Địa y sống sót ngoài không gian: thí nghiệm BIOPAN và EXPOSE trên quỹ đạo

Địa y sống sót ngoài không gian là kết quả của các thí nghiệm do Cơ quan Vũ trụ châu Âu thực hiện: những mẩu địa y gắn bên ngoài vệ tinh và Trạm Vũ trụ Quốc tế, phơi trực tiếp ra chân không, tia cực tím và bức xạ vũ trụ, vẫn quang hợp lại được khi trở về. Lần phơi ngắn nhất kéo dài khoảng hai tuần, lần dài nhất khoảng một năm rưỡi. Bí quyết nằm ở khả năng khô kiệt mà không chết, lớp sắc tố chống nắng ở vỏ ngoài và mối cộng sinh giữa nấm với tảo.

Địa y là gì: hai sinh vật trong một

Địa y trông như một mảng rêu khô hay một vệt sơn bám trên đá, thân cây, mái ngói. Thật ra nó không phải một sinh vật mà là sự hợp tác giữa một loài nấm và một loài tảo hoặc vi khuẩn lam. Nấm dựng "nhà": tạo thân, bám chặt vào đá, giữ nước, che chắn. Tảo hay vi khuẩn lam sống bên trong làm "bếp": quang hợp, tạo đường nuôi cả hai.

Nhờ phân công như vậy, địa y sống được ở những nơi mà từng bên riêng lẻ không sống nổi: đá trần trên núi cao, sa mạc khô, vùng cực. Chúng là sinh vật tiên phong, đến trước tiên trên đá mới, từ từ phá đá thành đất. Nhưng cái giá là lớn cực chậm: nhiều loài trên núi cao chỉ rộng ra vài milimét mỗi năm hay ít hơn.

Vì sao lại mang địa y lên vũ trụ

Các nhà sinh học vũ trụ muốn trả lời vài câu hỏi. Sinh vật phức tạp có sống được ngoài không gian không, hay chỉ vi khuẩn và bào tử mới trụ được? Nếu có, thì sự sống có thể theo đá văng ra từ hành tinh này sang hành tinh khác không, ý tưởng mà giới khoa học gọi là thuyết tha sinh? Và môi trường bề mặt sao Hoả khắc nghiệt tới mức nào với sinh vật Trái Đất?

Địa y là ứng viên hấp dẫn vì nó vừa là sinh vật nhiều bào, vừa là một hệ cộng sinh, lại vốn quen với khô hạn, lạnh và tia cực tím mạnh ở núi cao. Nếu có sinh vật nhân thực nào chịu được không gian, địa y là cái tên đáng thử trước.

Những lần phơi ngoài không gian

Các thí nghiệm chủ yếu dùng hai loại hộp mẫu của Cơ quan Vũ trụ châu Âu. BIOPAN là một hộp gắn bên ngoài vệ tinh Foton của Nga, mở nắp khi vệ tinh vào quỹ đạo rồi đóng lại trước khi trở về. EXPOSE là các khay gắn bên ngoài Trạm Vũ trụ Quốc tế, để mẫu ở đó nhiều tháng.

Ngoài không gian, mẫu chịu chân không gần như tuyệt đối, khiến mọi nước còn sót bay hơi. Chúng chịu toàn bộ phổ tia cực tím của Mặt Trời, kể cả loại năng lượng cao bị tầng ô-zôn chặn lại trên Trái Đất. Chúng chịu bức xạ vũ trụ, và nhiệt độ thay đổi từ dưới âm tới trên dương vài chục độ mỗi khi trạm đi vào và ra khỏi bóng Trái Đất.

Kết quả được đo chủ yếu bằng khả năng quang hợp sau khi trở về và bằng thuốc nhuộm phân biệt tế bào sống, chết. Trong các lần phơi ngắn, địa y phục hồi gần như đầy đủ. Ở lần phơi dài trên trạm, mức sống sót thấp hơn và khác nhau giữa các mẫu, tia cực tím là yếu tố gây hại lớn nhất. Các nhà khoa học cũng lưu ý số mẫu ít, và "còn sống" ở đây chủ yếu là còn quang hợp được, chưa chắc là mẫu lớn và sinh sản bình thường lâu dài.

Địa y sống sót bằng cách nào

Khô kiệt mà không chết

Địa y là sinh vật "đổi nước": chúng không giữ được độ ẩm ổn định như cây có rễ, mà ướt khi trời mưa, khô cong khi nắng. Khi khô, trao đổi chất gần như ngừng, chúng rơi vào trạng thái nghỉ giống tiềm sinh ở gấu nước hay trứng Artemia. Đó là trạng thái mà nhiều loài địa y trải qua hằng ngày trên đá núi. Chân không ngoài không gian thực chất chỉ là một lần khô cực độ, nên địa y đã có sẵn "kỹ năng" để qua.

Trong lúc khô, tế bào được bảo vệ nhờ các loại đường và rượu đường tích tụ, giữ màng tế bào và protein khỏi biến dạng, cùng hệ chống ô-xy hoá để dọn những phân tử phản ứng mạnh sinh ra khi bị chiếu.

Kính râm bằng sắc tố

Lớp vỏ ngoài của nhiều loài địa y chứa sắc tố đậm đặc. Xanthoria elegans có màu cam rực nhờ sắc tố parietin. Rhizocarpon geographicum có màu vàng chanh nhờ axit rhizocarpic, xen giữa là các vạch đen. Những sắc tố này hấp thụ tia cực tím trước khi nó tới lớp tảo bên trong, giống như mái che cho "bếp". Đó là lý do mẫu tảo nằm sâu trong thân địa y sống tốt hơn so với tảo phơi trần.

Nhà dày, nhiều tầng

Thân địa y có cấu trúc nhiều lớp: vỏ ngoài dày, tầng tảo ở giữa, tầng tuỷ xốp bên dưới. Mỗi lớp lọc bớt một phần bức xạ. Nấm còn có melanin ở một số loài, thêm một lớp bảo vệ như ở các loài nấm đen chịu bức xạ.

Địa y trong buồng mô phỏng sao Hoả

Bên cạnh thí nghiệm ngoài quỹ đạo, các viện nghiên cứu như Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức đã đặt địa y trong buồng mô phỏng bề mặt sao Hoả: khí quyển mỏng chủ yếu là CO₂, nhiệt độ lạnh, tia cực tím mạnh. Một số loài, như Pleopsidium chlorophanum lấy từ vùng núi Nam Cực, được báo cáo là vẫn quang hợp ở mức thấp khi được che khuất trong khe đá mô phỏng và có chút ẩm từ sương.

Kết quả này không có nghĩa sao Hoả có địa y, cũng không có nghĩa có thể "trồng" địa y trên sao Hoả. Nó chỉ cho thấy một số sinh vật Trái Đất có thể duy trì hoạt động tối thiểu trong điều kiện gần giống ở những vi môi trường được che chắn. Đây là thông tin quan trọng cho cả việc tìm sự sống lẫn việc phòng tránh mang nhầm sinh vật Trái Đất sang hành tinh khác.

Góc nhìn hôm nay

Câu chuyện địa y ngoài không gian cho thấy một nguyên lý quen thuộc của thích nghi: khả năng chịu cực đoan thường là sản phẩm phụ của việc sống quen với cái khắc nghiệt thường ngày. Địa y không tiến hoá để bay vào vũ trụ; nó tiến hoá để chịu khô, nắng, lạnh trên đá núi, và những kỹ năng đó tình cờ hữu dụng trong chân không.

Cũng nên đọc kết quả với chừng mực. Địa y sống sót vài tuần hay một năm rưỡi ở quỹ đạo thấp, nơi vẫn được từ trường Trái Đất che bớt bức xạ, khác xa một chuyến hàng triệu năm giữa các hành tinh trong một hòn đá. Thuyết tha sinh vẫn là giả thuyết, chưa có bằng chứng trực tiếp.

Ở Việt Nam, chỉ cần nhìn mái ngói cũ, bia đá, thân cây trong công viên là thấy địa y: những mảng vàng cam, xanh xám, trắng bạc. Chúng cũng là loài chỉ thị chất lượng không khí, vì nhiều loài rất nhạy với ô nhiễm lưu huỳnh. Một chiếc kính lúp cầm tay đủ để thấy cấu trúc nhiều tầng của chúng. Muốn đọc thêm, trang của Cơ quan Vũ trụ châu Âu về chương trình EXPOSE và các bài tổng quan về địa y trong sinh học vũ trụ là điểm bắt đầu tốt.