Hàng ngàn năm qua người ta đều cho rằng sinh lão bệnh tử là quy luật tự nhiên của vũ trụ, mọi sinh vật trên Trái đất đều già đi rồi chết bởi sức tàn phá khủng khiếp của thời gian. Tuy nhiên có một số ít loài dường như nằm ngoại lệ. Các nhà khoa học phát hiện một số loài côn trùng dường như thách thức sự lão hóa của thời gian.
Nơi trú ngụ của hơn 50 tổ kiến đen có thân hình đặc biệt mảnh mai là một căn phòng nhỏ ở Đại học Regensburg. Kiến vô tính Platythyrea perfata có nguồn gốc từ Trung Mỹ, đã phát triển một đặc điểm hiếm gặp ở các loài kiến: Nó có thể sinh con cái từ những quả trứng chưa được thụ tinh. Trong một tổ kiến Platythyrea perfata có thể chỉ có các con kiến vô tính, được tạo ra bởi một hoặc hai con kiến chúa. Sự đồng nhất đó gợi lên một bí ẩn.
Nhà sinh học tiến hóa Abel Bernadou cho biết: “Điều thực sự hấp dẫn là chúng giống nhau về mặt di truyền, tuy chỉ có khoảng 30 con kiến trong một tổ kiến, nhưng tùy thuộc vào công việc của chúng, chúng sẽ có tuổi thọ hoàn toàn khác nhau. ”Các thành viên trong nhóm kiến thợ, những con có nhiệm vụ chăm sóc, săn tìm thức ăn và bảo vệ tổ có tuổi trung bình là 7 tháng, ngay cả khi được cho ăn đầy đủ và được bảo vệ trong phòng thí nghiệm. Nhưng những con kiến chúa sinh sản, với công việc duy nhất là đẻ trứng, có thể sống từ 10 đến 16 tháng.
Đối với giáo sư Bernadou, những câu hỏi được đặt ra bởi sự chênh lệch về tuổi tác của chúng đó là không thể cưỡng lại được. Nguyên nhân nào khiến một số loài kiến sống lâu gấp đôi so với những con kiến khác trong cùng một tổ kiến có bộ gen giống hệt nhau? Và làm thế nào để sinh sản, một chức năng của động vật làm tăng tốc độ lão hóa ở hầu hết các loài động vật, lại có thể khiến những con kiến chúa này sống lâu hơn?
Giáo sư Bernadou và các đồng nghiệp bác sĩ myrmecologist (chuyên ngành nghiên cứu khoa học về kiến) tại Regensburg là thành viên của một nhóm nhỏ các nhà nghiên cứu đã chuyển sang nghiên cứu những loài côn trùng có hệ thống tổ chức xã hội rất tiến bộ - kiến, ong và mối - để giúp làm sáng tỏ những bí ẩn của quá trình lão hóa. Đó là một lĩnh vực đang phát triển hiếm khi xuất hiện trong các hội nghị về sinh học lão hóa, nơi mà tâm điểm chú ý là chuột, ruồi giấm Drosophila và tuyến trùng cực nhỏ Caenorhabditis elegans, ba nhà nghiên cứu đã khảo sát và điều chỉnh trong hơn nửa thế kỷ để tìm hiểu điều gì kiểm soát các tập quán sinh sống của chúng.
Nhiều người nghiên cứu những loài côn trùng đó vẫn chưa tin rằng côn trùng có tập tính xã hội cao có đóng góp gì đó quan trọng. Nhà sinh vật học Gro Amdam, người nghiên cứu quá trình lão hóa ở ong tại Đại học Khoa học Đời sống Na Uy và Đại học Bang Arizona, Tempe cho biết: “Họ nghĩ rằng thật cao hứng và đáng giá khi biết được sự đa dạng của quá trình lão hóa. Nhưng họ không nghĩ rằng chúng tôi sẽ có những khám phá quan trọng về côn trùng xã hội có liên quan đến vai trò của chúng trong cùng một tổ’’.
Nhà nghiên cứu Amdam và các nhà nghiên cứu côn trùng xã hội khác - những người trong tháng này đã công bố một loạt các phát hiện trong một vấn đề về lão hóa và tính xã hội trong Giao dịch triết học của Hiệp hội Hoàng gia B - nói rằng họ hứa hẹn sẽ tìm ra những phương cách mới để hiểu về lão hóa. Một lý do là nhiều côn trùng có tập tính xã hội cao sống lâu hơn nhiều so với các côn trùng với vai trò thợ trong tổ. Các ong chúa mật sống đến 5 năm, và mối chúa và kiến chúa thì sống hơn 20 năm. Ngược lại, ruồi giấm Drosophila có tuổi thọ tối đa là 13 tuần, và C.elegans chỉ có 18 ngày. Nhà sinh vật học tiến hóa Laurent Keller, người nghiên cứu quá trình lão hóa ở kiến tại Đại học Lausanne, nói đùa: “Nếu bạn muốn biết cách chết nhanh chóng, thì hãy nghiên cứu ruồi giấm Drosophila”.
- Ở ong mật phương tây (Apis mellifera), ong chúa (giữa) sống lâu hơn ong thợ (trên) và ong mật đực (dưới). ALEX WILD
Điều hấp dẫn hơn nữa là sự lão hóa ở côn trùng xã hội, thay đổi theo bối cảnh xã hội. Kiến vô tính nằm trong số rất ít côn trùng xã hội đồng nhất, nhưng hầu hết, kiến chúa và kiến thợ có bộ gen rất giống nhau, bởi vì tất cả các thành viên trong đàn đều là con của một hoặc một số kiến chúa.
Tuy nhiên, trong khi các côn trùng chúa cái dường như vẫn trẻ trung suốt cuộc đời dài của chúng thì các kiến thợ già đi nhanh chóng và chết nhanh hơn. Và trong một tổ kiến, công việc của một kiến thợ ảnh hưởng tới tuổi thọ của nó, mặc dù nhìn chung, tất cả kiến thợ đều là anh em ruột thịt. Các nhà khoa học có thể làm nhanh, làm chậm hoặc thậm chí đảo ngược quá trình lão hóa ở kiến và ong chỉ đơn giản bằng cách cho chúng sinh sản hoặc thay đổi nhiệm vụ của chúng.
Nhà sinh học phân tử Roberto Bonasio tại Đại học Pennsylvania, người nghiên cứu về biểu sinh ở động vật có vú, ruồi và kiến, cho biết: “Đó là một ý tưởng”.
Sự già đi hoặc lão hóa
Lão hóa là sự mất dần chức năng và hiệu suất theo thời gian. Nó làm mất khả năng chịu đựng căng thẳng của mỗi cá nhân, chống lại bệnh tật, chữa lành vết thương hoặc học các kỹ năng mới. Nhưng chúng ta vẫn phải già đi? Tại sao các sinh vật không tiến hóa để duy trì sức sống tươi trẻ mỗi khi chúng sắp chết?
Nói ngược lại, các nhà khoa học cho rằng lão hóa là kết quả của quá trình chọn lọc tự nhiên, duy hộ các gen giúp sinh vật tồn tại đến tuổi sinh sản. Một khi cá thể đã có thể sinh ra con cái, quá trình chọn lọc này để sinh sống sẽ yếu đi, điều này mở ra cánh cửa cho các tác động di truyền tích tụ gây tổn thương. Lão hóa bắt đầu từ đây.
Quá trình chọn lọc tự nhiên diễn ra mạnh mẽ để tồn tại cho đến khi sinh sản có thể ủng hộ cái gọi là gen đa hướng, có ích trong thời kỳ đầu đời nhưng có hại về sau. Một ví dụ là gen clk1 ở tuyến trùng C. elegans, được biết là có tác dụng thúc đẩy sự trao đổi chất của tuyến trùng. Loại gen này thúc đẩy quá trình sinh sản sớm và mang lại lợi thế về thể lực cho các cá thể so với các đối thủ cạnh tranh, nhưng lại rút ngắn tuổi thọ của chúng xuống 40%, một phần vì nó đẩy nhanh quá trình tích tụ các sản phẩm phụ trao đổi chất có hại.
Các nhà khoa học đã gợi ý rằng các sinh vật sống trong môi trường bấp bênh hơn - ví dụ như những sinh vật đông đúc với những kẻ săn mồi hoặc đối thủ cạnh tranh - trải qua sự chọn lọc cao hơn để tồn tại và sinh sản sớm hơn, với cái giá là lão hóa về sau nhanh hơn. Cái gọi là “giả thuyết tử vong bên ngoài” này thường được sử dụng để giải thích tại sao động vật bay, sống trong lòng đất, hoặc có nọc độc - và kết quả là vì chúng đối mặt với ít mối đe dọa hơn - dường như cũng sống lâu hơn và có lẽ tốc độ già đi chậm hơn. Hãy nghĩ đến loài dơi, loài sống lâu hơn nhiều so với các loài động vật có vú khác có kích thước tương tự.
- Trong các loài côn trùng có tập tính xã hội, tuổi thọ của các cá thể sinh sản vượt xa tuổi thọ của những cá thể không sinh ra con cái.
Quay trở lại những năm 1990, giáo sư Keller nhận ra rằng có thể dựa vào côn trùng có tập tính xã hội "một cách thú vị" để kiểm tra giả thuyết tử vong bên ngoài, ông nói.
Giáo sư Keller và đồng nghiệp Lausanne của ông tên là Michel Genoud đã thu thập hồ sơ tuổi thọ của kiến chúa trong 61 loài kiến, mối và ong mật, và so sánh chúng với những con trưởng thành của 81 loài côn trùng sống đơn độc. Trung bình, ong chúa sống từ 5 đến 11 năm, trong khi côn trùng sống đơn độc chỉ sống vài tháng, họ đã báo cáo trong một bài báo năm 1997. Mọi thứ đúng như giả thuyết đã dự đoán - và việc đặt bút nghiên cứu một cách thiết thực về sự lão hóa ở côn trùng xã hội đã bắt đầu khởi động.
- Đối với một số loài côn trùng, sống có tập tính xã hội nghĩa là sống lâu. Tuổi thọ tối đa trung bình của côn trùng sống đơn độc ít hơn nhiều so với các cá thể sinh sản - ong chúa, kiến chúa và một số ong thợ, kiến thợ - trong số côn trùng có tập tính xã hội.
Đây là lĩnh vực nghiên cứu có nhiều thử thách
Côn trùng chúa cái và đực rất hiếm, điều này làm hạn chế kích thước mẫu của nghiên cứu. Việc giữ cho các đàn côn trùng xã hội sống sót có thể tốn nhiều công sức. Tại Regensburg, nhà sinh vật học tiến hóa Jan Oettler và nghiên cứu sinh Luisa Jaimes duy trì 200 đàn kiến Cardiocondyla obscurior. Vài lần trong tuần cần phải cho chúng ăn và làm sạch tổ, và cần duy trì như thế trong vòng 6 tháng trở lên, là thời gian sống của kiến chúa. Ngược lại, để phát triển hàng trăm con ruồi giấm Drosophila thành con trưởng thành, họ chỉ cần một cái chai, làm sẵn thức ăn cho ruồi trong 10 ngày.
Kỹ thuật thí nghiệm không nhanh nhạy cũng là một vấn đề. Ở chuột, các nhà khoa học có thể ghi lại quá trình lão hóa sinh lý trong nước tiểu và mẫu máu; ở ruồi giấm Drosophila và tuyến trùng C. elegans, các nhà khoa học có thể chèn các thẻ phân tử vào các tế bào biểu hiện gen trong thời gian thực.
Loại đồng hồ phân tử như vậy chưa tồn tại đối với kiến và mối. Đó là một vấn đề bởi vì sự lão hóa không phải lúc nào cũng là một quá trình tuyến tính: Kiến chúa thường đẻ trứng trong nhiều tháng hoặc nhiều năm mà không có hiện tượng lão hóa rõ ràng, chỉ có thể bị chết đột ngột. Nếu không có những phương pháp thí nghiệm đáng tin cậy để theo dõi sự lão hóa hoặc những thay đổi sinh lý ở cấp độ phân tử, thì việc so sánh giữa những cá thể “già” và “trẻ” là rất không chính xác.
- Những chú kiến thợ của loài kiến nhảy Ấn Độ (Harpegnathos Saltator) đang chăm sóc đàn con. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng khi các thành viên của loài này đẻ trứng, não của chúng phát triển thêm 40% một loại tế bào bảo vệ được gọi là tế bào bảo vệ. DAN SIMOLA / BERGER LAB / ĐẠI HỌC PENNSYLVANIA
Giáo sư Oettler cho biết, chỉnh sửa gen là một “công cụ thay đổi cuộc chơi” đối với những nghiên cứu này, cho phép các nhà khoa học vô hiệu hóa các gen cụ thể và theo dõi các tác động đối với quá trình lão hóa. Những công cụ này hầu như không thể được sử dụng trong các loài côn trùng xã hội. Các nhà khoa học chỉ tạo ra những con ong mật biến đổi gen đầu tiên vào năm 2014, và hai loài kiến biến đổi gen vào năm 2017.
Amdam rất muốn thấy công nghệ chuyển đổi gen được phát triển cho những con ong mật bay tự do, cho phép các thí nghiệm thực tế về quá trình lão hóa. Nhưng những người nuôi ong kiên quyết phản đối việc chỉnh sửa gen, điều mà họ lo lắng có thể ảnh hưởng đến các tổ của chúng, và các nhà quản lý đang cảnh giác. “Khoảnh khắc mà ‘ong biến đổi gen bay tự do’, đó là điều không thể”, Amdam nói.
Bonasio nói, một cách để đẩy nhanh tiến độ là “củng cố nỗ lực của chúng tôi trên một hoặc hai loài sao cho nhiều công cụ có sẵn ở mức [phân tử] hơn nữa cho mọi người”. Nhưng Heinze nói rằng các nhà nghiên cứu nên nắm bắt sự đa dạng về lịch sử cuộc sống và mô hình lão hóa được thấy ở các loài côn trùng xã hội. “Không có một loài kiến nào là chuẩn”. ông nói; để hiểu được các nguyên nhân và tác động đa dạng của lão hóa, "số lượng nhiều là tốt nhất".
Mối liên hệ giữa sinh sản và tuổi thọ
Bất chấp các thử thách, các nhà khoa học đang bắt đầu liên kết các mô hình lão hóa ở côn trùng xã hội với các phân tử cơ bản. Một điều kỳ lạ mà họ đang nghiên cứu là mối liên hệ giữa sinh sản và tuổi thọ.
Ở hầu hết các loài động vật, khả năng sinh sản cao hầu như đi kèm với tình trạng suy giảm sức khỏe nhanh chóng; Ví dụ, hươu đỏ già đi nhanh hơn nếu chúng sinh sản sớm. Nhưng các côn trùng chúa cái lại đi ngược lại xu hướng: Sinh sản giúp kéo dài tuổi thọ của chúng hơn là làm nó suy giảm. Ví dụ, một nghiên cứu năm 2005 của nhóm Heinze cho thấy rằng những con ong chúa C. obscurior sinh sản có tuổi thọ dài hơn 44% so với những con ong chúa chưa thực hiện sinh sản (26 tuần so với 18). Và đó là bất chấp lối sống bận rộn của các ong chúa cái có sinh sản này: Chúng đẻ nhiều trứng gấp 5 lần và với tốc độ nhanh hơn so với các ong chúa không sinh sản hoặc được giao phối với những con đực mất khả năng sinh sản.
Các nhà khoa học khác đã phát hiện ra rằng khả năng sinh sản cũng kéo dài tuổi thọ của kiến chúa, “nữ hoàng” ong mật, mối chúa và kiến chúa khác. Ở những loài mà một số ít kiến thợ trong một đàn cũng có thể sinh sản, chẳng hạn như kiến P. perfata mà giáo sư Bernadou nghiên cứu, cũng sống lâu hơn.
Bộ não của côn trùng có tập tính xã hội dường như trở nên tốt hơn sau khi sinh sản. Khi kiến muối Harpegnathos, còn được gọi là kiến nhảy Ấn Độ, đẻ trứng, não của chúng phát triển thêm 40% một loại tế bào bảo vệ được gọi là glia, Lihong Sheng, một chuyên gia nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của giáo sư Bonasio, báo cáo vào tháng 8 năm 2020.
Sự suy giảm của tế bào loại này có liên quan đến lão hóa ở ruồi và gây mất nhận thức ở chuột. Nhà nghiên cứu Bonasio nói: “Nếu chúng ta biết bản thân kiến sử dụng cách gì để kiểm soát số lượng [glia ẩn náu] trong não, thì nó có thể chỉ ra các cơ chế tương tự ở ruồi, chuột và “có thể ở người”. (Bonasio hiện đang nghiên cứu hiện tượng ở ruồi Drosophila; kiến “chỉ đường cho chúng tôi nhưng một khi tôi biết con đường là gì, tôi thích làm thí nghiệm ở ruồi giấm hơn… vì nó dễ dàng hơn”, ông nói).
Công việc của một ong thợ cũng có thể làm chậm hoặc tăng tốc độ lão hóa của nó. Ví dụ, ong mật thợ bắt đầu như những con ong con ở trong tổ và có xu hướng hướng về ong bố mẹ và ong chúa. Khoảng 3 tuần sau cuộc đời, chúng trở thành những con ong có thể bay ra ngoài để kiếm thức ăn. Nhiều nghiên cứu khác nhau chỉ ra rằng ong thợ không già đi, nhưng những con ong kiếm ăn thì số lượng tăng lên nhanh, làm giảm hiệu suất bay, khả năng miễn dịch và khả năng học hỏi.
Thật ngạc nhiên, quá trình đó có thể được đảo ngược. Khi một tổ ong cần thêm ong thợ, những con ong chuyên kiếm ăn có thể chuyển trở lại vai trò cũ của chúng. Khi Amdam loại bỏ ong thợ khỏi tổ ong, những con ong chuyên kiếm ăn buộc phải trở lại vai trò cũ của chúng — và chúng cũng phục hồi lại “nét trẻ trung” của mình. Những con ong thợ hoàn nguyên như vậy tạo ra nhiều tế bào hơn để "quét sạch mầm bệnh", Amdam nói. Chúng cũng lấy lại hàm lượng vitellogenin cao, "một loại protein" điều chỉnh vai trò thay đổi của ong trong suốt thời gian tồn tại và giảm dần khi chúng già đi. Cô phát hiện ra rằng những con ong thợ “hồi xuân” học nhanh hơn những con ong kiếm ăn cùng độ tuổi và não của chúng có nhiều protein hơn liên quan đến khả năng phục hồi và điều hòa căng thẳng của tế bào.
Những chuyển đổi công việc này ở loài ong không chỉ có nghĩa là một dòng công việc mới; chúng cũng mang lại một loạt các tương tác khác nhau với các thành viên khác trong tổ ong. Nhà nghiên cứu Amdam cho rằng đời sống xã hội của loài ong đóng một vai trò quan trọng tác động lớn tới tuổi thọ của nó.
Việc tiếp xúc với xã hội cũng được biết là ảnh hưởng đến sức khỏe tâm sinh lý của con người, và sự cô đơn đã được xác định là một yếu tố nguy cơ dẫn tới sự suy giảm nhận thức - một sự giống nhau đầy khiêu khích. Mặc dù các nhà khoa học vẫn chưa xác định được tính xã hội có thể ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ của côn trùng ở cấp độ phân tử, nhưng “chắc chắn nó đã thu hút được sự chú ý của mọi người”, Amdam nói.
Trong số các bài báo có chủ đề về đàm luận triết học của tháng này đi sâu hơn vào sự lão hóa ở côn trùng có tập tính xã hội trong việc kiểm soát phân tử. Ví dụ, một người đã so sánh các kiểu biểu hiện gen giữa các cá thể già và trẻ của sáu loài kiến, ong và mối. Nghiên cứu đo lường hoạt động của hai con đường sinh hóa, cả hai đều phổ biến ở động vật, phát hiện chất dinh dưỡng và điều chỉnh sự phát triển của tế bào. Các nhà khoa học trước đây đã tìm thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa những con đường này và vòng đời ở ruồi và các loài côn trùng sống đơn độc khác - nhưng không phải ở côn trùng xã hội.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, họ đã xem xét kỹ lưỡng các bộ phận và sản phẩm của cùng một con đường mà phần lớn đã bị bỏ qua trong nghiên cứu lão hóa, và phát hiện ra các gen và protein - bao gồm cả vitellogenin - có liên quan chặt chẽ đến quá trình lão hóa ở côn trùng xã hội. Nhà báo Korb, tác giả chính của bài báo mới, cho biết những kết quả này củng cố nhu cầu thiết lập một mạng lưới rộng rãi và nghiên cứu sự lão hóa ở nhiều loài khác nhau.
