Cuộc chiến sinh tồn nơi đáy tối đại dương
Cách mặt nước biển khoảng một kilomet, hành trình tìm kiếm sự sống của các loài sinh vật trở nên vô cùng khắc nghiệt khi áp suất nước cực lớn, bóng tối bao trùm và nguồn thức ăn khan hiếm đến tột cùng. Trong môi trường tưởng chừng như không có lối thoát ấy, loài chân đều khổng lồ Bathynomus vẫn phát triển mạnh mẽ với kích thước cơ thể ấn tượng lên tới nửa mét.
Thông thường, một kích thước cơ thể đồ sộ như vậy sẽ đòi hỏi một lượng năng lượng rất lớn để duy trì. Tuy nhiên, thiên nhiên đã trang bị cho Bathynomus những vũ khí sinh học độc nhất vô nhị. Để giải mã điều kỳ diệu này, nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà khoa học Jianbo Yuan thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc đã tiến hành so sánh hai loài chân đều: B. jamesi sống ở độ sâu gần 900 mét và họ hàng của chúng là B. doederleini sống ở vùng nước nông hơn khoảng 300 mét.
Kết quả nghiên cứu cho thấy loài sống ở vùng nước sâu hơn có kích thước vượt trội và sở hữu một chiếc dạ dày đặc biệt có thể giãn nở chiếm tới hai phần ba khoang cơ thể. Thiết kế giải phẫu này cho phép chúng ngấu nghiến một lượng thức ăn khổng lồ trong những cơ hội kiếm ăn hiếm hoi dưới đáy biển và lưu trữ nguồn dinh dưỡng đó trong suốt một thời gian dài.
Loài giáp xác chân đều biển sâu Bathynomus jamesi sống ở độ sâu gần 900 mét có thể nhịn ăn hơn năm năm nhờ vào cơ chế làm chậm quá trình trao đổi chất cực sâu.
Gen "ăn trộm" và chiếc van năng lượng kỳ diệu
Yếu tố cốt lõi giúp loài B. jamesi sống sót qua những năm tháng đói khát dài đằng đẵng chính là tốc độ trao đổi chất cực kỳ thấp. Khi tiến hành giải mã và so sánh bộ gen của hai loài chân đều, các nhà khoa học đã vô cùng kinh ngạc khi phát hiện ra một gen điều hòa năng lượng then chốt mang tên ND1 ở loài sống dưới đáy sâu.
Điều đáng nói là gen ND1 này hoàn toàn không có nguồn gốc từ tổ tiên của loài chân đều. Thay vào đó, chúng đã "đánh cắp" đoạn gen này từ bộ gen của một loại vi khuẩn cộng sinh sống trong cơ thể thông qua cơ chế chuyển gen ngang (HTG) - một quá trình trao đổi vật chất di truyền giữa các loài không có quan hệ huyết thống diễn ra qua hàng triệu năm tiến hóa.
Để làm sáng tỏ chức năng của ND1, các nhà nghiên cứu đã tạo ra những con cá ngựa vằn biến đổi gen biểu hiện cao gen này và thử nghiệm khả năng nhịn ăn của chúng ở các mức nhiệt độ khác nhau. Kết quả vô cùng bất ngờ: ở nhiệt độ phòng thông thường, những con cá mang gen ND1 tiêu thụ năng lượng nhanh hơn và nhanh kiệt sức hơn.
Nhưng khi đưa vào môi trường nước lạnh giá mô phỏng đáy biển sâu, gen ND1 ngay lập tức hoạt động giống như một chiếc "van" điều tiết có điều kiện. Nó ức chế hoạt động của ty thể, làm chậm toàn bộ quá trình tiêu thụ năng lượng và giúp sinh vật kéo dài thời gian sống sót khi bị bỏ đói thêm 37%.
Các nhà khoa học phát hiện ra gen ND1 đóng vai trò then chốt trong việc điều hòa năng lượng này không phải do di truyền từ tổ tiên, mà được lấy từ một loài vi khuẩn cộng sinh thông qua quá trình chuyển gen ngang (HTG).
Sự hợp tác hoàn hảo với vi sinh vật đường ruột
Bên cạnh chiếc van năng lượng ND1, sự sinh tồn của loài giáp xác khổng lồ này còn có sự đóng góp không nhỏ từ hệ vi sinh vật trong dạ dày của chúng. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra sự hiện diện của vi khuẩn Chlamydiae - một nhóm vi khuẩn vốn nổi tiếng là tác nhân gây bệnh nguy hiểm ở nhiều loài động vật và con người.
Tuy nhiên, bên trong dạ dày của loài chân đều Bathynomus, mối quan hệ này lại là sự cộng sinh hòa bình và có lợi. Thay vì gây bệnh, những vi khuẩn này đóng vai trò như những "nhà máy" chuyên trách tổng hợp và tích trữ axit béo cho vật chủ trong suốt hàng triệu năm qua, giúp chúng tối ưu hóa nguồn năng lượng dự trữ vốn đã vô cùng ít ỏi nơi biển sâu.
Thử nghiệm trên cá ngựa vằn biến đổi gen cho thấy trong điều kiện lạnh của biển sâu, gen ND1 hoạt động như một "chiếc van" ức chế hoạt động của ty thể, giúp sinh vật tiết kiệm năng lượng và kéo dài thời gian sống sót khi đói thêm 37%. Khám phá này mở ra những hướng đi mới cho y học nhân loại, chẳng hạn như kiểm soát bệnh béo phì hoặc bảo quản mô và nội tạng cấy ghép trong điều kiện lạnh.
Bước đột phá mở ra triển vọng cho y học nhân loại
Khám phá độc đáo về sự kết hợp giữa giải phẫu học, sinh lý học trao đổi chất và biểu di truyền của loài chân đều biển sâu không chỉ làm phong phú thêm hiểu biết của con người về thuyết tiến hóa, mà còn mở ra những hướng đi đầy triển vọng cho nền y học hiện đại.
Theo nhà nghiên cứu Jianbo Yuan, cơ chế hoạt động của gen ND1 có thể truyền cảm hứng cho các giải pháp mới trong việc kiểm soát và quản lý bệnh béo phì ở người bằng cách chủ động làm chậm quá trình trao đổi chất. Đồng thời, nguyên lý ức chế tế bào trong môi trường lạnh của loài sinh vật này cũng có thể được ứng dụng để tối ưu hóa công nghệ bảo quản lạnh các mô và bộ phận cơ thể phục vụ cho các ca phẫu thuật cấy ghép trong tương lai.
