Trong suốt cuộc đời mình, xung quanh Charles Darwin toàn là hoa. Năm ông lên 10, mỗi lần một bông mẫu đơn trong khu vườn của cha ông tung cánh nở rộ, ông lại đặt bút ghi lại. Khi mua một ngôi nhà cho gia đình riêng của mình, ông đã biến nó thành một khu vườn thực vật, nơi ông đã tiến hành thí nghiệm trên các loài hoa cho đến khi qua đời. Nhưng bất chấp sự thân thiết gần gũi với các loài hoa, một lần Darwin từng viết về sự tiến hóa của chúng là “một bí ẩn khủng khiếp.”

Ông có thể nhận ra các loài thực vật có hoa thành công như thế nào. Chúng chiếm phần lớn số lượng các loài thực vật hiện đang sinh sống, và chúng thống trị nhiều hệ sinh thái của trái đất, từ các rừng mưa nhiệt đới cho đến các đồng cỏ. Chúng cũng thống trị cả những trang trại của chúng ta. Phần lớn năng lượng con người tiêu thụ đến từ những bông hoa, ở các dạng thực phẩm như ngô, gạo, và lúa mì. Các loài hoa cũng gây ấn tượng vì sự đa dạng trong hình thức và màu sắc của chúng, từ những bông hồng tươi tốt, mạnh mẽ, đến những loài phong lan bắt chước giống nhện, hay những bông hoa rum có hình dáng giống chiếc bình.

Tuy nhiên, dữ liệu hóa thạch (fossil record) không thể cung cấp cho Darwin một chút giác ngộ về sự tiến hóa ban đầu của các loài hoa. Vào thời điểm đó (thế kỷ 19), những hóa thạch cổ nhất của những loài thực vật có hoa đến từ các tảng đá đã hình thành từ 100 triệu đến 66 triệu năm trước, trong Kỷ Phấn trắng. Các nhà khảo cổ học tìm thấy một sự đa dạng nhiều hình dáng khác nhau, chứ không phải là một vài tiền thân nguyên thủy.

Cho đến gần đây, các nhà khoa học có những ý kiến đa chiều về mối quan hệ  giữa thực vật có hoa và các loài thực vật khác.

Một thời gian dài sau khi Darwin qua đời vào năm 1882, lịch sử của các loài cây có hoa đã tiếp tục khiến các nhà khoa học tranh cãi. Nhưng nếu trao đổi với các chuyên gia ngày nay, ta có thể cảm nhận được một sự lạc quan cẩn trọng. “Có một năng lượng mà tôi chưa từng thấy trong đời,” William Friedman, một nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Colorado, Boulder, nói.

Các hóa thạch mới được phát hiện là một trong những nguồn cảm hứng mới. Nhưng các nhà khoa học cũng đang tìm kiếm rất nhiều manh mối ở các loài thực vật có hoa hiện đang sống và bộ gen của chúng. Họ đang phân tích và giải mã những công thức để tạo nên các loại hoa khác nhau được mã hóa trong ADN thực vật. Các nghiên cứu của họ chỉ ra rằng các loài hoa tiến hóa tạo nên sự đa dạng tuyệt diệu này, theo cách giống như đôi mắt và các chi đã làm: thông qua việc tái chế các gen cũ để làm những công việc mới.

Cho đến gần đây, các nhà khoa học có những ý kiến đa chiều về mối quan hệ  giữa thực vật có hoa và các loài thực vật khác. Nhờ nghiên cứu về ADN thực vật, mối quan hệ họ hàng của chúng được làm rõ hơn. “Đã từng có mọi loại ý tưởng về vấn đề này, và nhiều trong số chúng đã bị bác bỏ,” James A. Doyle, một nhà khảo cổ thực vật học tại Đại học California, Davis cho biết.

Để lấy ví dụ, bây giờ ta đã rõ rằng họ hàng gần nhất của thực vật ra hoa là loài không có hoa mà tạo ra hạt giống, một nhóm bao gồm thông và cây bạch quả (gingko). Không may thay, các loài thực vật đều liên quan mật thiết với nhau, và không có loài nào là có mối liên quan mật thiết hơn tới các loài hoa hơn bất kì một loài nào khác.

Hoa súng và sao hồi là đại diện cho hai dòng dõi lâu đời kế cận còn tồn tại đến ngày nay.

Các loài thực vật có thể lưu trữ lại những giai đoạn xuất hiện đầu tiên của loài hoa dường như đã tuyệt chủng từ hàng triệu năm trước. “Cách duy nhất để tìm ra chúng là thông qua các hóa thạch,” tiến sĩ Doyle cho hay.

Vài năm qua các nhà khoa học đã theo dõi các mẫu hóa thạch hoa ở khoảng 136 triệu năm trước. Họ cũng đã tìm thấy một số hóa thạch của những thực vật có hạt đã tuyệt chủng, một số trong đó tạo ra những hạt giống có cấu trúc yếu ớt như hoa. Nhưng các hóa thạch thú vị nhất cũng chính là những mảnh rời rạc nhất, các nhánh rời bị chia rẽ sâu sắc hơn mà chúng lại có thể liên quan chặt chẽ đến các loài hoa. “Không có sự đồng thuận,” tiến sĩ Doyle cho hay.

Nhưng có một sự đồng thuận về lịch sử tiến hóa giai đoạn đầu của các loài hoa. Bằng cách nghiên cứu ADN của nhiều loài thực vật có hoa, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng một số ít loài, đại diện cho những dòng dõi lâu đời nhất, vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Nhánh lâu đời nhất được đại diện bởi duy nhất một loài: một loài cây bụi, gọi là Amborella, được tìm thấy duy nhất trên đảo New Caledonia ở phía Nam Thái Bình Dương. Hoa súng và sao hồi là đại diện cho hai dòng dõi lâu đời kế cận còn tồn tại đến ngày nay.

Nếu bạn có thể du hành về 130 triệu năm trước đây, bạn sẽ không bị ấn tượng bởi những bông hoa đầu tiên. “Chúng không có vẻ sẽ đi đến đâu,” tiến sĩ Doyle nói.

Những bông hoa đầu tiên này nhỏ bé và hiếm hoi, sống dưới bóng của những loài  không có hoa thành công hơn rất nhiều. Mất nhiều triệu năm thì các loài hoa mới bắt đầu vào guồng. Khoảng 120 triệu năm trước, một nhánh mới của các loài hoa đã phát triển đế đến lúc sẽ thống trị nhiều cánh rừng và bùng nổ tính đa dạng. Dòng dõi đó bao gồm 99 phần trăm tất cả các loài thực vật có hoa trên Trái đất ngày nay, từ mộc lan tới bồ công anh tới cả bí ngô. Việc sự đa dạng bùng nổ này cũng kéo theo sự gia tăng các hóa thạch hoa, đã khiến Darwin rất bối rối.

Tất cả các loài hoa, từ Amborella trở đi, có cấu trúc giải phẫu cơ bản giống nhau. Hấu hết chúng đều có những cánh hoa, hay là những cấu trúc tương tự cánh hoa, bao quanh bộ phận sinh sản đực và cái. Những bông hoa đầu tiên có lẽ khá nhỏ và đơn giản, giống như hoa Amborella thời hiện đại.

Sau đó, trong sáu dòng dõi, hoa trở nên phức tạp hơn. Chúng tiến hóa một vành đai cánh hoa bên trong lớn và sặc sỡ, và một vòng ngoài lại thường có màu xanh, nom giống lá cây, được gọi là lá đài, nó có nhiệm vụ bảo vệ những bông hoa non nớt trong khi chúng nở chồi.

Dựa trên những phát hiện gần đây, có vẻ không phải cánh hoa nào cũng như cánh hoa nào. Để lấy ví dụ, những cánh hoa của cây paw-paw, chúng đã tiến hóa độc lập so với những cánh hoa trên một bông hồng. Nhưng các gen tạo nên các bông hoa gợi ý rằng câu chuyện còn có nhiều tình tiết hơn thế.  

“Từ đầu đến cuối,” Goethe viết, “cá thể thực vật chẳng là gì ngoài một chiếc lá.”

Vào cuối những năm 1980, các nhà khoa học đã phát hiện ra những gen đầu tiên có chức năng định hướng sự phát triển của hoa. Họ đang nghiên cứu một loài cây nhỏ được gọi là Arabidopsis, loài chuột thí nghiệm của thực vật học, khi quan sát thấy những đột biến có thể gây ra những thay đổi kỳ quái. Vài đột biến khiến cho những cánh hoa mọc lên ở nơi đáng ra nên là nhị, cơ quan sinh dục đực của hoa. Những đột biến khác lại khiến vòng tròn cánh hoa bên trong biến thành đài hoa. Và vẫn còn những đột biến khác khiến đài hoa trở thành những chiếc lá.

Khám phá này đặc biệt phản ánh lại những ý tưởng lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà thơ người Đức Goethe, không chỉ là người viết “Faust” mà còn là người quan sát thận trọng các loài thực vật.

Vào năm 1790, Goethe đã viết một bài luận có tầm nhìn lớn với tên gọi “ Hình thái học thực vật,” trong đó ông lập luận rằng tất cả các bộ phận thực vật, bao gồm hoa, ban đầu chính là lá. “Từ đầu đến cuối,” ông viết, “cá thể thực vật chẳng là gì ngoài một chiếc lá.”

Hai thế kỷ sau, các nhà khoa học phát hiện ra rằng các đột biến gen có thể gây ra những biến đổi căn bản, như những gì mà Goethe đã hình dung. Trong hai thập kỷ qua, các nhà khoa học điều tra xem làm thế nào mà những gen, sau khi đã lộ chân tướng thông qua đột biến như vậy, hoạt động ở những bông hoa bình thường như thế nào. Các gen này mã hóa các protein mà có thể bật hay tắt các gen khác, do đó lại có thể bật hay tắt các gen khác nữa. Các gen cùng với nhau có thể kích hoạt sự phát triển của một cánh hoa hoặc bất kỳ phần nào của một bông hoa Arabidopsis.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu các gen này để tìm ra cách các loại hoa mới đã tiến hóa. Họ đã tìm ra các phiên bản khác của bộ gen cấu tạo nên hoa Arabidopsis ở các loài khác, bao gồm cả Amborella. Trong nhiều trường hợp, các gen đã bị lặp lại một cách tình cờ ở những dòng dõi khác nhau.

Tuy nhiên, việc tìm ra các gen xây dựng nên hoa không tự động hé lộ cho các nhà khoa học biết chức năng của chúng trong quá trình phát triển của một bông hoa. Để trả lời câu hỏi đó, các nhà khoa học cần phải mày mò với bộ gen thực vật một chút. Không may thay, không phải loài thực vật nào cũng dễ mày mò như Arabidopsis, nên những câu trả lời mới chỉ đang bắt đầu xuất hiện.

Vivian Irish, một nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Yale, và các đồng nghiệp của cô đang học cách làm thế nào để điều khiển loài anh túc, lý do bởi tiến sĩ Irish chỉ ra, “những cánh hoa của loài anh túc đã tiến hóa độc lập.”

Cô và các đồng nghiệp của mình đã xác định các gen xây dựng nên hoa, bằng cách tắt đi một số gen và tạo ra sản phẩm là những bông hoa kỳ quái.

Hóa ra các gen này có liên quan tới các gen hình thành nên hoa Arabidopsis. Ví dụ, ở Arabiodopsis, một gen là AP3 là cần thiết để tạo thành các cánh hoa và nhị hoa. Anh túc có hai bản sao của một phiên bản của gen này, gọi là paleoAP3. Nhưng tiến sĩ Irish và các cộng sự đã tìm ra rằng hai gen này tạo ra những hiệu ứng khác nhau. Tắt một gen khiến cánh hoa bị biến đổi. Gen còn lại gây biến đổi nhị hoa.

Tiến sĩ Irish cho biết, kết quả cho thấy rằng những loài hoa cổ nhất đã tạo ra một bộ công cụ cơ bản gồm các gen, đánh dấu những vùng khác nhau trên thân cây. Những gen địa lý đó tạo nên các protein mà sau đó có thể chuyển đổi các gen có liên quan khác trong việc tạo nên các cấu trúc khác nhau. Theo thời gian, các gen này có thể chuyển đổi khả năng điều khiển từ một bộ gen sang một bộ khác, dẫn đến những loài hoa mới.

Do đó, cánh hoa của loài anh túc tiến hóa độc lập so với các cánh của Arabidopsis, nhưng cả hai loài đều sử dụng cùng một loại gen để kiểm soát sự phát triển của chúng.

Nếu tiến sĩ Irish đúng, các loài hoa đã tiến hóa theo cách tương tự như giải phẫu của chúng ta. Ví dụ, chân ta tiến hóa độc lập với chân ruồi, nhưng có rất nhiều gen cổ giống nhau đã được tận dụng để xây thành những chi khác nhau này.

“Tôi thấy khá tuyệt là động vật và thực vật đã sử dụng những chiến lược tương tự nhau,” tiến sĩ Irish cho biết, “mặc dù với những gen khác nhau.”

Tuy nhiên, theo tiến sĩ Irish, các nghiên cứu của cô về các cánh hoa chỉ là một phần của câu chuyện. “ Nhiều sự kiện đã xảy ra khi thực vật có hoa xuất hiện,” cô cho biết. Để lấy ví dụ, trên các loài hoa  một cách sắp xếp cơ quan sinh dục mới đã phát triển. “Một cây thông có những nón đực và nón cái,” cô cho biết, “nhưng hoa có cả cơ quan sinh dục đực và cái trên cùng một trục1.”

Một khi các cơ quan sinh dục được tập hợp lại với nhau, chúng trải qua một sự thay đổi vô hình, mắt thường không thể thấy, mà có thể đã đưa loài thực vật có hoa đến vị trí thống trị trong giới thực vật.

Khi một hạt phấn thụ tinh cho một trứng, nó cung cấp 2 bộ ADN. Khi một bộ thụ tinh cho trứng, thì bộ kia có sứ mệnh tạo ra một bọc bao quanh trứng. bọc này chứa đầy nội nhũ (endosperm), với nhiều tinh bột, cung cấp nhiên liệu cho sự phát triển của trứng trở thành hạt giống. Nó cũng là nhiên liệu cho sự lớn lên của chính chúng ta khi ta ăn ngô, gạo hay các loại hạt khác.

Ở những loài hoa đầu tiên, nội nhũ chứa một bộ gen từ cây bố và một bộ gen từ cây mẹ. Nhưng sau khi những dòng dõi đầu tiên như Amborella và hoa súng phân nhánh, các loài hoa củng cố thêm nội nhũ của chúng với hai bộ gen từ mẹ và một từ bố.

Tiến sĩ Friedman, thuộc đại học Colorado, Boulder, đã ghi nhận quá trình chuyển đổi và không hề nghĩ rằng đó là một sự trùng hợp ngẫu nhiên mà thực vật có hoa trải qua một sự bùng nổ tiến hóa sau khi có thêm một bộ gen nữa trong nội nhũ của chúng. Ví dụ như có thể với bộ gen thêm đó, nội nhũ có thể sản sinh nhiều protein hơn.

“Nó tương tự như việc có một động cơ lớn hơn,” tiến sĩ Friedman cho hay.

Các chuyên gia khác đồng tình rằng quá trình chuyển đổi đã diễn ra, nhưng họ không chắc đó có phải là bí mật của sự thành công của thực vật có hoa hay không. “Tôi không biết tại sao nó có thể tuyệt vời đến vậy,” tiến sĩ Doyle cho biết.

Như nghiên cứu về các thiết lập bộ gen tiến hóa trong hoa của tiến sĩ Friedman, ông đã một lần nữa bị hấp dẫn bởi tầm nhìn về nguồn gốc đơn giản và kết quả phức tạp của Goethe.

Các loài hoa với một bộ ADN đơn của giống cái trong nội nhũ, giống như hoa súng, bắt đầu với một hạt nhân duy nhất tại một đầu của túi phôi. Nó phân chia, và một hạt nhân di chuyển đến giữa túi để trở thành một phần của nội nhũ.

Sau đó, một biến thể xuất hiện. Trong một đóa hồng hoặc một bông thuốc phiện, một hạt nhân duy nhất bắt đầu di chuyển ra một đầu túi. Nhưng khi nhân phân chia, một trong những hạt nhân làm đường đi tới đầu kia của túi. Hai hạt nhân phân chia, và sau đó một trong những hạt nhân từ mỗi đầu của túi sẽ di chuyển vào giữa.

Sao chép, một quá trình đơn giản, dẫn đến sự phức tạp và một thay đổi lớn ở hoa.

“Tự nhiên không tự nhiên mà phát minh ra mọi thứ,” tiến sĩ Friedman nói. “Nó tạo ra sự mới lạ theo những cách rất đơn giản. Chúng không cực đoan hay bí ẩn. Goethe đã hiểu được điều này.”