Con người đang kiểm tra giới hạn tồn tại của hầu hết các loài với những thay đổi trên toàn hành tinh của chúng. Khi đô thị hóa, phá rừng, suy giảm động vật hoang dã và xung đột giữa con người với động vật hoang dã tiếp tục gia tăng, cần phải sử dụng mọi công cụ sẵn có để giúp bảo vệ những gì còn lại của tự nhiên. Hệ sinh thái phân tử là một trong những công cụ như vậy, chúng không chỉ hỗ trợ bảo tồn mà còn góp phần quản lý dịch bệnh từ động vật hoang dã và trợ giúp pháp y trong buôn bán bất hợp pháp.
Sinh thái học phân tử là gì?
Sinh thái học phân tử là lĩnh vực kết hợp các kỹ thuật sinh học phân tử với dữ liệu sinh thái để tìm hiểu các quá trình tự nhiên như tăng trưởng hoặc suy giảm quần thể, hình thành loài mới, tuyệt chủng và xâm lấn.
Sinh thái học phân tử được sử dụng để ước tính sự đa dạng di truyền của quần thể nhằm hỗ trợ các nỗ lực bảo tồn và nhân giống động vật hoang dã, xác định loài cho chính sách bảo tồn, theo dõi dịch bệnh và chống săn trộm.
Dữ liệu di truyền và đa dạng di truyền quần thể?
Dữ liệu di truyền từ các sinh vật được thu thập dưới dạng “chỉ thị phân tử”, là các phân tử sinh học có thể được sử dụng để phân biệt giữa các loài, quần thể hoặc cá thể. Khi các nhà sinh học phân tử lần đầu tiên xác định sự khác biệt di truyền giữa các cá thể, họ đã chiết xuất protein từ các mô động vật hoặc thực vật và sử dụng chúng làm chỉ thị phân tử. Tuy nhiên, các dấu hiệu dựa trên ADN nhanh chóng trở nên phổ biến hơn các dấu hiệu protein vì chúng có thể được lấy từ các mẫu mô rất nhỏ. Chúng cũng dễ xử lý hơn và cho thấy nhiều biến thể hơn so với đánh dấu dựa trên protein. Sinh thái học phân tử hiện nay dựa vào việc chiết xuất ADN từ động vật bằng cách sử dụng các mẫu mô (điển hình là tóc, vảy, da, xương, sừng hoặc máu) hoặc thậm chí cả phân.
Các cá thể khác nhau trong một loài có thể có các dạng hoặc biến thể khác nhau của một gen hoặc dấu hiệu phân tử cụ thể. Một ví dụ quen thuộc về điều này là nhóm máu – một trong những gen xác định nhóm máu ở người có ba dạng/biến thể khác nhau được gọi là A, B và O. Những gen như vậy được gọi là đa hình, còn các gen giống nhau ở tất cả các cá thể của quần thể được gọi là gen đơn hình.
Bằng cách nghiên cứu và ghi lại các biến thể trong gen và chỉ thị phân tử, người ta có thể đo lường sự đa dạng di truyền của một quần thể động vật với sự trợ giúp của số liệu thống kê.
Tại sao biến dị di truyền lại quan trọng với các nỗ lực bảo tồn và nhân giống động vật hoang dã?
Đa dạng di truyền là nhiên liệu cho chọn lọc tự nhiên. Nó là một nguồn các biến thể có thể di truyền được về các đặc điểm có thể cho phép các quần thể tồn tại trong môi trường thay đổi. Tính đa dạng di truyền của quần thể càng cao thì khả năng một số cá thể trong quần thể đó thích nghi với điều kiện môi trường mới càng lớn. Do đó, quần thể sẽ không bị tuyệt chủng do bất kỳ thay đổi nào.
Các quần thể lớn thường có độ đa dạng di truyền cao trong khi các quần thể nhỏ có độ đa dạng di truyền thấp. Nếu quy mô quần thể của một loài giảm mạnh do thiên tai hoặc do các hoạt động của con người thì tính đa dạng di truyền của loài đó bị giảm, tạo ra một nút thắt di truyền. Khi điều này xảy ra, quần thể không chỉ bị cướp mất tiềm năng sinh tồn mà còn trở nên dễ bị tổn thương do giao phối cận huyết. Giao phối cận huyết xảy ra trong các quần thể nhỏ, nơi các cá thể có quan hệ di truyền có nhiều khả năng giao phối với nhau hơn.
Theo thời gian, những quần thể như vậy bị “trầm cảm cận huyết”, một tình trạng mà các biến thể di truyền với các đột biến có hại bắt đầu tích lũy.
Báo gê-pa là một ví dụ điển hình về trầm cảm giao phối cận huyết, bất chấp nỗ lực bảo tồn thông qua các chương trình nhân giống nuôi nhốt. Những phân tích di truyền cho thấy do tác động tổng hợp của những thảm họa thiên nhiên và nạn săn bắn bừa bãi của con người, loài báo gê-pa có khả năng lai tạo giống cao. Việc giao phối cận huyết không chỉ gây ra các vấn đề sinh sản với khả năng sinh sản thấp và tỷ lệ tử vong con non cao mà còn khiến loài này dễ mắc bệnh. Sự đa dạng di truyền của báo gê-pa đã suy giảm đến mức một phức hợp gen quan trọng liên quan đến hệ miễn dịch, thường rất đa hình ở hầu hết các loài lại là đơn hình (không có biến thể di truyền) ở báo gê-pa. Điều này gây ra bệnh viêm phúc mạc truyền nhiễm ở mèo (một bệnh do virus phổ biến giết chết <1% mèo nhà) khiến gần 80% quần thể báo gê-pa nuôi nhốt ở Hoa Kỳ bị xóa sổ.
Để bù đắp tình trạng giao phối cận huyết trong các quần thể bị nuôi nhốt và bảo vệ của các loài nguy cấp khác (sói đỏ Mexico, cóc mào Puerto Rico và một số loài sư tử châu Phi), các nhà bảo tồn đã nỗ lực “giải cứu di truyền”. Việc giải cứu di truyền được thực hiện bằng cách đưa các cá thể mới (có thể bổ sung thêm nhiều biến thể di truyền) vào các quần thể thuần chủng để tăng tính đa dạng di truyền.
Tuy nhiên, những biện pháp như vậy có thể phản tác dụng ở một số loài như dê hoang dã (Ibex) và linh dương sừng thẳng Ả Rập (Arabian oryx) vì dễ khiến chúng mắc chứng “trầm cảm cận huyết”. Dòng gen giữa các quần thể ở những loài này thường thấp nên mỗi quần thể dường như đều di truyền cận huyết.
Trong những nỗ lực giải cứu di truyền bằng cách đảo ngược giao phối cận huyết địa phương, các chương trình nhân giống thường tiến hành giao phối các cá thể từ các quần thể khác nhau. Tuy nhiên, kết quả của những nỗ lực này thường không cao. Con cái của những cặp kết đôi như vậy thường không thể tồn tại trong một trong hai điều kiện địa phương. Ví dụ, trong nỗ lực giải cứu loài dê hoang dã sống ở vùng núi (Alpine ibex) về mặt di truyền, loài dê sống ở sa mạc (Nubian ibex) đã được đưa vào khu vực núi Tatra. Kết quả là loài dê sa mạc thích nghi với khí hậu ấm hơn, nhất là vào mùa thu và sinh con lai non vào tháng Hai, thời điểm lạnh nhất trong năm. Những con non đã không thể sống sót và nỗ lực giải cứu thất bại.
Dựa trên bài học kinh nghiệm từ cả trầm cảm cận huyết và trầm cảm do giao phối, rõ ràng sinh thái học phân tử là yếu tố cần thiết để bảo tồn động vật hoang dã.
Ở Ấn Độ, các nghiên cứu sinh thái học phân tử về loài cá sấu (gharial) và linh dương Ấn Độ (blackbuck) đang cực kỳ nguy cấp cho thấy sự đa dạng di truyền trong các quần thể không cao, vẽ nên một bức tranh ảm đạm về cơ hội sống sót của chúng.
Công trình nghiên cứu mới đây sử dụng dữ liệu toàn bộ hệ gen về hổ cho thấy so với hổ từ các quần thể Amur (Siberi), Sumatra và Mã Lai, hổ Ấn Độ có tính đa dạng di truyền rất cao. Tuy nhiên, dữ liệu cũng chỉ ra một số quần thể hổ ở Ấn Độ rất cô lập và nhỏ bé, đến mức đang xảy ra giao phối cận huyết địa phương.
“Mặc dù chúng tôi có nhiều hổ ở Ấn Độ, chiếm khoảng 2/3 tổng số hổ trên thế giới nhưng quần thể của chúng ở một số vùng của Ấn Độ bị chia cắt, gây ra giao phối cận huyết tại địa phương. Ngược lại, hổ Amur có số lượng ít hơn nhiều nhưng chúng không phải là loài lai tạo vì chúng không bị cách ly với nhau”, Uma Ramakrishnan, nhà sinh thái học phân tử từ Trung tâm Khoa học Sinh học Quốc gia (NCBS), Bangalore, Ấn Độ cho biết.
Ramakrishnan và nhóm của cô đã nghiên cứu về hổ trong hơn 15 năm và dữ liệu phân tử của họ hiện đang được sử dụng để lập kế hoạch giải cứu di truyền một số quần thể hổ thuần chủng của Ấn Độ. “Công việc của chúng tôi có thể giúp thu thập dữ liệu về những con hổ nào ít được lai tạo nhất và những con hổ nào có thể được di chuyển giữa các quần thể”, cô nói thêm.
Xác định loài dựa trên sinh thái học phân tử hỗ trợ chính sách bảo tồn như thế nào?
Các phương pháp truyền thống để xác định loài dựa trên các đặc điểm vật lý và quan sát hành vi không còn được coi là đáng tin cậy. Phân loại phân tử, phụ thuộc vào thông tin di truyền, hiện được sử dụng ngày càng nhiều để giải quyết các bất đồng về phân loại và sửa chữa các phân loại sai.
Những sai sót trong phân loại đã dẫn đến việc quản lý kém các nỗ lực bảo tồn của nhiều loài. Hai ví dụ nổi bật là trường hợp của những con chuột túi thuộc địa (colonial pocket gophers) và chim sẻ Dusky (dusky seaside sparrow).
Một quần thể chuột túi (số lượng <100 con) trong một phạm vi nhỏ ở Bang Georgia, Hoa Kỳ đã được quản lý như một loài nguy cấp trong hơn 10 năm vì nó được mô tả là một “loài khác biệt” (Geomys colius) dựa trên các đặc điểm vật lý. Sinh thái học phân tử sau này đã chứng minh rằng quần thể này về mặt di truyền không khác gì Geomys pinetus, một loài chuột túi phổ biến ở Đông Nam Hoa Kỳ.
Tương tự, khi loài chim sẻ Dusky (Ammodramus maritimus) được phát hiện ở Florida, Hoa Kỳ, nó được xác định là một loài riêng biệt (A. nigrensis) và được liệt vào nhóm có nguy cơ tuyệt chủng do số lượng ít và phạm vi hạn chế. Sau một chương trình nuôi nhốt kéo dài 7 năm không thành công, cá thể cuối cùng đã chết trong điều kiện nuôi nhốt. Tuy nhiên, hai năm sau, dữ liệu phân tử tiết lộ loài này không hề có sự phân biệt di truyền với chim sẻ biển (seaside sparrow).
Trong cả hai trường hợp này, các nỗ lực bảo tồn đã bị lãng phí đối với các quần thể đã bị phân loại nhầm thành các loài riêng biệt.
Một lĩnh vực khác mà phân loại học phân tử tiếp tục khẳng định ưu thế của mình là xác định các khu vực giàu các loài đặc hữu.
“Ấn Độ sở hữu một số vùng có đa dạng sinh học cao nhưng nhiều cảnh quan (như thảo nguyên) và các sinh vật (như động vật chân đốt) hầu như chưa được nghiên cứu. Giờ đây, với nhiều chuyến thực địa được thực hiện trên các khu vực cảnh quan cùng các công cụ phân loại tốt hơn dựa trên ADN đã bổ sung cho việc phân loại dựa trên hình thái học truyền thống, chúng tôi đang tạo ra một số khám phá đáng ngạc nhiên trong lĩnh vực hệ thống học”, Jahnavi Joshi, nhà sinh thái học phân tử và nhà phân loại học từ Trung tâm Sinh học Tế bào và Phân tử (CCMB) ở Hyderabad cho biết.
Các nghiên cứu gần đây về phân loại phân tử của tắc kè và rết đã chỉ ra rằng các khu vực bị bỏ qua trước đây như bán đảo Ấn Độ, khu vực Ghat Tây và các khu vực phía bắc khô hạn hơn của Ghat Tây lại giàu các loài đặc hữu một cách bất ngờ. Những khu vực như vậy cần được bảo vệ để bảo tồn các loài động thực vật có giới hạn chỉ được tìm thấy ở đó.
Sinh thái học phân tử giúp phát hiện và quản lý dịch bệnh ở động vật hoang dã
Sinh thái học phân tử hiện trở thành một giải pháp quan trọng trong quản lý dịch bệnh động vật hoang dã. Giờ đây, có thể phát hiện nhanh chóng các trường hợp nhiễm virus, vi khuẩn và ký sinh trùng với cường độ thấp bằng cách sử dụng các xét nghiệm dựa trên PCR, một kỹ thuật tạo ra nhiều bản sao hơn của các vùng ADN cụ thể.
Hiện các xét nghiệm chẩn đoán dựa trên PCR cho phép phát hiện nhanh một số bệnh ở động vật hoang dã như bệnh rừng Kyasanur, bệnh do virus Ebola, Nipah, bệnh lao, bệnh dại, sốt rét, tất cả là nguyên nhân trực tiếp gây nguy hiểm cho động vật hoang dã và tràn sang gia súc cũng như quần thể người.
Bằng cách nghiên cứu các tương tác phân tử giữa mầm bệnh và vật trung gian của chúng (ví như các côn trùng như bọ ve và muỗi hoặc động vật hoang dã như gấu mèo), các nhà khoa học thậm chí có thể theo dõi các đường lây truyền và vật chủ chứa các bệnh như sốt khỉ (hay bệnh rừng Kyasanur), bệnh sốt rét gà và bệnh dại. Ngoài ra, các nghiên cứu sinh thái học phân tử về tương tác giữa vật chủ và mầm bệnh có thể giúp các nhà bảo tồn hiểu cách một số loài hoặc cá thể có khả năng chịu đựng, chống chịu hoặc dễ mắc một số bệnh hơn. Ví dụ nghiên cứu về di truyền học phân tử trên ếch đang cho thấy những cá thể có hệ miễn dịch mạnh hơn có nhiều khả năng chết vì bệnh chytridomycosis, một bệnh nấm da đã gây ra cái chết hàng loạt và sự tuyệt chủng ở các loài lưỡng cư trên toàn cầu.
Các dấu vết di truyền hỗ trợ nỗ lực chống săn trộm?
Khi các cơ quan thực thi pháp luật thu giữ các sản phẩm động vật hoang dã bất hợp pháp, vấn đề đầu tiên họ gặp phải là nhận dạng (da, lông, sừng, thịt hoặc xương) thuộc loài động vật nào? Pháp y phân tử sử dụng mã vạch ADN đã được ứng dụng để xác định các loài ngay cả khi mẫu vật dưới dạng đã chế biến như thịt khô và xương hoặc sừng dạng bột. Mã vạch ADN khớp các chuỗi ngắn từ các mẫu với các chuỗi trong cơ sở dữ liệu tham chiếu để xác định mẫu đó thuộc loài nào. Hiện các cơ sở dữ liệu tham chiếu như Hệ thống dữ liệu mã vạch sự sống (BOLD) và Mã vạch sinh vật sống quốc tế chứa gần 9,5 triệu mã vạch ADN cho hàng nghìn loài động vật, thực vật và các sinh vật khác.
Tính hữu ích của các công cụ phân tử không chỉ dừng lại ở đó. Các chỉ thị phân tử khác như tế bào vi mô, tế bào minisat, và đa hình đơn nucleotide (SNPs) cũng như các kỹ thuật như xét nghiệm AND/dấu vân tay có thể được áp dụng để xác định quốc gia hoặc quần thể động vật bị săn trộm đến từ đâu. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu vệ tinh vi mô để xác định loài, giới tính và thậm chí cả nguồn gốc địa lý của các bộ phận hổ bị bắt giữ, ngà voi và nhiều bộ phận động vật khác.
Hà Mi (Theo india.mongabay.com)
