Bí mật về khả năng bất diệt của sinh vật sống dai nhất hành tinh

Đun thật sôi, đông thật lạnh, nén thật chặt, phơi thật khô, chiếu xạ thật mạnh, quăng vào buồng chân không... Hầu như mọi loài sinh vật khác đều không thể sống sót dù chỉ một trong các hành vi tàn sát trên, nhưng Tardigrade (bọ gấu nước), loài sinh vật cổ xưa có mặt ở Trái Đất hơn 500 triệu năm trước, có thể tồn tại và sinh đẻ trong môi trường vũ trụ khắc nghiệt, bất chấp các tia bức xạ ion ngoài không gian có khả năng giết chết con người trong 15 giây.

Tardigrade (Bọ gấu nước)

"Die hard"

Không phải ngẫu nhiên các nhà phi hành gia phải mặc bộ quần áo dày cộm và rất khó cử động hoặc di chuyển. Nếu từng xem loạt phim giả tưởng Aliens (Alien Anthology), hẳn bạn sẽ biết đến trò "diệt Alien" bằng cách mở cửa buồng lái để thổi bay con quái vật vào chân không. Đó là môi trường chết chóc cho gần như bất kỳ sinh vật nào.

Không có sự cân bằng áp suất khí quyển ở bên ngoài, toàn bộ không khí trong lồng ngực bạn sẽ bị rút cạn ra ngoài. Cùng lúc đó, các bọt khí trong máu bạn sẽ bung ra (tương tự các vận động viên lặn sâu nhưng trồi lên mặt nước quá nhanh), xé rách các mạch máu cũng lớp da bên ngoài cơ thể bạn. Máu trong cơ thể bạn sôi lên ùng ục. Kể cả bạn vẫn chưa chết ngay lúc ấy, các bức xạ đến từ không gian sẽ huỷ diệt DNA bên trong các tế bào của bạn. Không có DNA, các quá trình tổng hợp protein từ mRNA sẽ bị ngưng lại. Nếu "may mắn", não của bạn sẽ bất tỉnh sau 15 giây sau khi bị thổi vào không gian. Tất nhiên, bạn sẽ chết ngay sau ấy mà không kịp cảm nhận hết những điều tệ hại đang dần bủa vây lấy cơ thể bạn...

Ấy vậy mà có một nhóm loài sinh vật vẫn tồn tại được trong điều kiện hết sức khắc nghiệt đó. Chúng là những con bọ có tên gọi gấu nước với chiều dài cơ thể không quá 1 mm (thường chỉ dài khoảng 0,5 mm). Hồi 2007, hàng ngàn "chú gấu" được du hành trên một vệ tinh và nó đã bay trong chân không suốt một thời gian. Khi vệ tinh trên trở lại mặt đất, các nhà khoa học đã khám nghiệm lại chúng và phát hiện ra nhiều con bọ vẫn còn sống. Thậm chí, một số con cái còn đẻ trứng ngay trong không gian, và những con non mới nở lại cực kỳ khoẻ mạnh!

Nhưng loài bọ này không chỉ sống sót được trong điều kiện chân không mà còn ở những địa điểm cực kỳ khắc nghiệt khác trên Trái Đất. Chúng được tìm thấy tận trên những ngọn núi cao tới 5,5 km của dãy Himalaya, thấy trong các suối nước nóng của Nhật Bản, tận cùng dưới đáy đại dương và cả nơi băng giá như Nam Cực.

Thức ăn chính của bọ gấu nước là tảo, rêu và địa y

Những phát hiện đầu tiên...

Bọ gấu nước được phát hiện lần đầu vào 1702 bởi nhà khoa học người Hà Lan Anton van Leeuwenhoek. Trong bức thư gửi tới Hiệp hội Hoàng gia (Anh) tại London, ông viết: "Đã tìm thấy những vi động vật sống trong bùn có trên máng xối của nóc nhà" (On certain animalcules found in the sediment in gutters on the roofs of houses). Theo mô tả, ông đã lấy những mẫu bụi khô tưởng như không có sự sống, nằm trên máng xối và bổ sung nước vào đấy. Sử dụng một kính hiển vi tự chế, Leeuwenhoek phát hiện sau khoảng một giờ, nhiều "vi động vật" bắt đầu cựa quậy, bò và bơi chung quanh trong đĩa thí nghiệm. Tuy vậy, loài vật này chưa được đặt tên.

Hơn 7 thập kỷ sau, một tu sĩ kiêm nhà khoa học người Ý Lazzaro Spallanzani phát hiện "siêu năng lực" bên trong sinh vật này. Dùng chung phương pháp như Leeuwenhoek, Spallanzani cũng nhìn thấy những sinh vật li ti bò và bơi sau khi được thêm nước vào. Ông gọi chúng là "il Tardigrado", có nghĩa "bò rất chậm" vì những sinh vật này di chuyển không nhanh.

Trên kính hiển vi, bọ gấu nước có thân béo tròn, di chuyển bằng 8 chân khá to và khoẻ. Vì hình dạng này mà chúng được liên tưởng tới loài gấu với thân hình tương tự. Bọ gấu nước không có mắt nhưng bù lại, đầu của nó có một cái miệng rất to và khoẻ, với các mấu sắc cạnh như răng thú để cắn xé thức ăn.

Song chúng ta không phải lo lắng vì bọ gấu nước rất bé, chiều dài không bao giờ quá 1 mm và chỉ nhìn rõ dưới kính hiển vi. Thực tế bọ gấu nước là một nhóm loài với 900 loài riêng biệt được nhận diện. Đa số chúng là loài "ăn chay" bằng cách hút dịch của rêu, tảo và địa y để sống. Chỉ một số ít "ăn mặn" và một vài loài ăn thịt cả chính đồng loại của mình!

Bọ gấu nước có rất nhiều đại diện. Trong hình là bọ Tardigrada macrobiotus

Nhưng điều đáng ngạc nhiên hơn cả là bọ gấu nước đã từng tồn tại rất lâu trên hành tinh. Mẫu hoá thạch lâu đời nhất được ghi nhận cách nay hơn 500 triệu năm, tương ứng với kỷ Cambria (trước cả thời khủng long). Đấy là giai đoạn mà những động vật có cấu trúc cơ thể phức tạp đầu tiên ra đời. Và bọ gấu nước là một điển hình cực kỳ thú vị.

Siêu năng lực

Khô hạn

Tuổi đời lâu là thế nhưng khả năng của bọ gấu nước khiến bất kỳ sinh vật nào cũng phải kinh ngạc. Năm 1948, nhà động vật học người Ý Tina Franceschi khẳng định rằng những con bọ được tìm thấy từ những mẫu rong rêu có trong viện bảo tàng vốn đã bị héo úa suốt 120 năm vẫn có thể "sống lại". Sau khi cho thêm nước vào một con bọ, cô nhận thấy chân của nó cử động trở lại!

Tuy vậy phát hiện của Franceschi tương đối khó thuyết phục cộng đồng khoa học. Đơn giản vì không ai có thể lặp lại được thí nghiệm trên - phơi khô các mẫu bọ rồi... chờ 120 năm để quan sát chúng trở lại. Thêm vào đó không có nhiều chỉ dấu cho thấy những con bọ trên đã tồn tại cùng lúc với mẫu rêu có ở bảo tàng.

Song chúng ta vẫn có thể thực hiện lại điều trên ở quy mô ngắn hơn. Năm 1995, sau 8 năm bất động vì bị khô hoá, những con bọ gấu nước đã "sống lại" trước mắt các nhà khoa học.

Nóng bỏng & băng giá

Có thể sống sót trong điều kiện không có nước đã là rất khó khăn với mọi loài sinh vật. Nhưng bọ gấu nước dường như còn không "quan tâm" đến nhiệt độ môi trường...

Năm 1842, nhà khoa học người Pháp Doyère cho thấy ở trạng thái "đơ" (tun), bọ gấu nước vẫn sống sót được ở 125 °C. Đến 1920, một thầy tu dòng Benedict Gilbert Franz Rahm trả chúng về với sự sống sau khi gia nhiệt tới 151 °C trong vòng 15 phút! Sau đấy, Rahm tiếp tục tra tấn đám bọ bằng cách ngâm chúng trong không khí hoá lỏng ở -200 °C suốt 21 tháng, trong nitrogen lỏng ở -253 °C suốt 25 giờ, trong helium lỏng ở -272 °C suốt 8 giờ. Sau các màn "cực hình" như thế, bọ gấu nước vẫn cựa quậy khi được tiếp xúc với nước lỏng thông thường.

Băng giá như Nam Cực không là vấn đề với bọ gấu nước

Cho đến hôm nay, các nhà khoa học xác nhận loài bọ này có thể chịu lạnh được tới -272,8 °C, tức gần như tới độ không tuyệt đối. Đấy là ngưỡng nhiệt độ mà các nguyên tử gần như đứng yên tại chỗ vì không còn chút nhiệt động học phân tử nào! Cho dễ hình dung, nơi có nhiệt độ tự nhiên thấp nhất trên Trái Đất từng được ghi nhận là giữa Nam Cực, -89,2 °C vào 1983. Loài bọ gấu nước dường như đã đẩy mọi giới hạn đi quá xa mức cần thiết.

Áp suất

Một giới hạn khác của bọ gấu nước khiến các nhà khoa học kinh ngạc không kém là áp suất chống chịu. Một nghiên cứu do Kunihiro Seki và Masato Toyoshima thuộc ĐH Kanagawa (Nhật) công bố hồi 1998 cho thấy sinh vật này có thể chịu được áp suất lên tới 600 MPa ở trạng thái "đơ". Con số này là "quá đáng" vì nơi sâu nhất trên Trái Đất - đáy vực Mariana Trench ở Thái Bình Dương, sâu 11 km - có áp suất nước cũng chỉ ở ngưỡng 100 MPa. Tức bọ gấu nước chịu sức ép tới gấp 6 lần nơi sâu nhất tinh cầu này!

Bức xạ

Dường như chỉ có duy nhất một thứ có thể giết được bọ gấu nước. Đó là các tia xạ. Song không phải tia xạ nào cũng làm được điều đó. 1964, các nhà khoa học đã thử chiếu tia X có cường độ chết người lên loài bọ này, nhưng chúng vẫn sống sót. Vài thí nghiệm sau này đã thử cả với tia alpha, gamma cũng như tử ngoại (UV) và chúng vẫn... ngoe nguẩy, kể cả khi không ở trạng thái "ngủ đông"!

Lần gần đây nhất là thí nghiệm hồi 2007 (đã nêu ở đầu bài). Nhiều con đã chết khi bị phơi nhiễm trước cường độ bức xạ cực cao. Nhưng bằng cách nào đó, một số vẫn sống và thậm chí còn đẻ trứng!

Khi các tế bào bị phơi nhiễm trước lượng xạ cực cao, DNA trong nhân tế bào bị "đánh phá" và chúng không còn nguyên vẹn. Tế bào không tổng hợp được dưỡng chất cần thiết nữa nên chúng sẽ chết dần theo thời gian. Và đây có lẽ là cách duy nhất để giết bọ gấu nước, dù không có gì đảm bảo 100% thành công.

Giải mã chìa khoá của sự bất tử

Bảo rằng bọ gấu nước bất tử cũng không quá lời. Vì mỗi khi môi trường khô hạn thiếu nước, chúng lại chuyển sang trạng thái tương tự như ngủ đông, gọi là "cryptobiosis". Năm 1922, nhà khoa học người Đức H. Baumann đã giải mã được cách thức bọ gấu nước chuyển mình từ trạng thái bình thường sang trạng thái "bất diệt" nhất. Ông nhận ra rằng khi bị thiếu nước, bọ gấu nước thu mình lại, khép đầu và các chi vào trong. Từ đây nó rơi vào một điều kiện giống như ngủ đông của các loài vật khác. Song ở loài này, trạng thái này gần như là đã chết vậy.

Sau khi loại bỏ rút bỏ gần như cạn nước khỏi cơ thể, thân hình bọ gấu nước co rúm lại như một chiếc bánh mỳ bị ỉu. Ở trạng thái này, mức trao đổi chất trong cơ thể rút xuống còn 0,01%. Và bọ gấu nước có thể tồn tại như thế suốt hàng thập kỷ. Nó chỉ chờ đến khi nào có nước để "sống" trở lại.

Bọ gấu nước rụt đầu và chân lại, tạo thành cái kén để ngủ đông, sống sót qua môi trường thiếu nước

Tuy vậy Baumann vẫn chưa lý giải được khả năng sống siêu phàm của loài bọ trên. Nếu không có nước, hầu hết sinh vật sẽ chết, không sớm thì muộn. Nhà nghiên cứu sinh vật trong điều kiện khắc nghiệt, Thomas Boothby, thuộc ĐH Bắc Carolina, giải thích: "Khi một tế bào thông thường bị kiệt nước, lớp màng ngoài của nó sẽ bị rách và rò rỉ dịch. Các protein của nó sẽ bị duỗi thẳng và đóng kết lại với nhau, khiến chúng trở nên vô dụng. DNA cũng sẽ bắt đầu bị đứt gãy khi thời gian khô hạn kéo dài hơn".

Nhưng bọ gấu nước không gặp bất kỳ điều nào trong các điều trên. Boothby nhận xét: "Nếu gấu nước có thể sống sót mà không cần nước, chắc chắn chúng phải có những thủ thuật riêng để ngăn cản hoặc sửa chữa các hư hại mà các tế bào như của chúng ta thường sẽ bị chết (vì thiếu nước)".

Các loài khác có nên "ghen tức"?

Với các siêu năng lực như thế, ắt hẳn loài vật nào cũng muốn. Có thể tồn tại ở bất kỳ điều kiện cực hạn nào không phải thứ ai cũng làm được. Tuy vậy, loài nào cũng có thể tiến hoá. Vậy tại sao chỉ gấu bọ nước tiến hoá được như vậy mà các loài khác thì không?

Boothby giải thích: "Có một số lý do chính đáng tại sao nhiều động vật và thực vật không tiến hoá theo cách của gấu nước. Nhiều động vật chỉ đơn giản là không cần đến chúng. Chúng không sống trong các môi trường dễ mất nước, hoặc chúng có thể phát triển theo hướng tránh mất nước, kiểu như lạc đà".

Những loài khác chỉ đơn giản là tránh xa những nơi cực hạn như vậy. Như các loài chim di trú về mùa đông, hoặc thú tìm chỗ trú ẩn trong hang ấm... Khi thiếu nước, chúng sẽ tự đi tìm nước ở sông suối ao hồ hoặc những loài thực vật khác.

Và điều quan trọng hơn, đi vào trạng thái ngủ đông là quyết định mạo hiểm, Bobbthby nói. "Đó có thể là lý do nhiều loài động thực vật không tiến hóa những năng lực của gấu nước". Khả năng này rất hay để đối phó với môi trường, nhưng lại "dở" khi đối phó với các loài khác. Boothby cho biết: "Khi một con gấu nước bị khô hoàn toàn, chúng trở nên bất động và không thể chủ động tránh được các mối nguy hiểm có quanh mình". Khi ở tình trạng bất hoạt như thế, một con vật sẽ trở thành mồi ngon trong mắt các loài săn thịt khác. Thử tưởng tượng một chú gấu vài trăm kg bị mất hết nước và nằm lọt giữa bầy sói. Có lẽ chú sống được qua mùa đông, nhưng không sống được trong dạ dày của loài khác.

Vì thế, có lẽ việc tiến hoá của bọ gấu nước chỉ thích hợp đối với chúng. Chúng đã tồn tại suốt 500 triệu năm và sẽ tiếp tục tồn tại như thế. Bọ gấu nước "vui vẻ" với điều đó. Nhưng các loài khác cũng không cần phải "gato" vì cách sống của từng loài khác nhau.