Ở một số loài cá cần câu biển sâu, con đực tí hon cắn vào thân con cái rồi dính liền vĩnh viễn: da liền da, mạch máu nối với mạch máu, con đực sống bằng máu của con cái như một bộ phận cơ thể. Điều khiến giới miễn dịch học kinh ngạc là ở người, ghép mô của người khác vào sẽ bị đào thải, còn cá cần câu thì không. Một nghiên cứu năm 2020 cho thấy các loài này đã "tháo bỏ" một phần hệ miễn dịch thích ứng để cuộc hợp nhất có thể diễn ra.
Cá cần câu biển sâu là ai
Cá cần câu biển sâu thuộc nhóm Ceratioidei trong bộ cá vây chân, gồm khoảng 160 loài sống ở tầng nước tối từ vài trăm đến vài nghìn mét. Con cái có chiếc "cần câu" mọc trên đầu, là một tia vây lưng biến đổi, đầu cần có túi chứa vi khuẩn phát sáng để nhử mồi. Miệng rộng, răng nhọn, dạ dày co giãn để nuốt con mồi lớn.
Con đực thì khác hẳn. Ở nhiều loài, con đực chỉ dài vài centimet, không có cần câu, nhưng có lỗ mũi rất lớn và đôi mắt khá tốt. Nó không sinh ra để săn mồi mà để tìm bạn đời. Ở một loài thuộc chi Photocorynus, con đực trưởng thành chỉ dài khoảng 6 đến 7 mm khi đã bám vào con cái, từng được đề xuất là một trong những động vật có xương sống trưởng thành nhỏ nhất.
Bài toán tìm bạn trong bóng tối
Hãy hình dung một vùng nước rộng hàng trăm km khối, tối đen, lạnh, và mỗi km khối chỉ có lèo tèo vài con cá cùng loài. Cơ hội để một con đực gặp đúng một con cái trưởng thành là rất nhỏ. Nếu gặp rồi mà lại chia tay, lần gặp tiếp theo có thể không bao giờ đến.
Đây là sức ép chọn lọc đã định hình cả lối sống của cá cần câu. Con đực được tối ưu cho một nhiệm vụ: đánh hơi mùi hoá chất mà con cái tiết ra, bơi theo tới nơi, và bám lấy. Khi đã bám được, giữ lấy con cái mãi mãi là cách chắc nhất để đảm bảo có con.
Ba kiểu quan hệ ở cá cần câu
Không phải loài cá cần câu nào cũng có con đực dính vĩnh viễn. Các nhà khoa học chia ra mấy kiểu chính:
| Kiểu | Con đực làm gì | Ví dụ (nhóm) |
|---|---|---|
| Không ký sinh | Sống tự do, bám tạm vào con cái lúc giao phối rồi rời đi | Nhiều loài, ví dụ họ cá cần câu đen Melanocetidae |
| Ký sinh tuỳ chọn | Có thể bám tạm hoặc hợp nhất, tuỳ hoàn cảnh | Một số loài thuộc họ Oneirodidae và vài họ khác |
| Ký sinh bắt buộc | Con đực không thể trưởng thành sinh dục nếu chưa hợp nhất với con cái | Ceratiidae, Linophrynidae, Caulophrynidae, Neoceratiidae |
Ở kiểu ký sinh bắt buộc, sau khi hợp nhất, con đực teo dần nhiều cơ quan: mắt, vây, hệ tiêu hoá. Thứ còn lại và phát triển là tinh hoàn. Con cái nhận được một nguồn tinh trùng thường trực, sẵn sàng khi trứng chín. Một con cái có thể mang nhiều con đực cùng lúc, có trường hợp ghi nhận tới tám con trên một con cái.
Phát hiện từ những "con cá con" bám trên bụng mẹ
Năm 1922, nhà sinh học Iceland Bjarni Sæmundsson mô tả một con cá cần câu cái có hai con cá nhỏ bám trên bụng. Ông cho rằng đó là cá con bám vào mẹ. Vài năm sau, nhà ngư học Anh Charles Tate Regan mổ xét kỹ và nhận ra những "con cá con" này thật ra là con đực trưởng thành, mô đã liền với mô con cái. Phát hiện được công bố giữa thập niên 1920 và thành một trong những câu chuyện lạ nhất của sinh học biển.
Gần một thế kỷ sau, người ta vẫn rất hiếm khi thấy cá cần câu sống. Phần lớn hiểu biết đến từ mẫu vật lưới kéo lên. Một đoạn phim do hai nhà thám hiểm biển sâu quay năm 2016 và công bố năm 2018 ghi lại cảnh một con cá cần câu cái mang con đực bám, bơi giữa nước ở độ sâu khoảng 800 m ngoài khơi quần đảo Azores, đoạn phim được nhiều nhà khoa học coi là hiếm có.
Vì sao cơ thể con cái không đào thải con đực
Ở động vật có xương sống, từ cá tới người, hệ miễn dịch được thiết kế để nhận ra "cái lạ". Mỗi cá thể mang một bộ phân tử nhận diện riêng trên bề mặt tế bào, gọi là phức hợp tương hợp mô chính (MHC). Khi gặp mô có MHC khác mình, tế bào T của hệ miễn dịch thích ứng sẽ tấn công. Đó là lý do người được ghép thận phải dùng thuốc ức chế miễn dịch suốt đời.
Con đực cá cần câu là một cá thể khác, mang bộ gen khác. Vậy mà mô của nó hoà vào mô con cái mà không bị đào thải. Câu hỏi này treo lơ lửng nhiều thập kỷ.
Nghiên cứu năm 2020
Năm 2020, một nhóm do nhà miễn dịch học Thomas Boehm ở Viện Max Planck (Đức) dẫn dắt, cùng nhà ngư học Theodore Pietsch, công bố trên tạp chí Science kết quả phân tích gen của nhiều loài cá cần câu, cả loài có và không có con đực bám. Những điểm chính:
- Ở các loài có con đực hợp nhất, những gen liên quan tới MHC bị giảm mạnh về số lượng và độ đa dạng, có loài mất hẳn một nhóm.
- Gen điều khiển quá trình "tinh chỉnh" kháng thể cho bám chặt hơn vào mầm bệnh bị hỏng hoặc mất ở các loài hợp nhất.
- Ở những loài mà con cái mang nhiều con đực cùng lúc, mức suy giảm sâu hơn: một số gen nền tảng để tạo ra tế bào T và tế bào B chuyên biệt dường như không còn hoạt động.
- Các loài chỉ bám tạm thời có mức suy giảm nhẹ hơn, như một nấc trung gian.
Nói cách khác, các loài cá cần câu có con đực hợp nhất đã đánh đổi một phần lớn hệ miễn dịch thích ứng, thứ được coi là "vũ khí" quan trọng của động vật có xương sống suốt hàng trăm triệu năm, để có thể ghép mô bạn đời vào cơ thể mình.
Thế chúng chống bệnh bằng gì
Đây là câu hỏi còn mở. Các tác giả cho rằng các loài này có lẽ dựa nhiều hơn vào miễn dịch bẩm sinh, phần phòng thủ chung không cần nhận diện cụ thể từng mầm bệnh. Môi trường biển sâu thưa thớt sinh vật, ít tiếp xúc mầm bệnh hơn vùng nước nông đông đúc, có thể cũng giúp chúng sống sót. Nhưng cơ chế cụ thể vẫn chưa được làm rõ, và đây là một trong những lý do các nhà miễn dịch học quan tâm tới loài cá này: nó cho thấy động vật có xương sống có thể sống mà không cần đầy đủ hệ miễn dịch thích ứng.
Tiến hoá đã đi bao nhiêu lần trên con đường này
Phân tích cây phát sinh loài cho thấy ký sinh tình dục không xuất hiện một lần duy nhất rồi được thừa hưởng. Nó có vẻ đã xuất hiện độc lập nhiều lần trong các nhánh cá cần câu khác nhau, và cũng có thể đã mất đi ở một số nhánh. Mỗi lần xuất hiện lại kèm theo những thay đổi tương tự trong gen miễn dịch, một ví dụ về tiến hoá hội tụ ở cấp phân tử.
Còn câu hỏi gà và trứng: hệ miễn dịch yếu đi trước rồi mới mở đường cho hợp nhất, hay hợp nhất có lợi tới mức chọn lọc giữ lại những cá thể có hệ miễn dịch "dễ dãi" hơn? Các nhà nghiên cứu nghiêng về khả năng thứ nhất là một phần câu chuyện, nhưng tới nay chưa có kết luận dứt khoát.
Đánh đổi lớn nhất của cá cần câu
Thích nghi này có lợi rõ ràng: giải quyết triệt để bài toán tìm bạn, không cần gặp lại lần hai. Con cái không bao giờ thiếu tinh trùng khi cần sinh sản. Con đực sau khi bám không phải tự kiếm ăn trong môi trường thiếu thức ăn.
Cái giá cũng lớn. Con cái phải "nuôi" thêm một hoặc nhiều cơ thể bằng máu của mình. Con đực mất toàn bộ tự do và hầu hết cơ quan. Cả loài đặt cược vào một hệ miễn dịch giản lược, điều mà với phần lớn động vật có xương sống ở vùng nước đông đúc sẽ là án tử. Chính vì cái giá đó, kiểu sinh sản này hầu như chỉ thấy ở một nơi như biển sâu, nơi bài toán gặp nhau khó tới mức đáng đánh đổi.
Góc nhìn hôm nay
Cá cần câu là lời nhắc rằng không có bộ phận nào của cơ thể là "bất khả xâm phạm" trong tiến hoá, kể cả hệ miễn dịch. Nếu hoàn cảnh đủ đặc biệt, chọn lọc tự nhiên có thể tháo bớt cả những hệ thống tưởng là thiết yếu.
Nghiên cứu về cá cần câu còn có giá trị thực tế: hiểu cách một loài tự nhiên chấp nhận mô lạ có thể gợi ý hướng mới cho y học ghép tạng, dù chặng đường từ cá biển sâu tới bệnh viện còn rất dài.
Muốn tìm hiểu thêm:
- Tìm đọc các sách về sinh vật biển sâu; nhà ngư học Theodore Pietsch có chuyên khảo lớn về nhóm cá cần câu biển sâu.
- Tìm hiểu cơ bản về MHC và tế bào T trong sách sinh học phổ thông để thấy vì sao ghép mô thường bị đào thải.
- Xem các đoạn phim hiếm hoi quay cá cần câu còn sống do các tổ chức nghiên cứu biển công bố.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cá cần câu đực bám vào con cái?
Ở biển sâu, cá thể cùng loài rất thưa nên gặp được bạn đời là chuyện hiếm. Ở một số loài, con đực bám vào con cái rồi hợp nhất vĩnh viễn để đảm bảo luôn có mặt khi con cái sinh sản.
Cá cần câu đực có chết sau khi bám không?
Ở loài ký sinh bắt buộc, con đực không chết ngay mà sống tiếp nhờ máu con cái. Nó teo đi nhiều cơ quan như mắt, vây, hệ tiêu hoá, nhưng tinh hoàn vẫn phát triển và hoạt động.
Vì sao con cái không đào thải mô con đực?
Nghiên cứu năm 2020 cho thấy các loài có con đực hợp nhất đã mất hoặc làm hỏng nhiều gen của hệ miễn dịch thích ứng, đặc biệt là các gen MHC và gen giúp tinh chỉnh kháng thể. Nhờ vậy mô của con đực không bị tấn công.
Một con cá cần câu cái mang được bao nhiêu con đực?
Tuỳ loài. Có loài chỉ thấy một con đực bám, có loài ghi nhận nhiều con đực cùng lúc trên một con cái. Những loài mang nhiều con đực thường có hệ miễn dịch thích ứng suy giảm sâu hơn.
Tất cả cá cần câu đều có con đực ký sinh à?
Không. Nhiều loài cá cần câu biển sâu có con đực sống tự do và chỉ bám tạm khi giao phối. Kiểu hợp nhất vĩnh viễn chỉ có ở một số họ, và có vẻ đã tiến hoá độc lập nhiều lần.