Thuyết nội cộng sinh (Endosymbiotic Theory) là giả thuyết cho rằng các bào quan như ty thể và lục lạp trong tế bào eukaryote (tế bào nhân thực) có nguồn gốc từ các vi khuẩn nguyên thủy sống cộng sinh trong tế bào tổ tiên của eukaryote. Theo thuyết này, ty thể và lục lạp đã từng là những sinh vật đơn bào sống độc lập, sau đó xâm nhập vào các tế bào khác, hình thành mối quan hệ cộng sinh và cuối cùng trở thành một phần không thể thiếu của tế bào eukaryote.

Dưới đây là các bằng chứng khoa học mạnh mẽ hỗ trợ thuyết nội cộng sinh:

1. Đặc điểm di truyền giống vi khuẩn
DNA riêng biệt: Ty thể và lục lạp có chứa DNA riêng biệt, khác với DNA trong nhân tế bào. DNA này có cấu trúc vòng giống như DNA của các vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn thuộc nhóm Proteobacteria (ty thể) và Cyanobacteria (lục lạp).
Di truyền độc lập: Các bào quan này có khả năng tự sao chép DNA và di truyền theo kiểu di truyền kiểu mẹ (maternal inheritance), tương tự như các vi khuẩn. Điều này không giống như các bào quan khác trong tế bào eukaryote, nơi DNA chỉ có trong nhân tế bào.
2. Cấu trúc của ty thể và lục lạp
Lớp màng kép: Ty thể và lục lạp có cấu trúc màng kép, giống như cấu trúc màng của các vi khuẩn. Các vi khuẩn cũng có màng ngoài và màng trong, tương tự như cách ty thể và lục lạp có hai lớp màng.
Kích thước và hình dạng: Kích thước và hình dạng của ty thể và lục lạp cũng tương tự như các vi khuẩn, đặc biệt là các vi khuẩn hình cầu hoặc hình que.
3. Quá trình tổng hợp protein
Ribosome tương tự vi khuẩn: Ty thể và lục lạp có ribosome của riêng chúng, giống với ribosome của vi khuẩn (khác với ribosome trong tế bào nhân thực). Các ribosome này có kích thước 70S, trong khi ribosome của tế bào eukaryote là 80S.
Sự tổng hợp protein: Các bào quan này có khả năng tự sản xuất một số protein của riêng mình, giống như các vi khuẩn tự tổng hợp protein từ gen của chúng.
4. Quá trình năng lượng
Sự trao đổi chất và năng lượng: Ty thể (với chức năng sản xuất năng lượng qua chuỗi hô hấp tế bào) và lục lạp (với chức năng quang hợp) có các cơ chế trao đổi chất và năng lượng tương tự như các vi khuẩn. Ví dụ, lục lạp có khả năng quang hợp giống như các cyanobacteria, trong khi ty thể tham gia vào việc sản xuất năng lượng (ATP) giống như các vi khuẩn hiếu khí.
5. Bằng chứng di truyền từ phân tích gene
Các nghiên cứu phân tích gene đã chỉ ra rằng DNA của ty thể và lục lạp có sự tương đồng lớn với các gene của vi khuẩn. Cụ thể, gene trong ty thể có sự giống nhau với các gene của Proteobacteria và gene trong lục lạp có sự giống nhau với các gene của Cyanobacteria. Điều này cho thấy rằng tổ tiên của ty thể và lục lạp chính là các vi khuẩn cổ xưa mà sau này đã phát triển mối quan hệ cộng sinh với tế bào eukaryote.
6. Mối quan hệ giữa vi khuẩn và tế bào eukaryote hiện đại
Một số vi khuẩn hiện nay, như Rickettsia (gần với ty thể) và Prochlorococcus (gần với cyanobacteria), có nhiều đặc điểm di truyền và sinh lý tương tự như ty thể và lục lạp. Sự tương đồng này củng cố giả thuyết rằng các bào quan này có nguồn gốc từ vi khuẩn.
7. Các ví dụ về sự cộng sinh trong tự nhiên
Trong tự nhiên, mối quan hệ cộng sinh giữa các vi khuẩn và tế bào eukaryote hiện vẫn tồn tại. Ví dụ, trong các sinh vật, như các loài cây hoặc động vật, vi khuẩn cộng sinh có thể sống trong các tế bào và tham gia vào các quá trình trao đổi chất. Điều này chứng tỏ rằng sự cộng sinh là một hiện tượng tự nhiên, có thể xảy ra giữa các sinh vật.
Tất cả các bằng chứng trên, từ cấu trúc di truyền đến chức năng sinh lý và mối quan hệ giữa vi khuẩn và tế bào eukaryote, đều hỗ trợ mạnh mẽ thuyết nội cộng sinh. Các bằng chứng này chỉ ra rằng các bào quan như ty thể và lục lạp không phải là các cấu trúc tế bào đơn giản được tạo ra trong tế bào eukaryote, mà là kết quả của quá trình tiến hóa lâu dài, khi các vi khuẩn cổ xưa xâm nhập vào tế bào chủ và hình thành mối quan hệ cộng sinh, cuối cùng trở thành một phần không thể thiếu trong tế bào eukaryote hiện đại.

Đã có nhiều chứng cứ hỗ trợ cho học thuyết này, ta có thể điểm qua như: ty thể và lạp thể chỉ nhân lên thông qua trực phân, còn tế bào thì không thể tổng hợp mới bào quan này; các protein vận chuyển được gọi là porin được tìm thấy trong màng ngoài của ti thể, lục lạp và màng tế bào vi khuẩn; hợp chất cardiolipin chỉ được tìm thấy ở màng trong ty thể và màng tế bào vi khuẩn; một số ti thể và lạp thể chứa các phân tử DNA dạng vòng, trần tương tự như nhiễm sắc thể của vi khuẩn.

 
Bằng chứng
[sửa | sửa mã nguồn]
Có nhiều bằng chứng ủng hộ rằng ti thể và lạp thể (bao gồm cả lục lạp) có nguồn gốc từ các vi khuẩn.[1][2][3][4][5]

Các ti thể và lạp thể mới chỉ được hình thành thông qua trực phân, dạng phân bào được sử dụng bởi vi khuẩn và vi sinh vật cổ.[6]
Nếu ti thể hoặc lục lạp của tế bào được loại bỏ, tế bào không có phương tiện để tạo mới những bào quân này.[7] Ví dụ, ở một số loại tảo, chẳng hạn như Euglena, các lạp thể có thể bị phá hủy bởi một số hóa chất hoặc do thiếu ánh sáng kéo dài mà không ảnh hưởng đến tế bào. Trong trường hợp này, các lạp thể sẽ không tái sinh.
Các protein vận chuyển được gọi là porin được tìm thấy trong màng ngoài của ty lạp thể và lục lạp, cũng được tìm thấy trên màng của tế bào vi khuẩn.[8][9][10]
Một lipid màng là cardiolipin chỉ được tìm thấy ở màng trong ty thể và màng tế bào vi khuẩn.[11]
Một số ty thể và một số lạp thể chứa các phân tử DNA dạng vòng tương tự như DNA của vi khuẩn cả về kích thước lẫn cấu trúc.[12]
So sánh hệ gen cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa ty thể và vi khuẩn Rickettsial.[13]
So sánh hệ gen cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa lạp thể và vi khuẩn lam.[14]
Nhiều gen trong bộ gen của ty lạp thể và lục lạp đã bị mất hoặc chuyển đến nhân của tế bào chủ. Do đó, nhiễm sắc thể của nhiều sinh vật nhân chuẩn chứa các gen có nguồn gốc từ hệ gen của ty thể và lạp thể.[12]
Ribosome của ty thể và lạp thể giống với ribosome nhân sơ (70S) hơn so với các sinh vật nhân chuẩn (80S).[15]
Protein được tạo ra bởi ty thể và lục lạp sử dụng N-formylmethionine làm amino acid khởi đầu, điều này giống với các protein được tạo ra bởi vi khuẩn chứ không phải các protein được tạo ra bởi các gen của tế bào nhân chuẩn hoặc vi sinh vật cổ.[16][17]