Các nhà sinh học tại Đại học Syracuse đang nghiên cứu cách thức sinh vật nhân chuẩn vi sinh vật phát triển mạnh trong môi trường khắc nghiệt của hồ địa nhiệt. Người ta ước tính có khoảng 8,7 triệu loài sinh vật nhân chuẩn trên Trái đất. Sinh vật nhân chuẩn được đặc trưng bởi một nhân và các bào quan có màng khác trong tế bào. Mặc dù mọi người thường liên tưởng sinh vật nhân chuẩn với động vật và thực vật, những dạng sinh vật nhân chuẩn này thực sự chỉ chiếm hai trong số sáu loại sinh vật nhân chuẩn chính.

Olivierio và Rappaport đã dành cả mùa hè để tiến hành nghiên cứu thực địa tại Công viên Quốc gia Núi lửa Lassen ở California, nơi có nhiều địa hình thủy nhiệt. Nguồn: Đại học Syracuse

Phần lớn đa dạng sinh học nhân chuẩn bao gồm các vi sinh vật đơn bào được gọi là sinh vật nguyên sinh. Bằng cách nghiên cứu những sinh vật này, các nhà khoa học có thể khám phá những con đường tiến hóa tạo nên sự đa dạng và phức tạp phong phú của sinh vật nhân chuẩn. Thông qua những nghiên cứu này, chúng ta có thể tìm hiểu về sự phát triển của đời sống động vật trên Trái đất, chẳng hạn như sự xuất hiện của đa bào.

Khi các nhà nghiên cứu nỗ lực hiểu rõ hơn về cơ chế đằng sau sự tiến hóa của các loài trên Trái đất, vẫn còn các câu hỏi về cách vi sinh vật nhân chuẩn thích nghi với môi trường khắc nghiệt của Trái đất. Để tìm hiểu sâu hơn về câu hỏi này, các nhà khoa học thuộc Khoa Sinh học của Trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật (A&S) hiện đang nghiên cứu các sinh vật bản địa sống trong một số môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái đất: các hồ địa nhiệt cực nóng và có tính axit.

Nhà sinh vật học A&S Angela Oliverio (trái) và Hannah Rappaport tại hồ địa nhiệt lớn nhất Hoa Kỳ tại Công viên Quốc gia Núi lửa Lassen ở California. Nguồn hình ảnh: Đại học Syracuse

Một nhóm do Angela Oliverio, trợ lý giáo sư sinh học dẫn đầu, vừa trở về từ Công viên Quốc gia Núi lửa Lassen ở California, nơi có hồ địa nhiệt lớn nhất Hoa Kỳ.

"Hồ là một đặc điểm địa nhiệt được làm nóng bằng hơi axit sunfat, có nghĩa là nó vừa khá nóng (khoảng 52°C/124°F) vừa có tính axit (khoảng pH 2)", Oliverio, người sẽ bắt đầu làm việc tại Đại học Syracuse vào năm 2022, cho biết. "Điều này khiến nơi đây trở thành một môi trường rất độc đáo để nghiên cứu các sinh vật ưa axit đa cực, là những sinh vật thích nghi với hai hoặc nhiều điều kiện khắc nghiệt—trong trường hợp này, nhiệt độ cao và độ pH thấp."

Vậy, làm sao họ biết đến hồ nước nóng ở California để tìm kiếm sự sống của vi sinh vật nhân chuẩn? Gần đây, Oliverio và Hannah Rappaport, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Oliverio, đã cùng xuất bản một bài nghiên cứu trên tạp chí Nature Communications. Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu đã thiết lập một cơ sở dữ liệu bao gồm nghiên cứu trước đây về việc tìm kiếm sự sống của vi sinh vật nhân chuẩn trong môi trường khắc nghiệt. Cụ thể, họ đã phân tích dòng sinh vật nhân chuẩn nào được phát hiện nhiều lần trong các nghiên cứu khác nhau trong điều kiện môi trường tương tự.

Hình ảnh một con amip (đốm tròn màu xám ở nền) và tảo đỏ (bốn hình bầu dục màu trắng ở phía trước) được chụp bằng kính hiển vi quang học của Hannah Rappaport. Các mẫu được lấy từ một hồ địa nhiệt ở Công viên Quốc gia Núi lửa Lassen. Nguồn hình ảnh: Đại học Syracuse

Olivierio cho biết: "Chúng tôi phát hiện ra rằng một số chủng amip có xu hướng được phục hồi từ môi trường nhiệt độ cực cao. Điều này cho thấy rằng việc nghiên cứu các chủng này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với cách tế bào nhân chuẩn thích nghi với cuộc sống trong môi trường nhiệt độ cực cao."

Theo Oliverio, một nghiên cứu đặc biệt được thực hiện bởi Phòng thí nghiệm Gordon Wolfe tại Đại học bang California, Chico đã chỉ ra rằng một loại amip có tên là thermomoebae có rất nhiều ở hồ địa nhiệt ở Công viên Quốc gia Lassen. Tuy nhiên, hiện tại không có dữ liệu di truyền cho sinh vật này. Việc xác định cách sinh vật này thích nghi với môi trường khắc nghiệt như vậy có thể mở rộng hiểu biết của chúng ta về loại môi trường nào trong vũ trụ phù hợp cho sự sống.

Mùa hè năm ngoái, Oliverio và Rappaport đã đến Công viên Quốc gia Lassen để tìm hiểu thêm về sinh vật nguyên sinh đặc biệt này và tìm kiếm các sinh vật nhân chuẩn cực đoan mới khác. Ở rìa hồ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một cây sào tre dài của họa sĩ có gắn một chai dung tích 1 lít lên trên để thu thập mẫu – một công việc không hề nhỏ khi xét đến nhiệt độ nước hồ lên tới hơn 100 độ F. Sau đó, những chiếc chai này được chuyển trở lại phòng thí nghiệm của Oliverio tại Đại học Syracuse, nơi nhóm nghiên cứu hiện đang phân lập các tế bào đơn lẻ để giải trình tự bộ gen và quan sát các đặc điểm của amip dưới kính hiển vi.

Nhà nghiên cứu Hannah Rappaport của Đại học Syracuse nhúng chai vào hồ nước nóng để lấy mẫu. Do nhiệt độ nước ấm và mặt đất không ổn định, các nhà nghiên cứu phải duy trì khoảng cách an toàn khi thu thập mẫu. Nguồn hình ảnh: Đại học Syracuse

Mặc dù vẫn còn nhiều điều chưa biết về cách sinh vật nhân chuẩn thích nghi với môi trường khắc nghiệt, Oliverio hy vọng nghiên cứu này sẽ giúp lấp đầy một số lỗ hổng kiến ​​thức hiện tại.

Hình ảnh amip (đốm tròn màu xám ở nền) và tảo đỏ (bốn hình bầu dục màu trắng ở phía trước) được chụp bằng kính hiển vi quang học của Hannah Rappaport. Các mẫu được lấy từ một hồ địa nhiệt ở Công viên Quốc gia Núi lửa Lassen.

Cô nói: "Chúng tôi nghi ngờ có điều gì đó đặc biệt về hình thái amip này cho phép nó tồn tại trong các dòng sinh vật nhân chuẩn này, nhưng cơ chế vẫn chưa được biết rõ. Dựa trên nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng việc chuyển gen ngang (chuyển động của thông tin di truyền giữa các sinh vật) và cắt bỏ bộ gen khỏi vi khuẩn. Phép trừ (khi bộ gen xóa các gen không cần thiết), cũng như việc mở rộng các họ gen đặc biệt hữu ích, có thể là một phương pháp một số cách mà sinh vật nguyên sinh có được bộ công cụ để tồn tại trong môi trường khắc nghiệt "

Những phát hiện ở quy mô bộ gen của nhóm nghiên cứu sẽ cung cấp dữ liệu quan trọng còn thiếu cho việc tái thiết cây sự sống. “Điều này sẽ làm sâu sắc hơn sự hiểu biết của chúng ta về sự phân bố và tiến hóa của sự sống trên Trái đất.”