Belgica antarctica: muỗi lắc không cánh, côn trùng đặc hữu của Nam Cực

Belgica antarctica là một loài muỗi lắc không cánh dài chỉ vài milimét, và là loài côn trùng đặc hữu duy nhất của Nam Cực, nghĩa là không sống ở đâu khác, phân bố quanh bán đảo Nam Cực và các đảo lân cận. Nó sống sót nhờ ấu trùng chịu được đóng băng, chịu mất phần lớn nước trong cơ thể, có thể bị băng bọc kín nhiều ngày thiếu ô-xy, và nhờ con trưởng thành không cánh, sống vỏn vẹn khoảng một tuần. Bộ gen của nó thuộc hàng nhỏ nhất từng được biết ở côn trùng.

Sinh vật trên cạn lớn nhất của Nam Cực

Nói tới Nam Cực, người ta nghĩ ngay tới chim cánh cụt, hải cẩu, cá voi. Nhưng tất cả những con vật ấy đều sống nhờ biển: chúng kiếm ăn dưới nước, chỉ lên bờ hoặc lên băng để nghỉ và sinh sản. Nếu tính những động vật sống hoàn toàn trên đất liền, quanh năm, không xuống biển, thì danh sách rất ngắn: một số loài ve bét, bọ đuôi bật, giun tròn, gấu nước, luân trùng, và một vài loài muỗi lắc.

Trong số đó, Belgica antarctica, con trưởng thành dài chỉ khoảng hai đến sáu milimét, thường được gọi là động vật trên cạn lớn nhất sống thường trú ở Nam Cực. Điều ấy nói lên mức khắc nghiệt của lục địa này hơn bất cứ con số nhiệt độ nào.

Loài muỗi lắc này thuộc họ Chironomidae, cùng họ với những con muỗi lắc bay thành đám trên mặt ao hồ ở Việt Nam vào chiều tối, những con không đốt người. Những ấu trùng màu đỏ sống trong bùn ao tù, mà người nuôi cá cảnh hay mua làm thức ăn cho cá dưới tên tiếng Anh bloodworm, cũng là ấu trùng muỗi lắc.

Lịch sử phát hiện

Loài này được thu thập lần đầu trong chuyến thám hiểm Nam Cực của tàu Belgica do nhà thám hiểm người Bỉ Adrien de Gerlache dẫn đầu cuối thập niên 1890. Đây là chuyến thám hiểm đầu tiên trú đông ở vùng biển Nam Cực, khi tàu bị kẹt trong băng. Nhà sinh vật học trẻ người Romania Emil Racoviță trong đoàn đã thu thập các mẫu côn trùng nhỏ bé này. Loài được mô tả khoa học ít lâu sau và mang tên con tàu.

Vòng đời: hai năm làm ấu trùng, một tuần làm con trưởng thành

Gần như cả cuộc đời của Belgica antarctica diễn ra dưới dạng ấu trùng nhỏ, sống trong rêu, tảo, đất ẩm và quanh các bãi phân chim cánh cụt, nơi giàu chất hữu cơ. Ấu trùng ăn tảo, vụn hữu cơ và vi sinh vật.

• Ấu trùng: phát triển qua bốn tuổi, thường mất khoảng hai năm, trải qua hai mùa đông. Mùa hè Nam Cực ngắn và lạnh, nên ấu trùng chỉ lớn được một chút mỗi năm.
• Nhộng: vào cuối mùa xuân, đầu mùa hè.
• Con trưởng thành: xuất hiện vào giữa mùa hè, sống khoảng một tuần đến mười ngày. Chúng không cánh, tụ tập thành đám trên đá và rêu, giao phối, đẻ trứng rồi chết.
• Trứng: được đẻ thành khối trong một lớp chất keo, giữ ẩm và có thể bảo vệ trứng khỏi khô hạn.

Thời gian trưởng thành ngắn như vậy là một chiến lược. Con trưởng thành không chịu lạnh và khô tốt như ấu trùng. Rút ngắn giai đoạn này, dồn nó vào những ngày ấm nhất trong năm, giúp giảm rủi ro.

Vì sao không có cánh

Hầu hết muỗi lắc đều bay được. Belgica antarctica thì mất cánh hoàn toàn. Các nhà sinh học đưa ra nhiều lý do, có thể cùng đúng:

• Gió: Nam Cực có gió rất mạnh. Một con côn trùng nhỏ bay lên có thể bị thổi ra biển hoặc lên băng, nơi không thể sống. Ở lại sát mặt đất an toàn hơn.
• Năng lượng: cơ bay tốn nhiều năng lượng để xây dựng và duy trì. Trong môi trường nghèo thức ăn, bỏ cánh giúp tiết kiệm cho việc sinh sản.
• Nhiệt độ: cơ bay của côn trùng cần đủ ấm để hoạt động. Ở nhiệt độ thấp, bay là việc rất khó.
• Không cần đi xa: bạn tình ở ngay quanh đó, trên cùng một mảng rêu.

Hiện tượng mất cánh ở côn trùng trên các đảo lộng gió vùng cận Nam Cực rất phổ biến, ví dụ một số loài ruồi và bướm đêm ở quần đảo Kerguelen. Ngay từ thời Darwin, người ta đã chú ý tới chuyện côn trùng trên đảo nhiều gió hay mất khả năng bay. Đây là ví dụ về việc chọn lọc tự nhiên có thể loại bỏ một đặc điểm phức tạp khi nó trở nên bất lợi.

Ấu trùng chịu đóng băng và khô hạn

Chịu đóng băng

Côn trùng vùng lạnh thường theo một trong hai chiến lược. Chiến lược thứ nhất là tránh đóng băng: hạ điểm đông của dịch cơ thể xuống thật thấp, giữ cho dịch ở trạng thái lỏng quá lạnh. Chiến lược thứ hai là chịu đóng băng: cho phép băng hình thành giữa các tế bào nhưng bảo vệ bên trong tế bào không bị đông. Ấu trùng Belgica antarctica theo chiến lược thứ hai. Chúng có thể sống sót khi bị đóng băng ở nhiệt độ khoảng âm 15 °C.

Để làm được điều này, ấu trùng tích luỹ các chất bảo vệ như đường trehalose, glycerol và các protein sốc nhiệt. Những chất này ổn định màng tế bào và protein khi nước bị rút ra để thành băng bên ngoài tế bào. Đây cũng là nguyên lý được nghiên cứu cho việc bảo quản tế bào và mô ở nhiệt độ thấp.

Chịu mất nước

Nam Cực là nơi khô nhất trên Trái Đất, vì nước bị khoá trong băng. Ấu trùng Belgica antarctica có thể chịu mất phần lớn lượng nước trong cơ thể rồi hồi phục khi có nước trở lại. Một số nghiên cứu cho thấy ấu trùng còn có thể dùng chính việc mất nước có kiểm soát như một cách chống lạnh: khi dịch cơ thể bị cô đặc, điểm đông hạ xuống, giảm nguy cơ đóng băng. Cơ chế này được gọi là "khử nước bảo vệ lạnh".

Chịu bị băng bọc kín

Khi tuyết tan rồi đông lại, ấu trùng có thể bị bọc trong băng nhiều ngày, thiếu ô-xy. Chúng có khả năng chịu đựng tình trạng thiếu ô-xy này lâu hơn nhiều so với côn trùng vùng ôn đới.

Không chịu được nóng

Mặt trái của những thích nghi ấy là loài này chịu nóng kém. Ấu trùng và con trưởng thành chết khi nhiệt độ tăng lên mức mà côn trùng vùng ôn đới vẫn hoạt động bình thường. Đây là lý do các nhà khoa học quan tâm tới loài này như một chỉ báo nhạy cảm với khí hậu ấm lên ở bán đảo Nam Cực.

Bộ gen nhỏ bất ngờ

Năm 2014, các nhà khoa học công bố bộ gen của Belgica antarctica. Bộ gen chỉ khoảng 99 triệu cặp base, nhỏ nhất trong các loài côn trùng được giải trình tự tới thời điểm đó, nhỏ hơn nhiều so với bộ gen của ruồi giấm hay muỗi thường. Kích thước nhỏ chủ yếu do bộ gen có rất ít đoạn ADN lặp lại và các đoạn gen nhảy, trong khi số gen thật sự thì tương đương các côn trùng khác.

Vì sao bộ gen lại nhỏ như vậy vẫn còn được bàn luận. Một giả thuyết cho rằng trong môi trường khắc nghiệt, việc sao chép một bộ gen gọn nhẹ tiết kiệm năng lượng và thời gian. Giả thuyết khác cho rằng đó là kết quả ngẫu nhiên của lịch sử tiến hoá dòng họ. Đây là ví dụ cho thấy không phải đặc điểm nào ở sinh vật vùng cực cũng nhất thiết là thích nghi.

Góc nhìn hôm nay

Belgica antarctica nhắc rằng sự sống trên đất liền Nam Cực tồn tại ở quy mô milimét, trong những mảng rêu nhỏ và quanh bãi phân chim cánh cụt. Hệ sinh thái này rất mong manh. Các trạm nghiên cứu và du lịch Nam Cực có quy định nghiêm ngặt về việc làm sạch giày, quần áo để không vô tình mang hạt giống hoặc côn trùng ngoại lai vào. Đã có những loài muỗi lắc ngoại lai xuất hiện trên một số đảo Nam Cực, có thể do con người vô tình mang tới, và các nhà khoa học đang theo dõi ảnh hưởng của chúng.

Muốn tìm hiểu thêm, có thể đọc các bài viết phổ biến khoa học về sinh học côn trùng vùng cực, hoặc tìm hiểu về những chương trình nghiên cứu tại các trạm trên bán đảo Nam Cực. Các viện nghiên cứu sinh học ở Việt Nam cũng có tài liệu về họ muỗi lắc, giúp nhìn họ côn trùng quen thuộc này với con mắt khác.