Có bao giờ bạn thắc mắc vì sao máu con người hay động vật có màu đỏ không? Và bạn có biết trong suốt hàng trăm triệu năm lịch sử của giới sinh vật, máu cũng thay đổi màu sắc, từ không màu cho đến đỏ, xanh, tím, thậm chí là trắng... Hôm nay, chúng ta hãy quay ngược bánh xe thời gian để xem máu có từ khi nào và vì sao máu màu đỏ lại phổ biến hơn so với các màu khác?

Trong hệ tầng đá nổi tiếng Burgess Shale ở British Columbia, các nhà khoa học đã tìm thấy hơn 30.000 hóa thạch của một loài chân đốt tên là Marrella splendens. Chúng hơn 500 triệu năm tuổi và được bảo tồn cực kỳ đẹp.

Nhưng có một thứ làm giảm vẻ đẹp của những sinh vật cổ xưa này: nhiều hóa thạch bị phủ những vệt đen, thường xuất hiện ở đầu hoặc đuôi. Không sinh vật nào khác trong Burgess Shale có những vết bẩn kỳ lạ này. Những vệt đen đó hóa ra chính là bằng chứng sớm nhất trong hồ sơ hóa thạch về một chất mà hầu hết các loài động vật đều có chung với Marrella, kể cả con người: máu.

Câu chuyện về máu vô cùng phức tạp. Vì máu là một trong những đặc điểm cách mạng nhất trong lịch sử tiến hóa. Nó cho phép vận chuyển chất dinh dưỡng và chất thải khắp cơ thể khi chúng ta trở nên phức tạp và năng động hơn. Nhưng theo thời gian và điều kiện thay đổi, cách máu thực hiện những nhiệm vụ đó đã biến đổi hết lần này đến lần khác.

Vì vậy, sau hàng trăm triệu năm tách biệt với Marrella, con người và một số loài động vật có máu đỏ quen thuộc. Nhưng cũng có máu xanh, máu tím, máu xanh lá, thậm chí máu trắng.

Câu chuyện từ những vệt đen trên đá đến dòng máu trong huyết quản của chúng ta chính là một ví dụ điển hình về việc trong một thế giới luôn thay đổi, phản ứng tiến hóa luôn linh hoạt.

Máu làm rất nhiều việc: cung cấp oxy cho mô, mang dinh dưỡng đến tế bào và loại bỏ chất thải. Nhưng không phải mọi động vật đều cần máu. Một số loài như bọt biển, hải quỳ và sứa có mô cơ thể mỏng đến mức oxy có thể khuếch tán trực tiếp từ nước biển vào tế bào. Điều này có nghĩa là những động vật sớm nhất trên Trái Đất có lẽ cũng không cần máu, vì chúng đủ đơn giản hoặc chậm chạp để dùng cơ chế khuếch tán.

Nhưng khi động vật trở nên phức tạp và năng động hơn, chúng cần một hệ thống khác: hệ tuần hoàn máu.

Sự phân nhánh giữa những động vật ít phức tạp (như bọt biển, sứa, sứa lược) với tất cả các loài còn lại là một trong những điểm chia tách tiến hóa lâu đời nhất trong giới động vật, xảy ra vào cuối đại Nguyên Sinh. Tổ tiên chung của tất cả các sinh vật có hệ tuần hoàn máu được cho là sống cách đây hơn 600 triệu năm, lâu trước cả Marrella.

Chúng ta không có hóa thạch của tổ tiên đầu tiên đó, nhưng có thể hình dung nó trông như thế nào dựa trên những đặc điểm chung của tất cả sinh vật có máu hiện nay: đối xứng hai bên và có khoang cơ thể bên trong.

Ngày nay, những sinh vật đơn giản nhất mang những đặc điểm này là nhóm Acoelomorpha, những loài giống giun dẹt. Tổ tiên mang máu sớm nhất của chúng ta có lẽ trông khá giống chúng.

Chúng ta cũng không biết chính xác máu sớm nhất như thế nào. Nhưng các nhà nghiên cứu di truyền tin rằng một số dạng máu sơ khai đã dùng mô hình hóa học cơ bản giống nhiều loại máu ngày nay, thông qua các protein đặc biệt. Ban đầu những protein này có thể phục vụ mục đích khác (như chuyển hóa nitric oxide hoặc bắt giữ oxy), nhưng sau đó được “tái sử dụng” để vận chuyển oxy.

Vậy nên, protein máu còn cổ hơn cả máu! Các nghiên cứu đồng hồ phân tử cho thấy một số protein máu có thể đã tiến hóa cách đây tới 740 triệu năm.

Ngày nay, với con người và nhiều loài động vật, protein máu được chọn là globin. Phân tử globin có một “càng” đặc biệt gắn với nguyên tử sắt, được bao quanh bởi phân tử hình bánh donut gọi là heme. Ở phía đối diện, phân tử oxy có thể gắn vào sắt. Cấu trúc protein cơ bản ôm lấy “bánh donut” heme được gọi là nếp gấp globin. Cấu trúc này quá hiệu quả trong việc giữ và nhả oxy nên đã được nhiều sinh vật sử dụng theo nhiều cách khác nhau qua hàng trăm triệu năm.

Vì sao một số sinh vật có máu xanh trong khi con người có máu đỏ? Bí ẩn 700 triệu năm!

Ở con người và nhiều động vật, máu mang oxy nhờ protein hemoglobin. Chính sắt bên trong hemoglobin làm máu có màu đỏ đậm. Nhưng các loại hemoglobin khác nhau đã tiến hóa ở các nhóm động vật khác nhau: giun dẹt, tuyến trùng, chân khớp, động vật thân mềm… và chúng không dùng theo cùng một cách.

Ví dụ, chúng ta dùng hemoglobin để vận chuyển oxy từ phổi đến các mô. Một số loài nghêu dùng hemoglobin để dự trữ oxy cho hệ thần kinh khi thiếu oxy. Một loại tuyến trùng thậm chí dự trữ hemoglobin ở niêm mạc miệng để các phần miệng vẫn hoạt động được trong môi trường nghèo oxy. Ngay cả vi khuẩn E. coli cũng có một phiên bản kỳ lạ dùng để cảm nhận oxy hơn là vận chuyển.

Hemoglobin có lịch sử cực kỳ lâu đời. Bằng chứng hemoglobin cổ nhất được xác nhận trong hóa thạch chính là từ một con muỗi. Một con muỗi 46 triệu năm tuổi được tìm thấy ở Montana, và khi các nhà khoa học kiểm tra dạ dày nó năm 2013, họ tìm thấy các mảnh heme, có lẽ là hemoglobin đã phân hủy.

Vì sao một số sinh vật có máu xanh trong khi con người có máu đỏ? Bí ẩn 700 triệu năm!

Nhưng hemoglobin còn cổ hơn. Loại chúng ta sử dụng đặc trưng cho động vật có xương sống có hàm, và theo đồng hồ phân tử, nó có tuổi khoảng 450 triệu năm.

Hemoglobin không phải là protein máu duy nhất. Bằng chứng nằm ở người bạn cũ Marrella. Năm 2014, các nhà khoa học phân tích những vệt đen trên hóa thạch và phát hiện chúng giàu kim loại nhưng không phải sắt như máu chúng ta, mà là đồng.

Marrella là sinh vật sớm nhất được biết đến dùng đồng thay vì sắt. Nó có lẽ dùng protein khác gọi là hemocyanin. Hemocyanin tiến hóa hoàn toàn độc lập với hemoglobin, dùng kim loại khác và cấu trúc protein khác. Trình tự gen của hemocyanin ở động vật thân mềm hoàn toàn khác với ở chân khớp, cho thấy chúng tiến hóa riêng biệt: phiên bản thân mềm khoảng 740 triệu năm trước, phiên bản chân khớp khoảng 600 triệu năm trước.

Hemocyanin chính là lý do cua móng ngựa có máu xanh, vì đồng khi bị oxy hóa chuyển sang màu xanh lục.

Vậy tại sao động vật thân mềm và chân khớp lại tiến hóa protein riêng trong khi hemoglobin đã rất tốt? Có thể vì hemocyanin hoạt động hiệu quả hơn ở nhiệt độ lạnh hơn. Và một số sinh vật thậm chí còn giữ cả hai loại protein, có lẽ để linh hoạt khi môi trường thay đổi mạnh.

Hemocyanin và hemoglobin là hai protein máu mang oxy phổ biến nhất ở động vật ngày nay. Nhưng chúng không phải là những loài duy nhất! Nhiều loài giun biển và động vật tay cuốn dùng một protein máu hoàn toàn khác gọi là hemerythrin. Nó cũng dùng sắt để vận chuyển oxy, nhưng không có cấu trúc “bánh donut” heme.

Vì vậy, máu của những loài này chuyển sang màu tím sáng khi mang oxy. Giống như hemocyanin, protein này kém hiệu quả hơn, nhưng lại đơn giản hơn rất nhiều, đơn giản đến mức người ta cho rằng nó đã được dùng bởi những sinh vật đơn bào sớm nhất.

Sinh vật có máu xanh

Máu cũng có thể có màu xanh lá!

Một số loài thằn lằn có sắc tố xanh lục trong máu gọi là biliverdin. Đây là sản phẩm khi hemoglobin bị phân hủy. Việc có nhiều biliverdin có thể giúp máu của chúng kháng bệnh tốt hơn.

Và một số động vật thậm chí đã mất hoàn toàn protein máu, như loài cá băng sống ngoài khơi Nam Cực. Máu của chúng trong suốt, trắng nhạt vì không có hemoglobin hay bất kỳ protein máu nào khác. Có thể vì nếu có tế bào máu thì máu sẽ dễ đông lại trong nhiệt độ cực lạnh. Hoặc đó chỉ là một “tai nạn” di truyền. Nhưng dù không có protein máu, cá băng vẫn sống tốt nhờ trao đổi chất thấp và sống trong vùng nước giàu oxy.

Như vậy, lịch sử của máu đã kéo dài hàng trăm triệu năm, kết nối con người với loài Marrella cổ đại và cả những tổ tiên đầu tiên của hệ tuần hoàn. Thậm chí, các protein trong máu chúng ta còn xuất hiện sớm hơn thế, gần như ngay từ những bình minh của sự sống phức tạp. Trải qua hàng loạt làn sóng tiến hóa, thiên nhiên đã nhào nặn nên vô số sắc màu của dòng máu như chúng ta thấy ngày hôm nay.

Mỹ Mỹ biên tập

#bian#khampha#sinhhoc