Hiện tượng này được gọi là endosymbiosis chính, xảy ra khi một sinh vật vi khuẩn nuốt chửng một sinh vật khác và bắt đầu sử dụng nó như một cơ quan nội tạng. Đổi lại, tế bào chủ cung cấp chất dinh dưỡng, năng lượng, bảo vệ và những lợi ích khác cho sinh vật cộng sinh, cho đến khi cuối cùng nó không thể tồn tại độc lập và trở thành một cơ quan của tế bào chủ – hay còn được gọi là bào quan trong các tế bào vi khuẩn.

Hãy tưởng tượng nếu thận thực sự là những sinh vật nhỏ chạy xung quanh, và con người phải lọc máu qua máy lọc máu. Rồi một ngày nào đó, một người nào đó vô tình có một sinh vật thận bị mắc kẹt… bên trong cơ thể (chúng ta không nên phán xét cách thức) – và nhận ra rằng mình không cần đến máy lọc máu nữa. Con cái của họ cũng vậy, cho đến khi cuối cùng chúng ta đều sinh ra với những sinh vật nhỏ hữu ích bên trong cơ thể. Đó chính xác là điều đang diễn ra ở đây.

Trong lịch sử khoảng 4 tỷ năm của sự sống trên Trái Đất, endosymbiosis chính được cho là chỉ xảy ra hai lần mà chúng ta biết đến, và mỗi lần đều là một bước đột phá lớn cho tiến hóa. Lần đầu tiên xảy ra khoảng 2.2 tỷ năm trước, khi một archaea nuốt chửng một vi khuẩn trở thành mitochondria. Bào quan chuyên sản xuất năng lượng này cho phép hầu hết các hình thức sống phức tạp phát triển. Đến ngày nay, nó vẫn được coi là “nhà máy năng lượng của tế bào”.

Lần thứ hai xảy ra khoảng 1.6 tỷ năm trước, khi một số tế bào tiên tiến hơn hấp thụ cyanobacteria có khả năng thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Chúng trở thành bào quan gọi là chloroplast, cung cấp khả năng thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời, cũng như màu xanh lá cây đẹp mắt, cho một nhóm sinh vật mà bạn có thể đã nghe đến – thực vật.

Và bây giờ, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng điều này đang xảy ra một lần nữa. Một loài tảo gọi là Braarudosphaera bigelowii đã được phát hiện nuốt chửng một cyanobacterium cho phép chúng thực hiện một điều mà tảo và thực vật nói chung không thể làm – “cố định” nitơ trực tiếp từ không khí và kết hợp nó với các nguyên tố khác để tạo ra các hợp chất hữu ích hơn.

Nitơ là một chất dinh dưỡng quan trọng, và thông thường thực vật và tảo nhận nitơ của chúng thông qua mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn vẫn còn tách biệt. Ban đầu người ta nghĩ rằng B. bigelowii đã thiết lập mối quan hệ này với một vi khuẩn gọi là UCYN-A, nhưng sau khi kiểm tra kỹ lưỡng hơn, các nhà khoa học phát hiện ra rằng hai loài đã trở nên gắn bó mật thiết hơn.

Trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng tỷ lệ kích thước giữa tảo và UCYN-A giữ nguyên qua các loài tảo khác nhau liên quan. Sự phát triển của chúng dường như được kiểm soát bởi sự trao đổi chất dinh dưỡng, dẫn đến việc chuyển hóa liên kết.

“Đó chính xác là điều xảy ra với các bào quan,” Jonathan Zehr, một tác giả của các nghiên cứu, nói. “Nếu bạn nhìn vào mitochondria và chloroplast, cũng là như vậy: chúng tỷ lệ với tế bào.”

Trong một nghiên cứu tiếp theo, nhóm nghiên cứu và các cộng tác viên khác đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh X-quang mạnh mẽ để xem bên trong các tế bào tảo sống. Điều này cho thấy sự nhân bản và phân chia tế bào được đồng bộ hóa giữa chủ và cộng sinh – thêm bằng chứng cho endosymbiosis chính đang diễn ra.

Và cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã so sánh các protein của UCYN-A tách biệt với những protein bên trong tế bào tảo. Họ phát hiện ra rằng vi khuẩn tách biệt chỉ có thể sản xuất khoảng một nửa số protein cần thiết, phụ thuộc vào tế bào chủ tảo để cung cấp phần còn lại.

“Đó là một trong những dấu hiệu cho thấy một thứ gì đó đang chuyển từ một cộng sinh đến một bào quan,” Zehr nói. “Chúng bắt đầu vứt bỏ các phần của DNA, và bộ gen của chúng ngày càng nhỏ đi, và chúng bắt đầu phụ thuộc vào tế bào mẹ để sản phẩm gen đó – hoặc chính protein – được vận chuyển vào tế bào.”

Tổng hợp lại, nhóm nghiên cứu cho biết điều này chỉ ra rằng UCYN-A là một bào quan đầy đủ, được đặt tên là nitroplast. Dường như quá trình tiến hóa này bắt đầu khoảng 100 triệu năm trước, nghe có vẻ là một khoảng thời gian rất dài nhưng chỉ là chớp mắt so với mitochondria và chloroplast.