 24 giờ để dự đoán sự xuất hiện của các mùa mới.

Khám phá này có thể có ý nghĩa sâu sắc đối với việc tìm hiểu vai trò của nhịp sinh học - một phiên bản phân tử của đồng hồ sinh học - trong việc thích nghi của các loài từ động vật di cư đến thực vật có hoa với sự biến đổi khí hậu.

Nhóm nghiên cứu sau những phát hiện này đã cung cấp cho quần thể tảo lam (vi khuẩn lam) những chuỗi ngày nhân tạo có thời gian kết thúc ngày khác nhau với nhiệt độ ấm không đổi. Các mẫu trải trên đĩa được lần lượt tiếp xúc với ngày ngắn, ngày xuân phân (thời gian ban ngày và ban đêm bằng nhau ở xích đạo) hoặc ngày dài và được theo dõi trong vòng tám ngày.

Sau khi xử lý, tảo lam được nhúng vào nước đá trong hai giờ và theo dõi tỷ lệ sống sót.

Các mẫu được tiếp xúc với thử thách đóng băng trong nhiều ngày ngắn liên tiếp (8 giờ có ánh sáng và 16 giờ trong tối) đạt tỷ lệ sống sót 75%, cao hơn gấp ba lần so với các khuẩn lạc không được mồi theo cách này.

Một ngày có thời gian ban ngày ngắn không đủ để tăng khả năng chịu lạnh của vi khuẩn. Chỉ khi nhiều ngày ngắn và tối ưu với thời gian thực hiện từ sáu đến tám ngày, thì khả năng sống của vi khuẩn mới được cải thiện đáng kể.

Ở vi khuẩn lam có gen tạo nên đồng hồ sinh học bị loại bỏ, tỷ lệ sống sót là như nhau bất kể độ dài ngày. Điều này chỉ ra rằng quang chu kỳ (khả năng đo chu kỳ ngày – đêm và thay đổi sinh lý của sinh vật để dự đoán mùa sắp tới) rất quan trọng trong việc chuẩn bị cho vi khuẩn trước những thay đổi môi trường dài hạn như một mùa mới hoặc sự thay đổi khí hậu.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu là tiến sỹ Luísa Jabbur, cũng là nghiên cứu viên tại Đại học Vanderbilt của tiểu bang Tennessee thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của giáo sư Carl Johnson và hiện cũng là Nghiên cứu viên khám phá BBSRC tại Trung tâm John Innes giải thích rằng: “Những phát hiện chỉ ra rằng vi khuẩn trong tự nhiên sử dụng đồng hồ sinh học bên trong chúng để đo độ dài ngày và khi số ngày ngắn đạt đến một điểm nhất định như khi xảy ra vào mùa thu/đông, chúng sẽ ‘chuyển’ sang một chế độ sinh lý khác để dự đoán những thách thức cho mùa đông sắp tới”.

Phòng thí nghiệm Johnson là nơi có lịch sử lâu đời trong việc nghiên cứu đồng hồ sinh học của vi khuẩn lam theo cả góc độ cơ học và sinh thái.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng vi khuẩn có một phiên bản đồng hồ sinh học, có thể cho phép chúng đo được sự khác biệt về độ dài ngày – đêm, điều này mang lại lợi thế lớn cho quá trình tiến hóa.

Nghiên cứu này xuất hiện trên tạp chí Science và cũng là lần đầu tiên có người chỉ ra rằng quang chu kỳ ở vi khuẩn đã tiến hóa để dự đoán các tín hiệu theo mùa.

Dựa trên những phát hiện này, một chân trời khám phá khoa học hoàn toàn mới đang được chào đón. Câu hỏi quan trọng được đặt ra là: làm thế nào mà một sinh vật có tuổi thọ từ 6 đến 24 giờ lại có thể phát triển một cơ chế cho phép nó không chỉ phản ứng mà còn dự đoán các điều kiện trong tương lai?

Tiến sỹ Jabbur cho biết thêm: “Giống như chúng đang báo hiệu cho các tế bào con và tế bào cháu của chúng truyền đạt thông tin rằng những ngày có thời gian ban ngày đang ngắn lại, bạn cần phải làm gì đó”.

Tiến sỹ Jabbur và các đồng nghiệp tại Trung tâm John Innes với tư cách là một phần của Học bổng khám phá BBSRC đã sử dụng vi khuẩn lam làm mô hình sinh sản nhanh để tìm hiểu cách phản ứng quang chu kỳ có thể phát triển ở các loại khác trong quá trình biển đổi khí hậu với các ứng dụng đầy hứa hẹn cho các loại cây trồng chính.

Nguồn: Tiến sỹ Luísa Jabbur trong phòng thí nghiệm tại Trung tâm John Innes.

Một phần quan trọng của công trình này là tìm hiểu thêm về hệ thống bộ nhớ phân tử mà thông tin được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác ở các loài. Nghiên cứu sẽ khảo sát khả năng tích tụ các hợp chất vào ban đêm trong những ngày ngắn hoạt động như một công tắc phân tử kích hoạt sự thay đổi sinh lý hoặc một kiểu hình khác.

Đối với tiến sỹ Jabbur, những phát hiện này tương đương với một bước đột phá mới trong sự nghiệp khoa học trước sự hoài nghi ban đầu từ người cố vấn khoa học của bà và tác giả liên hệ của bài báo chính là giáo sư Carl Johnson.

Tiến sỹ Jabbur cho biết: “Ngoài việc là người dẫn dắt và là nguồn cảm hứng cho tôi, Carl còn hát trong dàn hợp xướng giao hưởng Nashville và ông ấy có giọng cười như nhạc kịch opera! Tiếng cười đó vang vọng khắp khoa phòng khi tôi lần đầu tiên phác thảo ý tưởng của mình khi muốn thực hiện thử thách băng giá, để xem liệu quang chu kỳ có phải là tín hiệu cho vi khuẩn lam trong thành phần tự nhiên của chúng hay không”.

Công bằng mà nói, ông ấy bảo tôi cứ làm thử và khi tôi tiến hành thử nghiệm, ông ấy chỉ cho tôi một tấm biển trên cửa có trích dẫn của Frank Westheimer rằng: ‘Tiến bộ được tạo ra bởi các nhà khoa học trẻ thực hiện các thí nghiệm mà các nhà khoa học già cho rằng sẽ không hiệu quả”.

“Điều đó đã đúng ngay lần đầu tiên. Sau đó, tôi lặp lại các thí nghiệm. Có điều gì đó rất quý giá khi nhìn vào bộ đĩa vi khuẩn có trên đó và nhận ra rằng tại thời điểm đó, bạn biết điều gì đó mà không ai khác biết được”.

Bùi Thị Huyền Nhung theo Trung tâm John Innes.