Kỳ tích chịu đựng những điều kiện khắc nghiệt của sinh vật

• Sinh vật đầu tiên bay vào vũ trụ
• Công viên khổng lồ bảo vệ sinh vật biển
• Phát hiện sinh vật trường thọ nhất thế giới

Kinh ngạc trước hiện tượng kỳ diệu này, các nhà khoa học đang nỗ lực nghiên cứu để tìm hiểu liệu có thể ứng dụng cho đời sống con người và vật nuôi hay không.

Từ Extremophile cho đến Polyextremophile

Ở miền bắc Alaska, loài bọ cánh cứng đỏ có tên khoa học Cucujus clavipes sống được trong điều kiện khí hậu Bắc cực nhờ trong cơ thể chúng có hỗn hợp các hóa chất đặc biệt. Sự hình thành những tinh thể băng trong chất dịch cơ thể là mối đe dọa lớn nhất cho sự sống, nhưng cơ thể bọ cánh cứng đỏ tiết ra protein chống đông hiệu quả ngăn các phân tử nước tập hợp lại. Máu của loài bọ này tập trung cao glycerol, nghĩa là nước trong cơ thể chúng sẽ không tạo thành các tinh thể băng vốn có thể giết chết các loài khác.

Bọ cánh cứng đỏ.

Giáo sư John Duman ở Đại học Notre Dame bang Indiana (Mỹ) nêu trường hợp những con ấu trùng sống được ở nhiệt độ âm 150 độ C - một điều kiện mà chỉ riêng hóa chất chống đông tự nhiên của cơ thể cũng không đủ sức chống chọi.

Giáo sư Duman cho biết protein chống đông trong cơ thể bọ cánh cứng đỏ hiện được nghiên cứu để tìm kiếm những ứng dụng tiềm tàng cho công nghiệp bảo quản lạnh và trong nông nghiệp. Trong khi bọ cánh cứng đỏ dễ dàng tồn tại trong điều kiện cực lạnh thì cũng có các loài khác chịu đựng được sức nóng kinh khiếp. Đó là loài kiến bạc sa mạc Sahara (Cataglyphis bombycina) có thể chịu đựng được nhiệt độ 60 độ C.

Kiến bạc sa mạc Sahara.

Loài kiến này ăn xác các côn trùng bị chết do tiếp xúc với nhiệt độ cao nhưng mặc dù cơ thể có thể chịu được sức nóng kinh người song kiến bạc sa mạc cũng có thể chết nếu tiếp xúc với nhiệt độ cao trong nhiều phút. Kiến bạc sa mạc Sahara tồn tại được bởi vì chúng chỉ tiếp xúc với nhiệt trong quãng thời gian ngắn. Kiến bạc sa mạc có chân dài và chạy rất nhanh để cơ thể tiếp xúc với cát nóng càng ít càng tốt.

Tìm kiếm thức ăn trong điều kiện khắc nghiệt cũng là kỳ tích của loài nhện nhảy Himalaya (Euophrys omnisuperstes) - chúng sống được ở độ cao 6.700 mét trên mực nước biển. Điều này có nghĩa là không có con mồi nào sống được ở độ cao như thế để nuôi sống nhện nhảy, song môi trường sẽ giải quyết vấn đề này - gió thổi bay những côn trùng bị đông cứng trên núi cho nhện bắt mồi.

Trong khi sự thích nghi với duy nhất một điều kiện cực kỳ khắc nghiệt được coi là ấn tượng, thì bên cạnh đó còn có những loài có thể sống sót trong nhiều điều kiện khác nhau gọi là polyextremophile. Tardigrade, hay cũng gọi là "Gấu biển", là sinh vật 6 chân nhỏ sống được trong cả hai điều kiện nóng và lạnh cực độ, áp suất thấp và thậm chí mức phóng xạ cao.

Nhện nhảy Himalaya.

Ingemar Jonsson, phó giáo sư Đại học Kristianstad (Thụy Điển) và chuyên gia về tardigrade, cho biết: "Khả năng khử nước hoàn toàn khi điều kiện xung quanh khô ráo và tồn tại trong hoàn cảnh như thế mà không có bất cứ cơ chế chuyển hóa nào trong suốt nhiều năm hay thậm chí nhiều thập niên rõ ràng là rất ấn tượng. Song cơ chế sinh tồn của tardigrade vẫn còn là bí ẩn lớn của khoa học. Chúng ta biết rằng, sinh vật phải có cách nào đó để bảo vệ các cấu trúc tế bào cơ bản không bị phá vỡ khi nước bị rút cạn, và sửa chữa những tổn hại sinh ra".

Cũng giống như loài bọ cánh cứng đỏ, cơ chế khử nước nhằm bảo vệ tardigrade không bị đông cứng khi nhiệt độ xuống cực thấp, cũng như các tế bào "bị sấy khô" của chúng được an toàn trước sự đe dọa của sự hình thành tinh thể băng. Vào tháng 12-2012, các nhà nghiên cứu báo cáo loài tardigrade có thể sống ở nhiệt độ chưa đến âm 270 độ C! Và thậm chí, chúng sống nổi trong môi trường phóng xạ cực cao vốn giết chết con người ngay lập tức.

Phó giáo sư Jonsson nhận định: "Chúng ta tin rằng khả năng sửa chữa ADN bị tổn hại là một trong những yếu tố chính trong hệ thống sinh tồn của tardigrade. Do đó, việc giải mã được cơ chế bí ẩn này sẽ là bước đột phá ngoạn mục cho kiến thức chúng ta về tardigrade, đồng thời cũng đem lại lợi ích cho các lĩnh vực khác của sinh học và y khoa mà ở đó sự sửa chữa ADN đóng vai trò trung tâm".

Bí ẩn Tardigrade

Năm 2007, tardigrade trở thành sinh vật đầu tiên sống sót khi được đưa vào không gian vũ trụ, trong điều kiện gió mặt trời liên tục và môi trường chân không. Tardigrade có mặt trên tàu con thoi Endeavour của NASA cùng với vài sinh vật cực nhỏ khác được chọn lọc trong dự án gọi là Biokis - được Cơ quan không gian Italia tài trợ - tìm hiểu về cơ chế sống còn trong những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt. Dự án Biokis tiến hành 7 thí nghiệm nhằm điều tra xem chuyến bay vào không gian sẽ tác động đến các sinh vật ở mực phân tử như thế nào.

Tardigrade hay Gấu biển.

Trước đó, vào tháng 9-2007, tardigrade cũng được đưa vào không gian trong sứ mạng vũ trụ FOTON-M3 của Cơ quan không gian châu Âu (ESA), và khả năng sống sót kỳ lạ của chúng trước bức xạ mặt trời được phát hiện gây ngạc nhiên cho giới khoa học - chúng có thể tồn tại trong điều kiện phóng xạ tia cực tím từ mặt trời ở mức chết người tức là cao hơn bề mặt trái đất đến 1.000 lần! Mối nguy hại của tia cực tím là hủy hoại vật liệu di truyền của tế bào gây ra bệnh ung thư da ở con người, thậm chí bức xạ mặt trời trong vũ trụ có thể diệt khuẩn.

Các nhà khoa học sử dụng sinh học phân tử để đánh giá mọi thay đổi trong thông tin di truyền của tardigrade, cũng như điều tra các tế bào của sinh vật thích nghi như thế nào để đối phó với tình trạng khử nước cực độ do môi trường chân không trong vũ trụ gây ra và sự tổn hại do bức xạ vũ trụ. Các nhà khoa học còn sử dụng công cụ gọi là xạ lượng ký (dosimeter) để đo lượng bức xạ tác động đến tardigrade tại mỗi điểm khác nhau trong suốt sứ mạng vũ trụ.

Tardigrade - sinh vật giống như vết đốm nhỏ dài chưa đến 1mm - có cơ thể bè bè chắc nịch và mọi đặc tính của loài gấu được tìm thấy ở tardigrade nên nó còn được gọi là Gấu biển. Tardigrade cũng tồn tại trong môi trường nước ngọt và trên mặt đất cũng như tồn tại trong môi trường khô hạn trong thời gian dài. Các nghiên cứu di truyền cho thấy tardigrade ban đầu sống trong môi trường nước ngọt trước khi tự thích nghi để "định cư" trên mặt đất, tìm kiếm những môi trường ẩm ướt như đất, rêu, lá cây mục và địa y.

Tardigrade có thể tìm thấy ở khắp nơi trên thế giới, từ vùng Bắc cực cho đến Nam cực, từ vùng núi non đến sa mạc, trong các khu vực thành thị cho đến sân vườn nhà chúng ta. Trong các môi trường trên mặt đất, tardigrade luôn đòi hỏi ít nhất một màng nước bao quanh thân để hoàn thành các hoạt động cần thiết cho sự sống. Nhưng, nếu các điều kiện này thay đổi, tardigrade có thể bước vào dạng sống cực kỳ khắc nghiệt gọi là cryobiosis (cực lạnh) hay anhydrobiosis (cực kỳ khan nước).

Các nhà khoa học hy vọng các nghiên cứu về tardigrade có thể giúp phát triển những kỹ thuật bảo vệ các sinh vật khác, bao gồm cả con người, trong các điều kiện cực kỳ khắc nghiệt trên mặt đất cũng như trong vũ trụ. Thậm chí giúp ích rất nhiều trong sứ mạng thám hiểm hệ mặt trời của con người.

* Những dạng sống Extremophile tìm thấy khắp nơi

Những suối nước nóng

Suối nước nóng ở Công viên quốc gia Yellowstone (Mỹ) và những môi trường nhiệt cực cao khác có các loài sinh sống gọi là thermophlie (sinh vật ưa nhiệt), tức các sinh vật tồn tại ở điều kiện nhiệt độ có thể giết chết mọi dạng sống. Các loài thermophile này sở hữu các enzyme đặc biệt bảo vệ ADN của chúng không bị tổn hại. Cơ chế hóa học của thermophile được nghiên cứu cho một loạt các ứng dụng, như là công nghệ lấy dấu tay ADN.

Biển Chết

Biển chết chứa rất nhiều muối đến mức các cột muối hình thành cả trên bờ. Tuy nhiên, vi khuẩn Halobacterium salinarum vẫn sống được trong vùng nước khắc nghiệt này. Halobacterium là một trong những vi sinh khuẩn cổ nhất sống nhờ ánh sáng hơn là oxygen.

Nước bùn độc

Một mỏ đồng ở Montana bị bỏ hoang từ năm 1983 và nước trong những cái hố còn lại trở nên cực kỳ độc, không một con cá hay cây cối nào sống nổi trong điều kiện đó. Song, vào năm 1995 một nhà khoa học phát hiện sinh vật đơn bào Euglena mutabilis sống sót trong đó. Cuối cùng các nhà khoa học tìm thấy trên 160 loài vi sinh vật khác nhau tồn tại được trong môi trường ô nhiễm nặng và một số được sử dụng trong điều trị bệnh ung thư. Thậm chí, người ta còn hy vọng Euglena mutabilis có thể làm sạch vùng nước độc.

Bên dưới Ngũ Đại Hồ

Các hố sụt nằm sâu bên dưới Ngũ Đại Hồ có cấu tạo hóa học rất khác với vùng nước bên trên. Các hố biệt lập này chứa đầy muối, acid và sulfur nhưng loài khuẩn tía cyanobacteria sử dụng sulfur thay vì oxygen cho tiến trình quang hợp. Các loài khác cũng sống được ở độ sâu không có ánh sáng mặt trời nhờ vào sulfur mà không có sự quang hợp.

Núi lửa ở độ cao lớn

Núi lửa Socompo nằm ở độ cao hơn 6.000 mét trên dãy Andes và điều kiện ở đây thiếu nước, không khí cực loãng, bức xạ tia tử ngoại và khí methane. Nhưng, các nhà khoa học vẫn tìm thấy rêu, tảo, và trên trăm loài vi khuẩn tồn tại ở Socompa. Khu vực này được so sánh với sao Hỏa về mặt hỗ trợ sự sống.

Bên dưới Nam cực

Khoảng 5.000 mét sâu bên dưới Trạm Nghiên cứu Vostok của Nga ở Nam cực có hồ nước lạnh khổng lồ tồn tại biệt lập với phần còn lại của thế giới trong hàng triệu năm. Nước hồ ở nhiệt độ đóng băng song vẫn ở thể lỏng do sức ép từ mặt băng bên trên. 

Các nhà nghiên cứu vẫn chưa trực tiếp tiếp xúc với nước hồ song các mẫu băng bên trên tiết lộ sự hiện diện của vi khuẩn hóa thạch. Hồ được so sánh với môi trường của Europa (vệ tinh lớn của sao Mộc) và Encelladus (vệ tinh của sao Thổ). Có những kế hoạch gửi khí cụ thăm dò gọi là cryobot xuống bên dưới hồ, nhưng các nhà khoa học hết sức cẩn thận để bảo tồn điều kiện sơ khai của hồ biệt lập.