Thí nghiệm tiến hoá Lenski: hơn 75.000 thế hệ vi khuẩn E. coli

Thí nghiệm tiến hoá dài hạn của Richard Lenski bắt đầu ngày 24/2/1988 với 12 quần thể vi khuẩn E. coli sinh ra từ cùng một tổ tiên, nuôi trong môi trường nghèo đường glucose và được chuyển sang bình mới mỗi ngày. Tính tới đầu thập niên 2020, các quần thể đã trải qua hơn 75.000 thế hệ. Đây là cách hiếm hoi để nhìn tận mắt tiến hoá diễn ra, và nó chỉ làm được nhờ một việc nhàm chán lặp lại gần như mỗi ngày suốt hơn ba mươi năm.

Câu hỏi: nếu tua lại cuộn phim sự sống

Nhà cổ sinh vật học Stephen Jay Gould từng đặt một câu hỏi nổi tiếng: nếu tua lại cuộn phim lịch sử sự sống từ đầu và cho chạy lại, liệu ta có được thế giới giống hôm nay không? Hay chỉ một khác biệt nhỏ ban đầu cũng dẫn tới kết cục hoàn toàn khác?

Với khủng long hay loài người, câu hỏi ấy không thể thử. Nhưng với vi khuẩn thì có thể làm một phiên bản thu nhỏ. E. coli sinh sản nhanh, có thể đông lạnh rồi hồi sinh, và nhiều quần thể có thể chạy song song trong cùng điều kiện. Năm 1988, nhà sinh học Richard Lenski, khi đó ở Đại học California tại Irvine, quyết định làm đúng việc ấy.

Cách làm: một phần trăm mỗi ngày

Lenski lấy một dòng E. coli duy nhất làm tổ tiên, chia thành 12 bình giống hệt nhau. Mỗi bình chứa môi trường nuôi cấy có rất ít glucose, đủ để vi khuẩn sống nhưng phải cạnh tranh nhau. Mỗi ngày, người làm thí nghiệm lấy một phần trăm dung dịch của mỗi bình sang bình mới. Vi khuẩn trong bình mới ăn hết đường, sinh sôi gấp khoảng một trăm lần, tức khoảng sáu tới bảy thế hệ, rồi lại chờ lần chuyển hôm sau.

Điểm thông minh nhất là tủ đông. Vi khuẩn E. coli chịu được đông lạnh và sống lại khi rã đông. Nghĩa là Lenski có trong tay những tổ tiên từ mọi thời kỳ, có thể đem ra đặt cạnh con cháu để so sức cạnh tranh, hoặc cho tiến hoá lại từ một điểm trong quá khứ. Không nhà cổ sinh vật học nào có được thứ đó với hoá thạch.

Những gì đã thấy sau hàng chục nghìn thế hệ

Thích nghi không dừng lại

Cả 12 quần thể đều ngày càng giỏi sống trong môi trường nghèo đường, tăng nhanh nhất trong vài nghìn thế hệ đầu rồi chậm lại. Nhiều người đoán rằng sức thích nghi sẽ chạm trần. Nhưng phân tích công bố năm 2013 trên tạp chí Science cho thấy đường cong vẫn tiếp tục đi lên, chậm dần nhưng không dừng, ít nhất trong khoảng thời gian đã đo.

Một quần thể học được cách ăn món mới

Môi trường nuôi có chứa citrate, một chất mà E. coli bình thường không ăn được khi có oxy. Khoảng thế hệ thứ 31.000 (quanh năm 2003), một trong 12 quần thể bỗng phát triển khả năng dùng citrate làm thức ăn. Mật độ vi khuẩn trong bình ấy tăng vọt, dung dịch đục hẳn lên.

Câu hỏi lớn là vì sao chỉ một quần thể, và vì sao phải tới 31.000 thế hệ. Nhóm của Lenski, với nghiên cứu sinh Zachary Blount, lấy các mẫu đông lạnh từ những thời điểm khác nhau của quần thể ấy, cho tiến hoá lại nhiều lần. Kết quả công bố năm 2008: khả năng ăn citrate dễ xuất hiện lại hơn khi bắt đầu từ các mẫu muộn. Tức là trước đó đã có những đột biến "chuẩn bị đường", vô hình, không có tác dụng rõ, nhưng làm cho bước nhảy về sau có thể xảy ra. Lịch sử có tính ngẫu nhiên và tích luỹ: câu trả lời cho câu hỏi của Gould, ít nhất ở vi khuẩn, là "một phần có, một phần không".

Có quần thể đột biến nhanh hơn hẳn

Một số quần thể mang đột biến làm hỏng cơ chế sửa lỗi ADN, nên tích luỹ đột biến nhanh hơn nhiều lần. Đây là ví dụ cụ thể cho việc tốc độ tiến hoá cũng tự tiến hoá.

Cuộc chờ dài trong phòng thí nghiệm trông như thế nào

Đằng sau những phát hiện đăng trên tạp chí lớn là một nhịp sống rất đều: mỗi ngày một người trong phòng thí nghiệm chuyển 12 bình, ghi sổ, kiểm tra nhiễm bẩn. Cuối tuần, ngày lễ cũng vậy. Khi Lenski chuyển từ California về Đại học Michigan State đầu thập niên 1990, các quần thể được đông lạnh để "đi" cùng ông, rồi rã đông chạy tiếp. Năm 2020, khi đại dịch đóng cửa các phòng thí nghiệm, thí nghiệm cũng tạm dừng bằng cách đông lạnh. Nhờ tủ đông, mỗi lần dừng không làm mất gì.

Năm 2022, Lenski trao việc chăm sóc các quần thể cho nhà sinh học Jeffrey Barrick ở Đại học Texas tại Austin, một cộng sự lâu năm, để thí nghiệm có thể chạy tiếp sau khi ông nghỉ.

Để hình dung con số: 75.000 thế hệ người, mỗi thế hệ khoảng 25 năm, tương đương gần hai triệu năm. Một phòng thí nghiệm nhỏ đã nén được khoảng thời gian tiến hoá ấy, ở vi khuẩn, vào chừng ba mươi mấy năm.

Những hiểu lầm hay gặp

• "Vi khuẩn biến thành loài khác": chưa. Các quần thể vẫn là E. coli. Khả năng ăn citrate là một bước thay đổi lớn, giới khoa học còn bàn có nên coi là bước đầu của tách loài hay không.
• "Tiến hoá luôn hướng tới phức tạp hơn": không. Nhiều thay đổi trong thí nghiệm là mất bớt chức năng không cần thiết trong môi trường đơn giản.
• "Thí nghiệm này tạo ra vi khuẩn nguy hiểm": dòng E. coli dùng trong thí nghiệm là dòng phòng thí nghiệm, không gây bệnh, và môi trường nuôi không có kháng sinh để chọn lọc kháng thuốc.

Góc nhìn hôm nay: thứ làm nên bước nhảy là những thay đổi không ai thấy

Phát hiện về citrate có một ý nghĩa vượt ra ngoài sinh học: bước nhảy lớn ở thế hệ 31.000 chỉ có được nhờ những thay đổi nhỏ trước đó, những thay đổi mà nếu nhìn lúc ấy thì chẳng thấy gì đặc biệt. Học một nghề, chăm một mảnh vườn hay nuôi một đứa trẻ cũng có những giai đoạn như vậy, khi bên ngoài trông như đứng yên.

• Ghi chép giai đoạn "không có gì xảy ra": Lenski có tủ đông, ta có sổ tay. Những ghi chép tưởng nhàm hôm nay sẽ giải thích được bước nhảy ngày mai.
• Thiết kế cho việc dừng giữa chừng: cái tủ đông cho phép thí nghiệm dừng khi chuyển trường, khi dịch bệnh mà không mất gì. Việc dài hạn của ta cũng cần chỗ "đông lạnh" như vậy: một bản ghi đủ để quay lại sau kỳ nghỉ, sau lúc ốm.
• Trao lại đúng lúc: chuyển cho người kế nhiệm khi mình còn minh mẫn mới là cách giữ cho việc sống lâu.

Muốn đọc thêm, trang của dự án (E. coli Long-Term Evolution Experiment) có danh sách công trình, nhiều bài mở cho mọi người đọc. Sách phổ biến khoa học Improbable Destinies của Jonathan Losos dành nhiều trang kể về thí nghiệm này, dễ đọc với người không học sinh học.