Giun sống dưới băng: 'Nghịch lý' của giới khoa học

Giun tròn hồi sinh sau thời gian dài ngủ đông.

Giun băng

Nổi bật nhất trong số này là giun băng. Với chiều dài khoảng 1,2cm và mỏng như sợi chỉ nha khoa, giun băng (tên khoa học là Mesenchytraeus solifugus) sống rải rác trên các sông băng ở phía Tây Bắc Thái Bình Dương, British Columbia hay Alaska.

Vào buổi chiều hoặc tối mùa hè, chúng ta dễ dàng quan sát thấy sinh vật này xuất hiện trên bề mặt các dòng sông băng để ăn tảo, vi sinh và những mảnh vụn khác. Sau đó, chúng lại đào sâu vào băng khi bình minh ló rạng. Trong suốt mùa đông lạnh giá, chúng biến mất vào nơi đóng băng sâu nhất của các dòng sông.

Là họ hàng xa của loài giun đất, giun băng tồn tại trong các lớp nước lạnh bên trong băng tuyết, sinh sôi nảy nở ở nơi nước đóng băng. Đối với hầu hết sinh vật, đặc biệt là những sinh vật máu lạnh như giun, sinh sống ở sông băng là điều hoàn toàn không thể. Khi phát hiện ra loài sinh vật này, các nhà khoa học đã rất bất ngờ và tự hỏi: Làm thế nào chúng có thể tồn tại và sinh sôi nảy nở trong môi trường buốt giá như vậy?

Ông Daniel Shain, nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Rutgers, Mỹ, đánh giá: “Tìm hiểu về cách những sinh vật này chịu đựng môi trường khắc nghiệt có thể giúp chúng ta hiểu thêm về giới hạn của sự sống trên Trái đất và hơn thế nữa”.

Theo quy luật sinh học, khi nhiệt độ giảm xuống, các phản ứng trong cơ thể sẽ chậm lại và năng lượng giảm xuống. Trong khi các loài động vật máu nóng phải đốt cháy năng lượng để giữ ấm cơ thể thì các sinh vật máu lạnh lại trở nên chậm chạp, thậm chí không hoạt động khi trời quá lạnh. Cách thức hoạt động của giun băng đi ngược lại với điều này.

Ông Shain cho biết, mức năng lượng của giun băng sẽ tăng lên khi môi trường xung quanh trở nên lạnh hơn. Đây có thể coi là nghịch lý khoa học.

Tất cả đều do một phân tử đặc biệt, có tên là ATP (viết tắt của adenosine triphosphate). ATP đóng vai trò quan trọng để hình thành năng lượng trong tế bào và nó truyền năng lượng cho hầu hết các phản ứng trong cơ thể.

ATP được tạo ra từ một enzym có tên là ATP synthase, hầu như có ở tất cả các loài sinh vật. Nhưng trong quá trình tiến hóa, ATP synthase trong cơ thể giun băng được thêm một ADN bổ sung. Điều này giúp tăng tốc độ sản xuất ATP, biến giun băng trở nên dồi dào năng lượng.

Theo ông Shain, rất khó để giải thích sự tiến hóa này. Các nhà khoa học nghi ngờ những con giun đã “đánh cắp” ADN ở nấm. Nhưng điều này cũng rất bất thường vì ADN bị đánh cắp thường không tương thích với cơ thể mới.

Bên cạnh đó, các tế bào trong cơ thể giun băng cho phép sản xuất ATP khi trời trở lạnh. Hai thay đổi này kết hợp vào giúp sinh vật này sở hữu nồng độ ATP trong tế bào cao gấp nhiều lần hầu hết sinh vật khác khi ở trong môi trường lạnh giá.

Là một phần của hệ sinh thái, giun băng tồn tại cùng bọ rùa, tảo, nấm hay các vi sinh vật khác. Chúng cũng là thức ăn của các loài chim.

Ông Scott Hotaling, nhà sinh vật học tại Trường Đại học bang Washington, Mỹ và các đồng nghiệp đã quan sát thấy ít nhất 5 loài chim ăn sâu băng. Loài sinh vật không xương sống này là nguồn thức ăn béo bở, giàu dinh dưỡng cho những con chim sẻ hồng tại núi Rainier, Mỹ.

Các loài chim có thể giúp giun băng mở rộng địa bàn sống, từ sông băng này đến sông băng khác hay từ Alaska đến Tây Bắc Thái Bình Dương. Theo nghiên cứu của Scott, giun băng có thể còn sống, bám vào bộ lông, chân hoặc sống sót khi đi qua ruột chim.

Ví dụ, một nhóm giun băng sống trên đảo Vancouver, Canada, có mối quan hệ gần gũi với số lượng giun băng ở miền Nam Alaska. Như vậy, loài này có thể đã được chim đưa đến đó.

Giun băng có kích thước rất nhỏ.

Loài giun 41 nghìn năm tuổi

Ngoài loài sinh vật nhỏ bé này, năm 2018, giới khoa học đã tìm ra 2 con giun tròn dưới lớp đất đóng băng vĩnh cửu ở Đông Bắc Siberia, Nga. Những sinh vật này có thể đã lên tới 41 nghìn năm tuổi.

Khi được rã đông trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 20 độ C với thạch trắng và vi khuẩn E.coli làm thức ăn, chúng có dấu hiệu hồi sinh. Chúng đã thức dậy sau một giấc ngủ dài.

Như vậy, không chỉ giun băng, giun tròn cũng có thể chịu đựng điều kiện cực hạn. Tuy nhiên, khác với giun băng, loài này thích nghi với thời tiết khắc nghiệt bằng cách bài tiết nước trong tế bào khi nhiệt độ dần đến mức đóng băng.

Khi điều kiện môi trường trở nên lạnh giá, một số loài giun tròn có thể rơi vào trạng thái “dauer”, khoảng thời gian chúng ngừng ăn và hình thành lớp bảo vệ khỏi các yếu tố khắc nghiệt bên ngoài.

Quá trình này gần giống với ngủ đông, được gọi là cryoprotective dehydration, giúp các mô không bị phá hủy khi phân tử nước trong tế bào giãn ra do quá trình tinh thể hóa và làm vỡ tế bào. Việc tìm ra cơ chế hoạt động của 2 con giun tròn có tuổi đời gần 41 nghìn năm đã mở ra hy vọng về việc phát triển xa hơn trong công nghệ đóng băng, các nhà nghiên cứu kết luận.