Trong suốt cuộc đời của mình, Charles Darwin luôn bao quanh mình với các loài hoa. Từ khi lên 10 tuổi, ông đã bắt đầu ghi chép chu kỳ nở của những bông hoa mẫu đơn được trồng trong vườn của cha mình.

Hình (Sangtae Kim/University of Florida): Amborella, loài cây bụi nhỏ chỉ sống trên quần đảo New Caledonia thuộc Nam Thái Bình Dương. Đây là loài cây có hoa cổ nhất còn tồn tại đến ngày hôm nay.

Sau khi lập gia đình, ông mua một căn nhà và biến khoảng sân vườn trở thành phòng thí nghiệm để nghiên cứu các loài hoa cho đến lúc cuối đời. Mặc dù là người tìm ra “Thuyết tiến hóa”, một trong những phát minh vĩ đại nhất trong lịch sử loài người nhưng chính ông, đã có lúc, phải thốt lên rằng: sự tiến hóa của các loài hoa là một điều bí ẩn đến khó chịu.

Darwin được coi là người đầu tiên nhận ra sự quan trọng của loài thực vật có hoa (hay còn gọi là cây hạt kín). Chúng chiếm phần lớn trong tổng số các loài thực vật có mặt trên trái đất. Chúng chi phối hệ sinh thái và là nguồn cung cấp lương thực chủ yếu cho con người dưới dạng hạt như: ngũ cốc, gạo hay lúa mỳ.

Và hoa còn là một phần không thể thiếu trong đời sống tinh thần của chúng ta. Từ đầy đặn, rực rỡ như hoa hồng đến thanh thoát, nhẹ nhàng như hoa vân môn trắng. Các loài hoa khiến cho bất cứ ai nghiên cứu về chúng đều phải ngạc nhiên về sự đa dạng về hình dáng cũng như màu sắc.

Mặc dù rất mơ hồ về nguồn gốc của loài hoa nhưng dựa vào các ghi chép hóa thạch, Darwin kết luận rằng loài hoa đã xuất hiện trên trái đất từ rất sớm. Cũng trong thời kỳ này, người ta đã tìm thấy một số dấu tích của các loài cây có hoa, các nhà khoa học ước tính các hóa thạch này bắt đầu hình thành vào kỷ băng hà từ 66 đến 100 triệu năm về trước. Một điều quan trọng không kém là các hóa thạch được tìm thấy này rất đa dạng và có nhiều hình dáng khác nhau.

Sau khi Darwin mất vào năm 1882, phải mất một thời gian dài, việc nghiên cứu về sự tiến hóa của các loài hoa mới được các nhà khoa học khác tiếp tục. Và trong tương lai, lĩnh vực này sẽ còn nhận được nhiều sự quan tâm hơn khi các nhà khoa học đã tìm ra cách chế tạo năng lượng từ thực vật. “Đó là nguồn năng lượng dồi dào nhất mà tôi từng biết”, William Friedman, nhà sinh vật học của trường Đại học Colorado, Mỹ, nói.

Những hóa thạch được tìm thấy gần đây cũng thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học. Nhưng điều gây chú ý hơn cả là việc các nhà nghiên cứu đã tìm ra những đầu mối quan trọng về sự tiến hóa của loài hoa thông qua việc nghiên cứu mã gien của chúng. Họ tìm ra các đoạn mã DNA trong mỗi loài hoa và kết hợp chúng vào với nhau để tạo ra các loài hoa mới. Nghiên cứu này còn tìm ra rằng các loài hoa tiến hóa thành nhiều dạng khác nhau bằng cách: tái sử dụng các gien cũ.

Cho đến giờ, các nhà khoa học vẫn tranh cãi về sự liên quan của loài hoa đối với các loại thực vật khác, nhưng nhờ vào việc nghiên cứu mã DNA này, chúng đã đã biết rõ hơn về sự liên quan của các loài thực vật. “Đã có rất nhiều giả thiết được đưa ra và cũng rất nhiều trong số đó đã bị bác bỏ” – James A. Doyle, nhà cổ sinh vật học trường Đại học California, nói.

Một ý kiến cho rằng loài gần nhất với loài hoa là loài cây không hoa, có hạt. Đại diện dễ tìm nhất của loài này là cây thông. Tuy nhiên, giả thiết này đã sớm bị bác bỏ. Tất cả các loài thực vật đều có liên quan đến nhau và không có loài nào gần gũi với cây có hoa hơn loài nào.

Những loài cây được coi tổ tiên của loài hoa đã tuyệt chủng từ hàng triệu năm trước. “Cách duy nhất có thể tìm thấy chúng là thông qua hóa thạch”, giáo sư Doyle cho biết.

Vài năm trước, các nhà khoa học đã tìm ra hóa thạch cổ nhất của loài hoa, chúng được cho là từ 136 triệu năm về trước. Họ còn tìm ra một số lượng lớn hóa thạch các loại cây có hạt, một số trong các loài cây này có có hạt mang cấu trúc khá giống với loài hoa. Nhưng hầu hết các hóa thạch đó là các mảnh không hoàn chỉnh, điều này đã làm xuất hiện một cuộc tranh cãi khác giữa các nhà cổ sinh vật học xem loài nào trong số đó có quan hệ gần nhất với loài hoa. “Chúng tôi thực sự không thể đi đến thống nhất” – giáo sư Doyle nói.

Nhưng mọi người đều đồng ý rằng loài hoa đã tiến hóa từ rất lâu. Bằng cách nghiên cứu DNA của các loài cây có hoa, các nhà khoa học đã tìm ra các loại cây cổ xưa nhất vẫn còn tồn tại đến bây giờ. Đứng đầu trong số chúng là cây bụi Amborella, loài này chỉ sinh sống ở quần đảo New Caledonia thuộc Nam Thái Bình Dương. Vị trí thứ hai thuộc về cây hoa súng và cây đại hồi.

Nếu bạn quay về 130 triệu năm trước, có lẽ bạn sẽ không cảm thấy ngạc nhiên với những loài hoa xuất hiện ở thời đó. “Chúng không có vẻ là thay đổi nhiều”, giáo sư Doyle nói.

Những loài hoa cổ rất nhỏ và hiếm, chúng ưa sống trong bóng râm và phải mất hàng triệu năm chúng mới có những tiến hóa đáng kể. Khoảng 120 triệu năm trước, một chi của những loài hoa này đã tiến hóa và trở thành kẻ thống trị các khu rừng. Chúng không ngừng tiến hóa và phát triển đa dạng thành các cây khác nhau. Con cháu của chúng hiện chiếm 99% các loại cây có hoa trên trái đất. Có lẽ chính sự phát triển một cách đa dạng này đã khiến Darwin không thể tìm ra nguồn gốc của chúng.

Tất cả các loài hoa, kể từ Amborella trở đi, đều có cùng một dạng cơ thể chung. Cơ quan sinh sản của chúng được bao bọc bởi cánh hoa hoặc những cấu trúc tương tự cánh hoa. Các nhà cổ sinh vật học cho rằng, loài hoa đầu tiên có lẽ cũng nhỏ và đơn giản như loài Amborella hiện nay.

Và sau 6 lần tiến hóa đáng kể, loài hoa trở nên phức tạp. Cánh hoa trở nên lớn và dày hơn, trở thành tràng hoa; dưới tràng hoa xuất hiện thêm bao hoa. Bao hoa thường mang màu xanh và có nhiệm vụ bảo vệ tràng hoa khi chúng vẫn còn là nụ.

Dựa trên những nghiên cứu gần đây, có vẻ như cánh hoa không chỉ đơn giản là cánh hoa. Nói cách khác, cánh hoa của cây đu đủ tiến hóa một cách độc lập so với cánh hoa hồng. Nhưng việc phát hiện về cấu trúc gien tạo nên loài hoa mới là điều tạo sự thú vị cho câu chuyện tiến hóa của loài hoa.

Vào cuối những năm 80 của thế kỷ trước, các nhà khoa học đã tìm ra loại gien quyết định sự phát triển của loài hoa. Họ nghiên cứu một loại cây có tên là Arabidopsis, loại cây nhỏ này thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm. Khi quan sát sự phát triển của Arabidopsis, các nhà khoa học nhận thấy rằng đột biến gien có thể tạo ra những sự thay đổi kỳ quái. Ví dụ như làm cho cánh hoa mọc chen vào nhị hoa, biến tràng hoa thành bao hoa hoặc biến bao hoa trở thành lá.

Khám phá quan trọng này được một nhà thơ đa tài người Đức, tên là Goethe phát hiện ra. Ông không chỉ là tác giả của vở kịch nổi tiếng “Faust” mà còn là người rất say mê nghiên cứu thực vật.

Vào năm 1790, Gothe viết bài tiểu luận “Hình thái học thực vật”, trong đó ông cho rằng tất cả các cơ quan của thực vật đều sinh ra từ lá. “Dù ở dạng này hay ở dạng khác, thực vật cuối cùng cũng chỉ là lá”.

Hai thế kỷ sau, các nhà khoa học phát hiện ra rằng đột biến gien có thể tạo ra sự thay đổi về hình dáng như Goethe đã nói. Trong những năm tiếp theo, các nhà khoa học đã tập trung vào nghiên cứu các biểu hiện của gien thông qua hiện tượng đột biến. Và họ tìm ra rằng các đoạn gien đều liên quan mật thiết với nhau, một số đoạn gien có khả năng sử dụng protein để kích hoạt hoặc làm các gien khác ngưng hoạt động. Bằng cách này chúng có thể tùy ý tập trung protein để phát triển cánh hoa hay bất cứ bộ phận nào trên cây hoa Arabidopsis.

Hiện tại, các nhà khoa học đang nghiên cứu các đoạn mã gien đó để tìm hiểu xem các loài hoa đã tiến hóa như thế nào. Họ phát hiện ra rằng cấu trúc gien tạo nên cây hoa Arabidopsis cũng xuất hiện trên một số loài khác, trong đó có Amborella. Trong nhiều trường hợp, một cấu trúc gien có thể xuất hiện một cách tình cờ trên các loài khác nhau.

Tuy vậy, việc tìm ra cấu trúc gien tạo nên loài hoa không đồng nghĩa với việc tìm ra chức năng của chúng trong sự phát triển của cây hoa. Để tìm ra bí ẩn này, các nhà khoa học cần phải nghiên cứu thêm các loại gien khác. Nhưng tiếc rằng, không phải loài hoa nào cũng dễ nghiên cứu như Arabidopsis; vì thế, câu trả lời này hiện vẫn bị bỏ ngỏ.

Vivian Irish, nhà sinh vật học thuộc Trường Đại học Yale, cùng các cộng sự hiện đang nghiên cứu cấu trúc của cây hoa anh túc. Lý do được bà đưa ra là: “Lá của hoa anh túc phát triển độc lập so với các loài khác”.

Bằng việc tách riêng một số gien, bà và các đồng nghiệp đã phân loại được loại gien nào có nhiệm vụ phát triển bộ phận nào của cây hoa.

Họ khám phá ra rằng, cấu trúc gien tạo ra hoa anh túc cũng có sự liên hệ với cấu trúc gien tạo nên loài Arabidopsis. Ví dụ như ở hoa Aradopsis, gien AP3 có nhiệm vụ tạo ra cánh hoa và nhị hoa, thì ở hoa anh túc cũng xuất hiện hai phiên bản khác của AP3 là paleoAP3. Nhưng nhóm nghiên cứu của Giáo sư Irish tìm ra rằng hai phiên bản gien này có công dụng hoàn toàn khác nhau. Trong khi, phiên bản gien thứ nhất nhân tố phát triển lá thì phiên bản thứ hai lại là nhân tố để phát triển nhị hoa.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, sự tiến hóa của những loài hoa đầu tiên đã tạo nên tập hợp một số gien có công dụng như là bộ điều khiển. Các gien này sử dụng protein để kích hoạt những khác có nhiệm vụ phát triển các bộ phận khác nhau trên cây hoa. Bằng cách đó, “bộ điều khiển gien” này có thể tập trung protein cho một số gien được chọn để tạo ra những loài hoa mới.

Mặc dù lá của cây hoa anh túc tiến hóa một cách độc lập với lá của cây Arabidopsis, nhưng cả hai loại cây này đều sử dụng một cấu trúc gien chung để điều khiển sự phát triển.

Nếu như lập luận của Giáo sư Irish là đúng, thì cách tiến hóa của thực vật cũng giống như của động vật. Ví dụ như sự tiến hóa của đôi chân loài người hoàn toàn độc lập và khác biệt so với loài ruồi. Nhưng chúng ta vẫn có thể tìm thấy sự xuất hiện của một số gien cơ bản trong sự phát triển của cả hai loài”.

“Tôi thấy điều này thực sự thú vị khi động vật và thực vật lại có cách tiến hóa giống nhau trong khi có cấu trúc gien khác nhau” – Giáo sư Irish nói.

Tuy vậy, Giáo sư Irish cũng cho biết, cuộc nghiên cứu này của bà chỉ là một phần nhỏ trong câu chuyện tiến hóa của loài hoa. “Đã có rất nhiều sự thay đổi kể từ khi bông hoa đầu tiên xuất hiện” – bà nói. “Ví dụ như sự tiến hóa của cơ quan sinh dục”.

Khi hai cơ quan sinh dục đực và cái kết hợp với nhau, chúng tạo ra sự thay đổi vô hình mà mắt thường chúng ta không thể nhìn thấy và có lẽ chính sự thay đổi này đã là nguyên nhân cho sự thống trị của loài cây hạt kín trên Trái đất.

Trong quá trình thụ phấn, phấn hoa tách DNA ra làm hai phần, phần thứ nhất có nhiệm vụ thụ tinh với trứng; phần còn lại trở thành lớp màng bao quanh, bảo vệ trứng và cung cấp chất dinh dưỡng để trứng phát triển lên thành hạt. Lớp màng này cũng chính là phần chứa nhiều chất dinh dưỡng nhất trong hạt ngũ cốc hay hạt gạo.

Ở những loài hoa đầu tiên, nội nhũ chỉ có đơn DNA của cơ thể bố hoặc mẹ. Nhưng sau Amborella, các loài hoa đã kết hợp DNA của cả bố và mẹ để tạo ra chất nội nhũ mới cho mình.

Giáo sư Friedman, Trường Đại học Colorado, đã ghi lại sự kết hợp này và cho rằng không phải ngẫu nhiên mà thời gian xuất hiện sự kết hợp này trùng với thời kỳ bùng nổ tiến hóa của loài cây có hoa. Có thể với sự kết hợp này, nội nhũ đã có thể tạo thêm nhiều protein hơn.

“Điều này giống như việc bạn lắp một động cơ mạnh hơn cho chiếc ô tô của mình” – ông nói.

Các chuyên gia khác cũng đồng ý rằng sự kết hợp này đã thực sự diễn ra, nhưng họ không cho rằng đó là lý do tạo nên sự tiến hóa vượt bậc của cây hạt kín. “Tôi không nghĩ điều này lại có ảnh hưởng lớn đến vậy” – Giáo sư Doyle nói.

Khi Giáo sư Friedman bắt đầu nghiên cứu về sự kết hợp quan trọng này cũng là lúc ông bắt đầu bị thu hút bởi những kết quả quan sát và thí nghiệm của Goethe.

Với các loài có đơn DNA trong nội nhũ như hoa súng, DNA được chia thành hai nhân, nhân thứ nhất nằm ở giữa phôi, nhân thứ hai di chuyển ra ngoài lớp màng và trở thành nội nhũ.

Và sau một loạt sự tiến hóa, hiện trong các loài như hoa hồng và hoa anh túc, nhân đơn xuất hiện đầu tiên ở gần lớp màng, sau đó nhân này phân đôi, một nhân con di chuyển về phía lớp màng phía đối diện. Và cứ thế sau mỗi lần phân đôi sau, một trong hai nhân con bắt đầu di chuyển dần từ lớp màng vào trung tâm.

Mỗi quá trình phân đôi đơn giản đó chính là nhân tố dẫn đến những sự thay đổi lớn và phức tạp ở loài hoa.

“Tự nhiên không sáng tạo ra mọi thứ cùng một lúc” – Giáo sư Friedman nói. “Chúng tạo ra điều mới theo những cách rất đơn giản. Không có điều gì trên Trái đất thay đổi một cách bí ẩn hay toàn bộ. Và chính Goethe đã là người đầu tiên phát hiện ra điều này”.