Trái đất nóng và ẩm. Biển tràn đầy sức sống. Mực, lươn và giun biển thời kỳ đầu săn mồi những động vật nhỏ hơn. Tuy nhiên, không có chuyển động nào trên mặt đất. Các loài động vật vẫn chưa lên bờ. Đây là hình dáng Trái Đất vào cuối Kỷ Ordovic, khoảng 450 triệu năm trước. Vùng nước ấm tạo điều kiện hoàn hảo cho động vật hoang dã. Nhưng điều đó có thể sớm thay đổi. Ngay sau đó, mặt đất bắt đầu đóng băng và các tảng băng bắt đầu lan rộng.
Đuôi bật có niên đại từ xa xưa. Chúng xuất hiện lần đầu cách đây hơn 400 triệu năm và có thể có chung tổ tiên với côn trùng. Tuy nhiên, kể từ đó, chúng đã tiến hóa theo một hướng khác với côn trùng. Bây giờ chúng ta biết rằng chúng là động vật đầu tiên phát triển protein chống đông. Nguồn hình ảnh: Philippe Garcelon/Wikimedia Commons
Nước trước đây ấm áp và thân thiện với động vật hoang dã đã trở nên lạnh giá và không thể ở được. Hết loài này đến loài khác đều bị diệt vong. Trong một khoảng thời gian ngắn, một nửa sinh vật sống đã bị xóa sổ trong đợt tuyệt chủng hàng loạt tồi tệ thứ hai trong lịch sử Trái đất.
Cuộc sống trong thời kỳ Ordovic trông khác nhiều so với ngày nay. Đất đai cằn cỗi và vô hồn nhưng biển lại tràn đầy sức sống. Mực và hải quỳ trong hình ở đây đặc biệt chiếm ưu thế. Nhưng đuôi bật cũng có mặt vào thời điểm này. Nguồn hình ảnh: FritzGeller-Grimm/Wikimedia Commons
Đuôi bật: sống sót nhờ protein chống đông
Tuy nhiên, một trong những loài động vật sống sót là đuôi bật. Một loài động vật nhỏ giống côn trùng đã phát triển một chiến lược đặc biệt để chống lại cái lạnh. Tế bào động vật đã bắt đầu sản xuất ra các protein bảo vệ tế bào khỏi bị đóng băng.
Đuôi bật có thể là loài động vật đầu tiên sản xuất ra protein chống đông. Các nhà khoa học trước đây cho rằng động vật phải rất lâu sau mới bắt đầu làm điều này. Nghiên cứu từ Đại học Aarhus và Đại học Queen ở Canada cho thấy điều này.
"Chúng tôi biết rằng các protein chống đông đã phát triển độc lập nhiều lần trong lịch sử tiến hóa. Cá có chúng. Côn trùng có chúng. Một số loài nhện có chúng. Nhưng cho đến khi nhìn thấy những kết quả này, chúng tôi mới không biết rằng chúng đã phát triển sớm như vậy trong thế giới động vật", Martin Holmstrup nói.
Ông là giáo sư tại Khoa Khoa học Sinh thái tại Đại học Aarhus và là một trong những nhà nghiên cứu về nghiên cứu mới.
Đuôi bật có thể được tìm thấy ở khắp mọi nơi - kể cả khu vườn của bạn
Đuôi bật là loài động vật nhỏ, loài lớn nhất chỉ dài 6 mm. Nó có sáu chân và hai xúc tu ở phía trước. Thoạt nhìn chúng trông giống côn trùng nhưng thực tế không phải vậy. Trên thực tế, nó có nhánh riêng trên cây tiến hóa.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hơn 9.000 loài đuôi bật khác nhau và chúng có thể được tìm thấy ở khắp mọi nơi, kể cả trong khu vườn của bạn. Giun đuôi bật thường sống ở các tầng trên của đất hoặc trong rác lá, ăn các loại nấm nhỏ, vi khuẩn và các vi sinh vật khác.
Con vật này được đặt tên theo cái đuôi chẻ đôi, được buộc chặt bên dưới cơ thể giống như thanh của máy phóng. Đuôi còn được gọi là đuôi chẻ đôi, và nếu bị kẻ thù (chẳng hạn như hổ tấn công), con vật có thể nhanh chóng thả đuôi ra và nhảy cao tới 10 cm trong không trung.
Cây đuôi bật có lợi cho chất lượng đất vì chúng giúp tái chế chất dinh dưỡng vào cây trồng.
Martin Holmstrup nuôi gần 20 loài đuôi bật khác nhau trong phòng thí nghiệm. Động vật nhỏ không cần nhiều không gian. Ông nói, toàn bộ thuộc địa có thể sống trong một cái bát thủy tinh. Ông nói: “Chúng tôi đặt chúng vào đĩa petri có đế thạch cao để giữ ẩm cho chúng. Để cho chúng ăn, chúng tôi cho chúng một ít men khô. Về cơ bản đó là tất cả những gì chúng cần”.
Những con đuôi bật từ phòng thí nghiệm của Martin đã được sử dụng trong thí nghiệm. Ông đã gửi mẫu của các loài động vật này cho ba đồng nghiệp ở Canada, họ đã tiến hành một loạt thí nghiệm phân tử để tìm ra thời điểm động vật lần đầu tiên sản xuất ra protein chống đông.
Vì các nhà nghiên cứu biết trình tự DNA cho phép tế bào tạo ra protein chống đông nên họ có thể tìm kiếm các trình tự giống nhau ở các loài, họ và lớp. Họ cũng có thể tính toán thời điểm xảy ra đột biến dẫn đến nguồn gốc của gen: thời kỳ Ordovician.
"Các tính toán cho thấy rằng đuôi bật tạo ra protein chống đông từ rất lâu trước các loài động vật khác. Điều này không xảy ra cho đến một triệu năm sau ở cá và côn trùng. Mặc dù thực vật và vi sinh vật, chẳng hạn như vi khuẩn và tảo đơn bào, có thể đã phát triển các cơ chế tương tự sớm hơn nhiều," ông nói.
Cách tìm đuôi bật
Martin Holmstrup và các đồng nghiệp của ông tại Khoa Khoa học Sinh thái đã tự mình thu thập đuôi bật cho phòng thí nghiệm. Họ tập trung ở Đan Mạch, Iceland và Greenland.
Chúng không khó tìm và thậm chí bạn có thể tìm thấy chúng trong khu vườn của riêng mình.
Chỉ cần làm theo các bước sau:
Lấy một nắm đất hoặc lá từ vườn và cho vào rây.
Đặt đèn có thể điều chỉnh lên trên sàng và đặt khay dưới sàng.
Sức nóng từ đèn khiến bọ đuôi bật tìm kiếm môi trường mát mẻ hơn. Điều này sẽ khiến chúng rơi qua rây vào khay, nơi bạn sẽ thấy chúng đang bò.
Mặc dù bạn có thể tìm thấy đuôi bật ở hầu hết mọi nơi trên thế giới nhưng Bắc Cực có nhiều đuôi bật hơn bất kỳ nơi nào khác. Chỉ một số ít động vật trên cạn khác có thể sống sót trong cái lạnh ở Greenland và Canada, nghĩa là bọ đuôi bật có thể ăn vi khuẩn và nấm mà không bị ảnh hưởng.
"Các protein chống đông siêu mạnh của bọ đuôi bật cho phép chúng tồn tại ở những vùng lạnh giá, nơi chúng chỉ phải chia sẻ thức ăn với một số loài giun và côn trùng khác. Và chúng không có nhiều kẻ thù tự nhiên", Martin Holmstrup cho biết.
Vào mùa đông, khi nhiệt độ ở Bắc Cực giảm xuống, bọ đuôi bật bắt đầu sản xuất protein chống đông. Chúng còn được gọi là “protein liên kết băng” vì chúng có thể bám vào bề mặt của các tinh thể băng nhỏ và ngăn chúng phát triển. Khi đất đóng băng, động vật trên cạn tiếp xúc gần gũi với các tinh thể băng, vì vậy protein chống đông đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn băng lan vào cơ thể động vật và giết chết nó.
"Giống như chúng ta và hầu hết các loài động vật khác, bọ đuôi bật không thể sống sót nếu 'máu' của chúng đóng băng. Protein chống đông giúp ngăn chặn điều này xảy ra," ông nói.
Đuôi bật có nhiều hình dạng và kích cỡ, với hơn 9.000 loài khác nhau. Đây chỉ là số lượng loài chúng tôi tìm thấy. Các nhà nghiên cứu ước tính có số lượng loài đuôi bật nhiều gấp đôi hoặc nhiều hơn. Nguồn hình ảnh: Andy Murray/Wikimedia Commons
Khô như nho khô
Tuy nhiên, loại protein đặc biệt này không phải là khả năng duy nhất của đuôi bật để sống sót trong cái lạnh ở Bắc Cực, chúng có một cách sinh tồn khác.
"Vì mọi sinh vật sống đều có phân tử nước bên trong tế bào nên chúng ta rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đóng băng. Nếu nước đóng băng, các tế bào sẽ bị phá hủy. Để ngăn chặn điều này, bọ đuôi bật tự khô đi và chuyển sang trạng thái ngủ đông trong suốt mùa đông", Martin Holmstrup giải thích.
Khi đuôi bật ngủ đông, quá trình trao đổi chất của chúng chậm lại đến mức các nhà khoa học thực sự không thể đo lường được. Tuy nhiên, khi mùa xuân đến, chúng hấp thụ nước trở lại cơ thể và bắt đầu lại quá trình trao đổi chất.
"Bạn có thể so sánh chúng với nho được sấy khô thành nho khô, một quá trình gợi nhớ đến đông khô. Qua mùa đông, bọ đuôi bật co lại và trở thành những sinh vật nhỏ, nhăn nheo. Sau đó, khi mùa xuân đến, chúng hấp thụ nước và phồng lên đến kích thước bình thường", ông nói.
Cũng được tìm thấy ở những loài cá đáng lẽ phải đông lạnh đến chết
Làm thế nào một số loài động vật có thể tồn tại ở những vùng lạnh nhất trên Trái đất vẫn là một bí ẩn trong nhiều năm. Mãi đến giữa thế kỷ trước, các nhà khoa học mới phát hiện ra protein chống đông giúp động vật chống chọi với cái lạnh.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tự hỏi làm thế nào cá Bắc Cực có thể bơi trong vùng nước lạnh tới -1,8 độ C. Nước biển có điểm đóng băng thấp do hàm lượng muối. Mặt khác, máu cá có nhiệt độ đóng băng là -1 độ C, nghĩa là chúng không thể tránh khỏi việc bị đóng băng trong nước.
"Làm thế nào cá sống sót trong vùng nước đóng băng từ lâu đã là một bí ẩn. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1960, nhà nghiên cứu người Mỹ Arthur DeVries đã có thể phân lập các protein có trong cá Bắc Cực. Ông nhận thấy protein này có thể ngăn băng hình thành trong tế bào và máu của cá, ngay cả khi cá bị làm lạnh quá mức trong suốt cuộc đời của nó," Martin Holmstrup giải thích.
Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra protein chống đông ở nhiều loài động vật, thực vật và vi sinh vật khác. Những protein chống đông này hiện được ngành công nghiệp sử dụng.
Lịch sử và ứng dụng của protein chống đông
Ngày nay, nhiều loại thực phẩm được mua bán dưới dạng thực phẩm đông lạnh. Tuy nhiên, vấn đề là thực phẩm đông lạnh có thể thay đổi nếu tinh thể băng bắt đầu hình thành. Chúng thường làm giảm hương vị và kết cấu của thực phẩm.
Tuy nhiên, tình trạng này có thể được ngăn ngừa bằng các protein chống đông đặc biệt, Martin Holmstrup giải thích:
Ông nói: “Gen mã hóa protein chống đông của cá đã được sao chép vào nuôi cấy tế bào nấm men công nghiệp. Điều này cho phép nấm men tạo ra các protein rất hữu ích mà sau đó có thể được bổ sung vào các loại thực phẩm khác nhau”.
Một trong những thực phẩm đặc biệt giàu protein là kem.
"Tôi biết Unilever sử dụng protein trong kem của họ vì chúng giúp tạo ra kết cấu thực sự đáng yêu. Kem cũng có thể được rã đông và đông lạnh lại mà không biến thành tinh thể băng cứng. Về lâu dài, hiệu ứng này có thể được sử dụng để bảo quản lạnh các cơ quan cấy ghép. Các ngành công nghiệp khác, chẳng hạn như ngành hàng không vũ trụ và tua-bin gió, cũng đã thử nghiệm các protein này. Họ hy vọng sẽ bảo vệ cánh máy bay khỏi bị đóng băng và đáp ứng nhu cầu sử dụng làm tan băng ”