Giun Pompeii: động vật chịu nóng bên ống khói thuỷ nhiệt đáy biển

Giun Pompeii (Alvinella pompejana) là loài giun nhiều tơ sống trong những ống tự tiết bám trên vách các ống khói thuỷ nhiệt ở đáy Thái Bình Dương, sâu khoảng 2.500 m. Nó được xếp vào nhóm động vật chịu nóng giỏi nhất từng biết: đuôi nằm sâu trong ống, sát vách khói nóng, còn đầu thò ra dòng nước lạnh hơn nhiều. Bí quyết sống sót của nó gồm một tấm "áo lông" bằng vi khuẩn trên lưng, protein bền nhiệt và cách chọn chỗ ở rất khéo trong một môi trường thay đổi từng giây.

Giun Pompeii là gì và sống ở đâu

Giun Pompeii thuộc lớp giun nhiều tơ (Polychaeta), họ hàng xa của giun cát, giun nhiều tơ ở bãi triều. Con trưởng thành dài cỡ một gang tay hoặc ngắn hơn, thân màu xám nhạt, đầu có một chùm mang hình lông chim đỏ thắm. Màu đỏ đến từ huyết sắc tố trong máu, giúp nó vớt ô-xy từ dòng nước nghèo ô-xy quanh miệng phun.

Nơi ở của nó là dãy núi ngầm Đông Thái Bình Dương (East Pacific Rise), nơi hai mảng kiến tạo tách nhau. Nước biển thấm xuống khe nứt, gặp đá nóng bên dưới, hoà tan kim loại và lưu huỳnh rồi phụt trở lên ở nhiệt độ có thể vượt 350 °C. Khi gặp nước biển lạnh khoảng 2 °C, khoáng chất kết tủa đen kịt như khói, dựng thành những ống khói đá cao vài mét. Giun Pompeii xây ống của mình thành từng cụm dày đặc ngay trên vách các ống khói ấy, nhiều khi đến mức vách khói trông như phủ một lớp tổ ong.

Vì sao lại mang tên Pompeii

Loài này được các nhà khoa học Pháp mô tả đầu thập niên 1980, sau khi tàu lặn có người lái Alvin mở ra thế giới miệng phun thuỷ nhiệt cuối thập niên 1970. Tên chi Alvinella đặt theo tàu Alvin. Tên loài pompejana gợi tới thành Pompeii bị tro núi lửa Vesuvius vùi lấp năm 79: quanh ống khói, hạt khoáng sunfua rơi lả tả như mưa tro, phủ lên mọi thứ sống ở đó.

Nóng tới mức nào: con số và tranh luận

Con số nổi tiếng nhất về giun Pompeii đến từ các phép đo cuối thập niên 1990. Nhóm nghiên cứu đưa đầu dò nhiệt vào ống giun bằng cánh tay robot của tàu lặn và ghi nhận phần đáy ống, nơi đuôi giun nằm, có lúc lên tới khoảng 80 °C, trong khi miệng ống chỉ khoảng 20 °C. Nghĩa là trên một thân dài chưa tới một gang tay, chênh lệch nhiệt độ có thể tới vài chục độ. Báo chí từ đó gọi nó là "động vật chịu nóng nhất hành tinh".

Về sau giới nghiên cứu thận trọng hơn. Nhiệt độ quanh miệng phun dao động liên tục theo dòng chảy, và đầu dò chưa chắc đo đúng chỗ thân giun chạm vào. Các thí nghiệm nuôi giun trong buồng áp suất mô phỏng đáy biển cho thấy chúng không chịu được lâu ở mức trên khoảng 50 °C và chủ động tránh vùng nóng hơn. Vì vậy con số 80 °C nên hiểu là đỉnh nhiệt ngắn ngủi trong ống, còn mức giun thật sự sống lâu dài thì thấp hơn và vẫn đang được bàn.

Dù con số chính xác là bao nhiêu, giun Pompeii vẫn sống ở mức nóng mà gần như mọi động vật khác không chịu nổi. Phần lớn động vật biển chết khi nước ấm quá khoảng 40 °C, vì protein trong tế bào bắt đầu duỗi xoắn và mất chức năng.

Tấm áo lông bằng vi khuẩn

Nhìn gần, lưng giun Pompeii phủ một lớp sợi trắng như lông cừu. Đó không phải lông của giun mà là hàng triệu sợi vi khuẩn mọc ra từ những tuyến nhỏ trên da. Các vi khuẩn này chủ yếu thuộc nhóm ăn hoá chất, sống bằng năng lượng từ hợp chất lưu huỳnh và hydro trong nước miệng phun.

Giun tiết chất nhầy từ các tuyến trên lưng, và người ta cho rằng chất nhầy đó chính là thức ăn nuôi đám vi khuẩn. Đổi lại, vi khuẩn được cho là làm vài việc cho giun:

• Làm lớp cách nhiệt: lớp sợi dày có thể giữ một tầng nước mỏng ít xáo trộn quanh thân, giảm bớt nhiệt dội vào da. Đây là giả thuyết hợp lý nhưng chưa đo được thật chắc.
• Khử độc: nước miệng phun giàu sunfua và kim loại nặng; vi khuẩn có thể chuyển hoá bớt một phần trước khi chạm tới giun.
• Nguồn thức ăn phụ: giun có thể ăn một phần vi khuẩn hoặc chất do chúng tạo ra, bên cạnh việc ăn các mảng vi khuẩn bám quanh miệng ống.

Mối quan hệ này được gọi là cộng sinh ngoài, tức vi khuẩn sống trên bề mặt cơ thể chứ không nằm trong mô như ở giun ống khổng lồ Riftia mọc gần đó. Vai trò chính xác của từng nhóm vi khuẩn vẫn là đề tài nghiên cứu mở.

Protein không chảy ra khi nóng

Thứ khiến giới sinh hoá học chú ý nhất là protein của giun Pompeii. Ở động vật thường, protein là chuỗi dài gấp thành hình dạng chính xác; nóng lên quá mức thì các liên kết yếu giữ hình dạng bị bứt, protein duỗi ra như sợi len rối và ngừng làm việc. Đó là lý do lòng trắng trứng đông lại khi luộc.

Collagen, loại protein chính trong lớp vỏ ngoài của giun Pompeii, được thử nghiệm và thấy bền nhiệt hơn collagen của các loài giun sống ở nước lạnh. Nhiều enzyme của nó cũng giữ được hoạt tính ở nhiệt độ cao hơn bình thường. Khi giải trình tự gen, các nhà nghiên cứu nhận thấy protein của loài này có xu hướng dùng nhiều axit amin tạo liên kết chặt hơn, một kiểu "gia cố" mà các vi khuẩn ưa nhiệt cũng hay dùng.

Ở đây có một bài học tiến hoá thú vị: giun Pompeii và vi khuẩn suối nóng không có chung tổ tiên gần nào sống trong nhiệt, nhưng cùng chịu áp lực "phải giữ protein khỏi duỗi ra" nên đi tới những giải pháp giống nhau ở cấp phân tử. Đây là một dạng tiến hoá hội tụ, không phải ở hình dáng cơ thể mà ở cấu trúc protein.

Sống trong một thế giới chập chờn

Ống khói thuỷ nhiệt không phải nơi ổn định. Dòng nước nóng có thể đổi hướng, yếu đi rồi mạnh lên trong vài phút. Cả ống khói có thể ngừng phun sau vài năm hoặc vài chục năm, hoặc bị dòng dung nham mới phủ mất. Với một con giun bám cố định, sống sót không chỉ là chịu nóng mà còn là chịu được sự thất thường.

Giun Pompeii xử lý bằng vài cách. Nó có thể rút sâu vào ống hoặc thò ra tuỳ lúc, đổi chỗ đặt mang trong dòng nước. Nó xây ống rất nhanh: những ống khói mới hình thành có thể bị giun phủ kín chỉ trong thời gian ngắn, cho thấy ấu trùng của chúng trôi nổi đủ xa để tìm ra ống khói mới. Các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu ấu trùng sống sót trong nước lạnh bao lâu và đi xa tới đâu, vì chúng hiếm khi được bắt gặp ngoài tự nhiên.

Giun Pompeii và hàng xóm

Quanh một ống khói đang phun, sinh vật xếp thành từng vành theo nhiệt độ. Sát vách nóng nhất là giun Pompeii và vài loài Alvinella họ hàng. Xa hơn một chút, nơi nước ấm dịu, là bụi giun ống khổng lồ, trai và cua trắng. Ngoài cùng, ở nước gần lạnh hẳn, là các loài ăn lọc và săn mồi. Không có ánh nắng nào xuống tới độ sâu này, nên toàn bộ chuỗi thức ăn dựa vào vi khuẩn sống bằng hoá chất từ lòng đất.

Vì sao không ai nuôi được giun Pompeii

Đưa giun Pompeii lên mặt nước để nghiên cứu khó hơn tưởng tượng. Ở đáy biển nó chịu áp suất khoảng 250 lần áp suất khí quyển. Kéo lên nhanh, nhiệt độ và áp suất đổi đột ngột, giun thường chết trước khi tới phòng thí nghiệm. Vì thế phần lớn kiến thức về nó đến từ mẫu đã chết, từ phép đo tại chỗ bằng tàu lặn, và từ một số ít thí nghiệm dùng bình giữ áp suất suốt quá trình kéo lên.

Chính khó khăn đó giải thích vì sao con số nhiệt độ còn nhiều tranh luận. Mỗi chuyến lặn tốn kém, mỗi lần đo chỉ được vài giờ, trong khi môi trường thay đổi từng phút. Kết luận thận trọng nhất hiện nay là: giun Pompeii chịu được nhiệt độ cao hơn hầu hết động vật đã biết, chịu được chênh lệch nhiệt rất lớn dọc thân, nhưng không sống thoải mái ở mức 80 °C như từng được đồn.

Góc nhìn hôm nay: giun Pompeii dạy ta điều gì

Giun Pompeii cho thấy giới hạn của sự sống động vật không phải một con số cố định mà là kết quả của nhiều lớp thích nghi chồng lên nhau: hành vi chọn chỗ, lớp vi khuẩn bên ngoài, protein bền bên trong. Bỏ đi một lớp, con giun có lẽ không trụ được.

Nó cũng là lời nhắc về cách đọc tin khoa học. Câu "sống ở 80 °C" dễ lan nhanh vì gây ấn tượng, nhưng nghiên cứu sau đó cho bức tranh tinh tế hơn. Đọc tin về sinh vật cực đoan, nên hỏi: con số đo ở đâu, đo bao lâu, và có ai làm lại thí nghiệm chưa.

Muốn tìm hiểu tiếp, có thể xem các đoạn phim do tàu lặn Alvin và các tàu lặn điều khiển từ xa quay ở dãy Đông Thái Bình Dương, được nhiều viện hải dương học công bố rộng rãi. Sách phổ thông về biển sâu thường có một chương về hệ sinh thái miệng phun thuỷ nhiệt, nơi giun Pompeii luôn được nhắc tới cùng giun ống khổng lồ. Bảo tàng hải dương học ở nhiều nước có mô hình ống khói đen cắt ngang, giúp hình dung vành sinh vật xếp theo nhiệt độ.