Cá sống sâu nhất thế giới: cá ốc sên và giới hạn 8.200 m của loài cá

Cá sống sâu nhất được biết hiện nay là cá ốc sên (họ Liparidae): tính tới năm 2023, kỷ lục là một con quay được ở độ sâu khoảng 8.336 m trong rãnh Izu–Ogasawara gần Nhật Bản. Dưới mức khoảng 8.200 đến 8.400 m dường như không loài cá nào sống nổi, dù tôm, giáp xác nhỏ và hải sâm vẫn có mặt tới tận đáy rãnh sâu gần 11.000 m. Lời giải thích được nhiều người chấp nhận nằm ở một phân tử nhỏ tên là TMAO, thứ giúp protein của cá chịu được áp suất nhưng cũng đặt ra một giới hạn.

Cá ốc sên là cá gì

Cá ốc sên (snailfish) là một họ cá xương có thân mềm, da trơn không vảy, đầu tròn và thân thuôn dài như con nòng nọc lớn. Tên gọi đến từ dáng vẻ mềm nhũn, trơn nhớt của chúng. Họ này có hàng trăm loài, sống từ những vũng nước triều lạnh ven bờ tới vùng biển cực và đáy các rãnh đại dương sâu nhất. Điểm chung đáng chú ý: phần lớn ưa nước lạnh.

Loài được nhắc nhiều nhất là cá ốc sên Mariana (Pseudoliparis swirei), được mô tả khoa học năm 2017. Nó sống ở rãnh Mariana trong khoảng độ sâu chừng 6.900 đến 8.000 m, dài khoảng một gang tay, thân hồng nhạt, trong mờ tới mức nhìn thấy cả gan qua da. Ở rãnh Nhật Bản và rãnh Izu–Ogasawara có những loài họ hàng sống ở độ sâu tương tự.

Vùng hadal là gì

Các nhà hải dương học gọi phần đại dương sâu hơn khoảng 6.000 m là vùng hadal, đặt theo tên Hades, vị thần cõi âm trong thần thoại Hy Lạp. Vùng này gần như chỉ gồm các rãnh đại dương, những vết nứt hẹp và dài nơi một mảng kiến tạo trượt xuống dưới mảng khác. Mỗi rãnh như một hòn đảo bị cô lập theo chiều dọc: sinh vật ở rãnh này khó đi sang rãnh khác vì giữa chúng là đồng bằng biển thẳm nông hơn hàng nghìn mét.

Áp suất ở rãnh đại dương lớn cỡ nào

Cứ xuống thêm khoảng 10 m nước biển thì áp suất tăng thêm chừng một atmosphere. Bảng dưới cho thấy con số tăng nhanh thế nào:

Ở 8.000 m, sức ép trên mỗi centimet vuông tương đương một vật nặng khoảng 800 kg. Cơ thể cá không bị "ép bẹp" theo kiểu cái lon rỗng, vì mô của cá chủ yếu là nước, mà nước gần như không nén được. Mối nguy thật sự nằm ở cấp phân tử.

Áp suất phá hoại protein như thế nào

Protein là những chuỗi dài gấp lại thành hình dạng chính xác, và hình dạng quyết định chức năng. Enzyme tiêu hoá, protein co cơ, kênh dẫn ion trên màng tế bào đều phải giữ đúng nếp gấp mới làm việc được. Áp suất rất cao có xu hướng ép nước len vào bên trong protein, làm nếp gấp lỏng ra hoặc bung hẳn. Màng tế bào cũng bị nén chặt lại, kém linh hoạt.

Nói gọn, áp suất làm bộ máy phân tử của sinh vật chạy chậm và sai. Một loài sống ở nơi sâu phải có cách giữ cho bộ máy đó ổn định.

TMAO: chất bảo vệ protein dưới áp suất

TMAO (trimethylamine N-oxide) là một phân tử nhỏ có sẵn trong mô nhiều loài cá biển. Nó giúp protein giữ nếp gấp khi bị áp suất tác động, nhờ cách nó sắp xếp các phân tử nước quanh protein. Những chất làm nhiệm vụ này được gọi là chất ổn định áp suất (piezolyte). Nhân tiện, mùi "tanh" của cá biển để lâu chủ yếu đến từ trimethylamine, chất sinh ra khi TMAO bị vi khuẩn phân giải.

Khi đo TMAO trong cơ của cá sống ở các độ sâu khác nhau, các nhà khoa học thấy một quy luật khá đều: càng sâu, nồng độ TMAO càng cao. Cá ở gần mặt nước có ít, cá ở vài nghìn mét có nhiều hơn hẳn, cá ốc sên hadal có nhiều nhất.

Từ TMAO đến con số 8.200 m

Năm 2014, nhóm của nhà sinh lý học Paul Yancey công bố một phép tính đơn giản mà thuyết phục. Họ kéo dài đường tăng TMAO theo độ sâu và hỏi: tới độ sâu nào thì cá phải chứa nhiều TMAO đến mức dịch cơ thể "mặn" hơn nước biển?

Đây là điểm mấu chốt. Cá xương bình thường có dịch cơ thể loãng hơn nước biển và phải liên tục uống nước biển, thải muối thừa. Khi TMAO tăng lên, độ đậm đặc của dịch cơ thể tăng theo. Đến một mức nào đó, cơ thể cá sẽ đậm đặc hơn nước biển, nước sẽ thấm vào qua mang và da, và cá phải đổi hẳn cách cân bằng nước muối, như cá mập vẫn làm bằng urê. Phép tính của họ cho ra điểm chuyển này ở khoảng 8.000 đến 8.500 m, và dự đoán giới hạn sâu nhất của cá xương vào khoảng 8.200 m.

Các lần quan sát về sau khớp với dự đoán khá sát. Năm 2017, nhóm nghiên cứu của nhà sinh học biển sâu Alan Jamieson quay được cá ốc sên ở khoảng 8.178 m trong rãnh Mariana. Năm 2022, một nhóm Úc và Nhật Bản có ông tham gia quay được cá ốc sên ở khoảng 8.336 m tại rãnh Izu–Ogasawara, và bắt được hai con ở khoảng 8.022 m tại rãnh Nhật Bản. Kết quả công bố năm 2023. Tính tới nay chưa thấy cá nào sâu hơn.

Cần nói rõ: giả thuyết TMAO được ủng hộ mạnh nhưng chưa phải là lời giải cuối cùng. Có thể còn những giới hạn khác cùng tác động, như nguồn thức ăn hay đặc tính của màng tế bào. Việc những sinh vật không phải cá, như giáp xác chân hai loại, sống tới tận đáy rãnh cho thấy chúng có cách thích nghi khác mà cá không dùng được.

Cơ thể cá ốc sên hadal khác thường ra sao

Ngoài TMAO, cá ốc sên Mariana có cả một bộ đặc điểm hợp với vùng sâu:

• Thân mềm, ít khoáng: xương sọ của nó không khép kín hoàn toàn, nhiều chỗ chỉ là sụn hay xương mỏng. Nghiên cứu bộ gen công bố năm 2019 tìm thấy một gen liên quan tới quá trình khoáng hoá xương đã bị hỏng, có thể giải thích vì sao.
• Không có bóng hơi: giống cá giọt nước, nó dùng thân giàu nước để giữ mật độ gần bằng nước.
• Mắt nhỏ, thị lực kém: ở độ sâu không có ánh nắng, nhiều gen liên quan tới thị giác đã mất hoặc giảm.
• Màng tế bào linh hoạt: các nghiên cứu gen gợi ý những thay đổi giúp màng tế bào giữ được độ mềm dưới áp suất cao.

Trong rãnh, cá ốc sên là kẻ săn mồi đứng đầu. Ở độ sâu này không có cá mập hay cá lớn nào khác. Thức ăn chính của chúng là giáp xác chân hai loại, loài sống rất đông ở đáy rãnh nhờ ăn xác sinh vật và vụn hữu cơ rơi xuống. Bẫy mồi thả xuống rãnh thường thu hút cả đàn cá ốc sên lượn lờ quanh mồi, chúng bơi chậm, uốn mình nhẹ nhàng như dải lụa.

Vì sao lại là cá ốc sên, không phải cá khác

Ở các rãnh đại dương lạnh khắp Thái Bình Dương, cá ốc sên chiếm lĩnh vùng sâu nhất. Một giả thuyết cho rằng tổ tiên của họ cá này vốn ưa nước lạnh ở vùng cực, nên khi lan ra các vùng nước sâu lạnh, chúng đã có sẵn "bộ đồ nghề" chịu lạnh. Thêm vào đó, các rãnh đại dương nằm gần đất liền nhận được nhiều chất hữu cơ trôi xuống, và do hình dạng hình phễu, thức ăn dồn vào đáy rãnh. Một loài cá đủ thích nghi sẽ gặp ít đối thủ và nhiều mồi.

Ở các rãnh ấm hơn, như rãnh Puerto Rico trong Đại Tây Dương, nhóm cá sống sâu nhất lại thuộc họ khác. Điều này cho thấy nhiệt độ nước có vai trò đáng kể trong việc loài nào chiếm được tầng sâu nhất.

Góc nhìn hôm nay

Câu chuyện cá ốc sên là ví dụ đẹp về cách khoa học làm việc: đo một chất trong cơ cá, vẽ một đường xu hướng, đưa ra dự đoán có thể kiểm chứng, rồi đi thả máy quay xuống các rãnh sâu nhất để xem dự đoán có đúng không. Tới nay kết quả vẫn khớp.

Các rãnh đại dương cũng không còn hoàn toàn xa lạ với con người. Các mẫu giáp xác ở đáy rãnh Mariana đã được tìm thấy có chứa vi nhựa và chất ô nhiễm bền vững, cho thấy rác của chúng ta đã xuống tới những nơi sâu nhất.

Muốn tìm hiểu thêm:

• Tìm xem video cá ốc sên hadal do các đoàn khảo sát công bố. Chúng không giống "quái vật biển sâu" chút nào, mà trông mềm mại, hiền lành.
• Đọc thêm về TMAO trong sách hoá sinh hoặc sinh lý động vật, phần nói về điều hoà áp suất thẩm thấu.
• Thử tự tính áp suất ở độ sâu bất kỳ bằng quy tắc 10 m tăng một atmosphere, rồi so với áp suất trong lốp xe đạp để cảm nhận độ lớn.