BM: Sinh vật phát sáng trong hang động

Sunday, September 25, 2016

Sinh vật phát sáng trong hang động

Chúng ta đã quen với cảnh đom đóm phát sáng trong bóng tối, nhưng những sinh vật phát sáng trong hang động này là những loài hoàn toàn khác.

Vào năm 1888, thủ lĩnh bộ tộc Kawhia người Maori tên Tane Tinorau quyết định mở màn cuộc chiến tấn công một bộ lạc khác trong vùng Waikoto ở Đảo Bắc New Zealand.

Sau khi thôn tính bộ lạc kia, một thợ săn được cử đi tìm thức ăn. Anh ta đi qua con đường dẫn vào hệ thống hang động.

Tù trưởng Tinorau là người đầu tiên phát hiện và khám phá hang động một cách chi tiết.

Ông dùng bè mảng kết bằng thân cây hoa lanh và cầm theo ngọn đuốc tìm đường vào hang.

Tuy nhiên, ngọn đuốc của tù trưởng không phải là thứ phát sáng duy nhất trong hang. Trên đầu ông, trần hang toả sáng lấp lánh như bầu trời đêm. Có hàng ngàn con côn trùng bé li ti bám vào đá, mỗi con đều lấp lánh trong bóng tối.

Hiệu ứng ánh sáng tuyệt đẹp đó khiến hang động được đặt tên là: Hang động ấu trùng phát sáng Waitomo.

Đó chỉ là một trong số những môi trường mà người ta có thể tìm thấy những sinh vật phát sáng - một trong rất nhiều loài có thể toả ra ánh sáng để dẫn dụ bắt mồi, tránh kẻ tấn công, hoặc tìm kiếm bạn tình.

Sinh vật phát sáng này là một trong những vật thể quen thuộc nhất trong thế giới tự nhiên, nhưng trong một số trường hợp thì con người chúng ta chỉ mới bắt đầu biết đến chúng.

Nấm phát sáng Mycena illuminans

Những con ấu trùng phát sáng trong hang Waitomo không phải là sâu bọ. Chúng là ấu trùng của loài ruồi nấm: là các động vật nhỏ, mỏng manh ăn nấm.

Ngay khi ấu trùng đẻ, chúng bắt đầu quay những sợi tơ thành mạng dính trên trần hang động.

Lưới tơ tạo cảm hứng cho tên gọi tiếng Latin của loài côn trùng này là: Arachnocampa luminosa, dịch ra có nghĩa là "sâu nhện phát sáng".

Ấu trùng phát sáng này rỏ những giọt chất nhầy dọc theo mạng lưới, khiến chúng càng giống như những sợi dây chuyền kết cườm treo như lưới đánh cá trên trần hang động.

Sau đó ấu trùng treo mình trên mạng tơ và chờ đợi. Một tuyến dạng hình cầu ở đuôi của chúng phát ra ánh sáng màu xanh như bóng ma: ánh sáng toả ra từ lưng chúng.

Các côn trùng khác sống trong vùng hoàn toàn tối của hang sẽ không thể nhìn thấy bẫy dính của ấu trùng phát sáng này, nhưng lại thấy ánh sáng xanh.

Phương pháp phát sáng

Bị hấp dẫn như thiêu thân trước ngọn lửa, các con côn trùng bay tới, và bị dính bẫy. Tất cả những gì sau đó mà giống ruồi đói mồi này phải làm là trượt trên những sợi tơ và thưởng thức con mồi còn sống nguyên trên bẫy.

Ấu trùng phát sáng thích nghi tốt với cuộc sống trong bóng tối. Ngoài hang động Waitomo, người ta cũng tìm thấy chúng ẩn mình trong những tán rừng ẩm ướt, tối tăm. Chúng sử dụng phản ứng hoá học trên cơ thể để tạo ra ánh sáng: một tiến trình được gọi là phát quang sinh học (bioluminescence).

Đom đóm có thể làm sáng cả một cánh rừng

Đây không phải loài duy nhất tạo ra ánh sáng bằng phương thức này. Phát quang sinh học đã tiến hoá ít nhất 50 lần.

Kỹ năng này rải rác xuyên suốt quá trình sự sống, xuất hiện ở côn trùng, cá, sứa, vi khuẩn và thậm chí trên cả nấm nữa.

Những sinh vật này khác nhau - một vài loài trong số chúng có chung tổ tiên hàng tỷ năm trước - nhưng phản ứng hoá học tạo ra ánh sáng ấn tượng đó lại vô cùng giống nhau trong các sinh vật phát quang sinh học.

Trong mỗi trường hợp, các loài động vật, nấm hay vi khuẩn tận dụng tính năng phản ứng tự nhiên của khí oxy, loại nguyên tố dễ dàng kết hợp với các nguyên tố khác trong quá trình oxy hoá.

Khí oxy kết hợp với một hoá chất tên luciferin và trải qua quá trình phản ứng hoá học, trong đó có sự lên men của loại enzyme tên là luciferase.

Hợp chất nhiều năng lượng này được tạo ra, sau đó bị phân chia, tỏa ra đủ năng lượng để kích thích các electron trong nguyên tử, khiến chúng chạy văng ra xa khỏi nhân tế bào. Khi chúng mất dần năng lượng và trở lại vị trí cũ, một photon bị đẩy ra và năng lượng sẽ phát ra ánh sáng mà ta có thể nhìn thấy được.

Tuy mọi sinh vật phát quang sinh học sử dụng phản ứng gần như giống nhau, nhưng cấu trúc cũng như tính chất của luciferin và luciferase ở các loài khác nhau là rất khác nhau.

Trong trường hợp của ấu trùng phát sáng trong hang động Waitomo, các nhà nghiên cứu chỉ mới bắt đầu nghiên cứu cách chúng phát sáng.

Nghiên cứu đầu tiên về nội dung này được công bố năm 2015. Các nhà khoa học khám phá ra có sự giống nhau bất ngờ giữa ấu trùng này với loài sinh vật phát quang sinh học nổi tiếng nhất: đom đóm.

Các nhà nghiên cứu không có lý do gì để cho rằng ấu trùng phát quang sinh học ở Waitomo có bất cứ điểm gì giống với đom đóm.

Chẳng hạn như khi ta trộn chất luciferin ở đom đóm với chất luciferase của ấu trùng hang Waitomo, ánh sáng không được sinh ra.

The Good Dinosaur disney pixar dinosaur firefly

Loài ấu trùng này cũng sử dụng một phần khác thường của cơ thể để phát sáng - một cơ quan tên là ống Malphigi, là một phần trong hệ bài tiết của nó. Chức năng này khá giống với việc con người tạo ra ánh sáng từ thận vậy. Không có sinh vật phát quang sinh học nào từng được biết đến có cách phát sáng như thế.

Để nghiên cứu sâu hơn, các nhà khoa học từ Đại học Otago của New Zealand đã thử cô lập các gene từ ống malphigi của loài ấu trùng này và xem gene nào sẽ hoạt động bất thường so với các hoạt động của gene ở những phần khác trên cơ thể con côn trùng.

Đáng chú ý, ba trong số những gene hoạt động tích cực nhất được quy định cho các protein khá giống với luciferase ở loài đom đóm.

cockroach fireflies lightning bugs coleoptera photinus

Điều này thật lạ lùng vì mặc dù cả hai loài đều là côn trùng nhưng giữa ấu trùng phát sáng và đom đóm có khoảng cách tiến hoá cực kỳ xa. Một loài là gốc ruồi, một loài là bọ cánh cứng. Để tìm thấy tổ tiên chung của hai loài sinh vật này bạn cần phải quay lại quá khứ 330 triệu năm trước.

Gần như không thể có một tổ tiên chung để lại gene phát quang sinh học trên cả hai loài côn trùng, vì đa số các loài côn trùng đều tiến hoá từ cùng tổ tiên không phát sáng trong bóng tối.

Thay vào đó, hai loại men luciferase có lẽ đã tiến hoá độc lập từ cùng một loại men enzyme thừa kế từ chung tổ tiên rất lâu về trước.

"Hai loài côn trùng tiến hoá theo hai ngả xa nhau đủ để chúng ta nhận thấy là loài ấu trùng phát sáng có một loại hoá chất độc đáo," Kurt Krause, nhà khoa học nghiên cứu ấu trùng phát sáng nói. "Có vẻ như luciferin này hoàn toàn khác với chất có ở đom đóm, nhưng chất men luciferase enzyme lại có rất nhiều đặc tính giống với men enzyme ở đom đóm."

Đó là một khám phá bất thường, trong khi các nhà nghiên cứu biết các sinh vật phát quang sinh hoạt khác sử dụng đủ loại hoá chất khác nhau để tạo ra ánh sáng.

Loài sâu đường rày phát sáng, thực ra cũng không phải là sâu mà là ấu trùng của bọ cánh cứng, sử dụng hai loại men luciferase khác nhau để tạo ra ánh sáng hai màu - đỏ và xanh, như đèn giao thông.

Sinh vật phù du đơn bào, được gọi là tảo đơn bào hai roi (dinoflagellates) tạo ra luciferin của riêng chúng, có tính chất hoá học rất giống với chất diệp lục trên cây xanh.

Lấy ánh sáng từ kẻ khác

Một số sinh vật phát quang sinh học lấy chất luciferin từ loài khác, dùng chất của loài khác để phát sáng cho bản thân.

Con mực bánh bao phát sáng Sepiolida

Ví dụ như loài mực bánh bao (bobtail squid) Hawai tận dụng khả năng phát sáng của vi khuẩn Vibrio fischeri.

Vi khuẩn này không phát sáng khi chúng trôi nổi một mình trên mặt biển, nhưng khi kết hợp với cơ quan phát sáng của mực bánh bao, chúng bắt đầu toả ra ánh sáng mờ màu xanh.

Trong mối quan hệ cộng sinh này, đổi lại việc phát sáng trên cơ thể mực bánh bao là vi khuẩn có được nguồn dinh dưỡng ổn định.

"Nếu nhìn vào tính chất hoá học của luciferin ta sẽ thấy là mặc dù các phân tử oxy luôn kích thích phản ứng phát sáng, nhưng hoá chất luciferin thực sự được sử dụng trong phản ứng phát sáng thì rất khác," Krause nói. "Tự nhiên đã tạo ra những cách khác nhau để giải quyết vấn đề tạo ánh sáng."

Ánh sáng “tiến hoá”

Khả năng phát sáng đã lần đầu tiên xuất hiện như thế nào?

Một giả thiết là chất luciferin ban đầu tiến hoá như một chất chống oxy hoá.

Trên Trái Đất thuở nguyên sơ, trước khi hành tinh chúng ta có khí quyển ổn định, các dạng sống bị tấn công bởi bức xạ UV từ Mặt Trời.

Bức xạ nhiệt này phân tách nước và giải phóng một thể phản ứng nguy hại từ oxy khiến các tế bào bị hư hỏng.

Sự sống phản ứng bằng cách tạo ra chất chống oxy hoá - các hoá chất có thể triệt tiêu oxy nguy hiểm này.

Dần dần, khí quyển Trái Đất thay đổi. Nồng độ oxy tăng, điều đó có nghĩa có thêm nhiều oxy hoà tan trong đại dương và các sinh vật có thể bắt đầu khám phá các tầng sâu hơn của đại dương và vẫn có đủ oxy để tồn tại.

Thế nhưng do không mấy tia UV nguy hiểm có thể đi xuyên qua các tầng nước, nên chất chống oxy hoá do các sinh vật đáy sâu sản xuất ra giờ hoàn toàn vô dụng.

Quá trình tiến hoá phản ứng theo cách thông thường: nó ngẫu hứng tìm ra một chức năng mới cho các chất chống oxy hoá.

Vì ở đáy biển sâu có rất ít ánh sáng, các loài sinh vật cần tìm đường kiếm thức ăn và bạn tình. Tận dụng tính năng chất chống oxy hoá vốn đã tiến hoá để có khả năng tương tác với oxy, quá trình tiến hoá dần dần chọn lọc, lựa chọn các chất có khả năng tạo ánh sáng trong quá trình tương tác đó.

Quá trình phát quang sinh học đã có sự tiến hoá - và nó chứng tỏ rất hữu ích, đến nỗi như người ta nói, quá trình này đã lan nhanh như cháy rừng.

Trong thực tế, người ta cho rằng khoảng 80-90% các loài sống ở độ sâu 700m trở xuống dưới mặt nước biển đều có thể tự phát sáng.

Loài sứa tinh thể phát sáng Aequorea victoria

Thậm chí trong những nơi tối tăm nhất, rất nhiều loài động vật có mắt luôn căng ra để đón những tia sáng mờ nhạt nhất, và có vẻ một số loài đã tiến hoá phát quang sinh học cố gắng và thu hút sự chú ý của chúng.

Đe doạ kẻ thù?

Một con cá vây chân trông đầy vẻ đáng sợ chẳng hạn, có một phần trên cơ thể như các mũi giáo - và sáng như ngọn hải đăng. Những con cá bơi lại gần hơn, và nhanh chóng bị xé toạc bởi bộ hàm quái dị của loài cá này.

Trong khi đó, đom đóm lại sử dụng ánh sáng để quyến rũ bạn tình thay vì để tìm thức ăn.

Với một số loài, con đực phát tín hiệu bằng các tia sáng đặc thù để cho con cái biết chúng muốn tìm bạn tình.

Nhưng các sinh vật tạo ra ánh sáng không phải lúc nào cũng có ý định quyến rũ. Một số loài tạo ra ánh sáng để đánh lạc hướng sự chú ý - hay thậm chí để tránh hoàn toàn sự thăm dò không mong muốn.

Trong một số trường hợp, một cơ thể có thể phát sáng thực ra có thể khiến bạn ít được người ta chú ý hơn.

Ánh sáng lấp lánh của loài mực bánh bao Hawai kể trên cho phép chúng nguỵ trang vì ánh sáng bắt chước những tia sáng lốm đốm chiếu xuống nước từ trên bề mặt.

Những loài hung dữ như cá mập thường săn mồi từ tầng đáy bằng cách nhìn vào các bóng trên mặt nước, khi con mồi cản ánh sáng xuyên qua nước. Sử dụng phát quang sinh học như một cách phản chiếu ánh sáng có thể đánh lừa các cuộc tấn công, bằng cách khiến sinh vật đó sáng tương đương vùng nước xung quanh.

Cá vây chân Himantolophus với ánh sáng đánh lừa

Cá lưỡi búa (Hatchetfish) sử dụng cách tiếp cận này. Chúng có các cơ quan phát ánh sáng chĩa xuống dưới từ bụng. Chúng có thể tinh chỉnh độ sáng cho phù hợp với ánh sáng từ trên cao chiếu xuống, khiến chúng gần như vô hình trước mắt những loài săn mồi.

Cũng là cách nguỵ trang, các sinh vật có thể sử dụng ánh sáng để làm giật mình và khiến kẻ thù bị rối loạn, khiến chúng có thêm thời gian quý giá để trốn thoát.

Loài mực ma cà rồng sống sâu tận đáy biển khi bị tấn công sẽ xịt ra các niêm dịch phát sáng trong bóng tối vào kẻ tấn công.

Loài sao biển brittle stars, một họ hàng gần của sao biển, có một cách láu lỉnh và độc đáo để đánh lừa kẻ thù. Chúng có thể tách một trong những cánh sao phát sáng để kẻ săn mồi đuổi theo cánh tay đó thay vì thân chính của con sao biển. Sau đó chúng có thể mọc lại bộ phận này.

Một số loài như hải sâm, một họ hàng khác của sao biển - thậm chí còn láu lỉnh hơn và có thể thả cả cơ thể phát sáng của chúng lên thân một con cá bơi ngang. Kẻ săn mồi sau đó đuổi theo con cá kia và con hải sâm thoát nạn.

“Bẫy” ánh sáng mời gọi

Một số sinh vật thông minh hơn kẻ săn mồi. Chúng sử dụng phát quang sinh học để mời gọi các loài có thể tấn công và ăn luôn kẻ săn mồi.

Loài tảo phát sáng làm cả cơn sóng biển tỏa ra ánh sáng màu xanh

Sinh vật phù du đơn bào nằm trong nhóm này. Chúng tạo ra ánh sáng xanh lấp lánh ban đêm.

Ánh sáng này sẽ hấp dẫn được các động vật nằm ở tầng cao hơn trong chuỗi thức ăn, là các đối tượng bị quyến rũ bởi viễn cảnh sắp được chén một trong những sinh vật có bám tảo.

Vậy làm sao các sinh vật biết liệu ánh sáng của chúng có hấp dẫn đúng loài cần thiết không?

Nếu ánh sáng vừa để đe doạ vừa để quyến rũ, thu hút hay đánh lạc hướng, bạn muốn mình phải chắc chắn đang có hiệu ứng đúng với con mồi, dù là bạn tình hay kẻ săn mồi.

Một giả thuyết được nêu ra theo đó cho rằng các sinh vật thường bị hấp dẫn bởi ánh sáng, nhưng sẽ sợ hãi và bị biến đổi bởi các tia sáng ngắn và nhấp nháy.

Ví dụ, khi một con ấu trùng phát sáng Waitomo bay ra khỏi kén của nó, nó toả ra ánh sáng rõ nét và ổn định. Ngay lập tức con cái này sẽ được các con đực vây quanh và muốn làm bạn tình của nó.

Sự phát sáng ổn định thường hữu ích khi dụ dỗ côn trùng đến ăn. Chính hiệu ứng này khiến hang động phát sáng lấp lánh như trời đêm - thu hút sự chú ý của con người từ khi tù trưởng Tinorau lần đầu chứng kiến cảnh kỳ vĩ đó 130 năm trước.

Jasmin Fox-Skelly