Cách những vi sinh vật cổ đại thích nghi với môi trường cực đoan khắc nghiệt

Một trong những đặc tính cơ bản nhất của sự sống là khả năng thích nghi với môi trường của nó. Thực tế, đó là một phần quan trọng trong định nghĩa làm việc của NASA: Sự sống là một hệ thống hóa học tự duy trì có khả năng tiến hóa theo cách Darwin. Và công cụ mạnh mẽ nhất cho sự thích nghi được sử dụng bởi bất kỳ loài nào là chọn lọc tự nhiên – cơ chế mà qua đó các đặc điểm di truyền của nó thay đổi theo thời gian.

Sự sống đầu tiên trên Trái Đất

Sinh vật đầu tiên xuất hiện trên hành tinh của chúng ta – thường được gọi là LUCA (Tổ tiên chung phổ quát cuối cùng) – là một vi sinh vật khá nguyên thủy, nhưng những sinh vật tiếp theo đã đa dạng hóa một cách hoang dã trong hàng tỷ năm. Chọn lọc tự nhiên đã cho phép sự sống tồn tại ở hầu hết mọi nơi trên Trái Đất, bao gồm cả nhiều kilômét dưới mặt đất và ở đáy các đại dương bao phủ phần lớn bề mặt. Số lượng môi trường sống, các mức độ phức tạp khác nhau của chúng, và khả năng của tiến hóa trong việc đưa ra các cách sáng tạo để làm cho môi trường có thể sống được thật sự là đáng kinh ngạc.

Các loài cá và động vật không xương sống sống ở đại dương sâu là những ví dụ điển hình về khả năng thích nghi này. Những sinh vật này thường không có màu sắc. Nhiều loài thậm chí không có mắt hoạt động, bởi vì ai cần tầm nhìn khi bạn sống hàng nghìn feet dưới mặt nước, nơi mà ánh sáng mặt trời không bao giờ chiếu tới? Thay vào đó, cá ở độ sâu đã tiến hóa với hàm răng lớn và sắc nhọn một cách kỳ lạ. Nếu chúng may mắn bắt được thứ gì đó trong bóng tối hoàn toàn, chúng không muốn cho nó bơi đi. Để có cái nhìn về sự đa dạng của các loài động vật sâu, hãy kiểm tra Sổ đăng ký các loài biển sâu toàn cầu. (Có lẽ những người sáng tạo ra Star Wars đã nghĩ đến một số loài này khi họ tưởng tượng ra những cư dân đại dương ngoài hành tinh).

Sự thích nghi cực đoan

Cá ở độ sâu là những ví dụ tuyệt vời về khả năng thích nghi với hoàn cảnh khó khăn, nhưng theo quan điểm của tôi, chúng thậm chí không phải là những loài ấn tượng nhất. Những loài có khả năng sống sót trong những môi trường cực đoan (theo tiêu chuẩn của con người) được gọi là extremophiles. Thuật ngữ này hơi mơ hồ, vì không phải lúc nào cũng rõ ràng chúng ta có nghĩa là gì bằng tiêu chuẩn của con người. Nói một cách khách quan, bạn thậm chí có thể coi chúng ta như là những loài extremophiles vì chúng ta hít thở oxy, một hợp chất khó xử lý do những tổn thương mà các hợp chất oxy gốc tự do gây ra cho cơ thể. Đối với những cư dân vi sinh vật đầu tiên của Trái Đất, oxy là một chất độc. Thực tế, nó đã gây ra một cuộc tuyệt chủng hàng loạt lớn, được gọi là Sự kiện Oxy hóa lớn, khoảng 2,4 tỷ năm trước.

Thông thường, khi các nhà khoa học nói về extremophiles, họ đang nghĩ đến những vi sinh vật tồn tại ở nơi mà không có loài sống nào khác. Nhưng một số động vật và thực vật cũng có thể là extremophilic. Loài thực vật mà tôi yêu thích là thực vật phục sinh, những thực vật có thể trông hoàn toàn chết và mục nát, nhưng có thể sống lại và khởi động lại quá trình quang hợp sau khi được thêm vài giọt nước. Chúng có thể mất tới 95% nước, nhưng chỉ sau 24 giờ tưới nước lại, chúng đã hoàn toàn hoạt động quang hợp trở lại mà không hoặc chỉ bị tổn thương tối thiểu. Thời gian gần như chết có thể kéo dài khá lâu – Craterostigma có thể sống mà không có nước ít nhất hai năm.

Còn ấn tượng hơn là Ramonda myconi, còn được biết đến là violet Pyrenean, không chỉ có thể sống sót trong những môi trường lạnh (hầu hết các thực vật phục sinh sống ở khí hậu nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới) mà còn có tuổi thọ trung bình từ 200 đến 250 năm! Một nghiên cứu của Beatriz Fernández Marín từ Đại học Basque Country ở Tây Ban Nha đã chi tiết cách mà violet Pyrenean làm điều này. Trong khi hầu hết các thực vật phục sinh tích lũy đường như một phản ứng với điều kiện khô hạn cực đoan, Ramonda myconi sử dụng các hợp chất chống oxy hóa để thúc đẩy các phản ứng trao đổi chất thứ cấp. Đường giúp các thực vật sống sót ở nhiệt độ thấp bằng cách bảo vệ chống lại áp lực thẩm thấu và giúp ổn định màng tế bào.

Tardigrades và nấm

Loài động vật mà tôi yêu thích nhất là tardigrade, một nhóm các loài còn được gọi một cách thân thương là gấu nước hoặc lợn rêu. Tardigrades có thể chịu được nhiệt độ từ gần tuyệt đối không đến 151 độ C, áp suất từ chân không lên đến 6.000 lần áp suất mặt biển bình thường trên Trái Đất, và liều lượng bức xạ lên đến 5.000 Gray (cao gấp 1.000 lần so với bất kỳ loài động vật nào khác đã biết). Chúng cũng có thể sống sót với gần như không có nước. Chúng làm điều này bằng cách rơi vào trạng thái ngủ đông gọi là tun, trong đó hầu hết nước trong cơ thể của chúng (thường thì sẽ đóng băng và tạo thành tinh thể băng ở nhiệt độ thấp) được thay thế bằng đường.

Một trong những loài lợn rêu này, Hypsibius dujardini, thậm chí đã được phát hiện có thể chịu đựng lực gia tốc lên đến 16.000 G! So với đó, lực duy trì 16 G có thể gây tử vong cho con người.

Nhờ vào sức mạnh đáng kinh ngạc của chúng, tardigrades đã được gợi ý là những ứng cử viên có khả năng thuộc địa hóa các hành tinh khác với các dạng sống trên Trái Đất. Tôi không chắc lắm về điều đó. Lợn rêu có thể sống sót trong hành trình liên hành tinh (chúng có cần một con tàu vũ trụ lớn không?), nhưng chỉ trong trạng thái ngủ đông tun của chúng. Khi chúng tỉnh dậy, chúng sẽ cần thức ăn – thực vật, tảo, và động vật không xương sống nhỏ – để sống sót. Hơn khả năng, nếu chúng ta quyết định thuộc địa hóa các thế giới khác, chúng ta sẽ gửi vi sinh vật như những dạng sống liên hành tinh đầu tiên từ Trái Đất.

Nấm và những thích nghi đáng kinh ngạc

Cũng có những thích nghi đáng kinh ngạc trong vương quốc nấm. Đây là một nhóm loài cực kỳ đa dạng, và mỗi nhà nấm học đều có loài yêu thích của riêng mình. Loài mà tôi chọn ở đây là một gia đình kỳ quái của các sinh vật đại diện dưới mặt đất được gọi là Armillaria. Bởi vì nó có tính gây bệnh cho cây, nó còn được gọi là nấm mật ong hoặc bệnh rễ Armillaria. Những loại nấm này rất lớn. Một thuộc địa đồng nhất về gen được phát hiện ở Oregon gần như có kích thước mười kilômét vuông và ước tính có tuổi thọ từ 1.900 đến 8.650 năm. Tổng trọng lượng của thuộc địa khoảng 600 tấn, có nghĩa là nếu chúng ta coi nó như một sinh vật đơn lẻ, thì nó là sinh vật lớn nhất trên Trái Đất. (Ghi chú cá nhân: Mặc dù Armillaria là một loại nấm lớn ấn tượng, tôi thực sự thích nấm men Saccharomyces cerevisiae, còn được gọi là nấm men làm bánh, một thành phần thiết yếu để làm bánh và bia!)

Một lần nữa, bài học rút ra từ những sinh vật kỳ quái này là thiên nhiên không bao giờ ngừng gây bất ngờ. Và đó chỉ là trên hành tinh quen thuộc của chúng ta. Hãy tưởng tượng sự đa dạng mà chúng ta có thể tìm thấy trên những hành tinh ngoài trái đất rất khác biệt với chúng ta về điều kiện môi trường – chẳng hạn như ở đáy đại dương của Europa hoặc trên một siêu Trái Đất bên ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta.