Một số động vật cực nhỏ đã được đánh thức từ băng vĩnh cửu Siberia sau hàng chục nghìn năm đông lạnh. Năm 2021, các nhà khoa học công bố luân trùng bdelloid sống lại và sinh sản sau khoảng 24.000 năm trong đất đóng băng; năm 2023, một loài giun tròn được hồi sinh từ lớp đất có tuổi khoảng 46.000 năm. Chúng sống sót nhờ trạng thái tiềm sinh, khi trao đổi chất gần như ngừng hẳn, và nhờ những chất bảo vệ tế bào khỏi băng giá và khô hạn.
Băng vĩnh cửu: tủ đông tự nhiên của Trái Đất
Băng vĩnh cửu là đất, đá và trầm tích bị đóng băng liên tục ít nhất hai năm liền, nhiều nơi đã đóng băng hàng chục, hàng trăm nghìn năm. Nó phủ phần lớn Siberia, Alaska, bắc Canada. Ở vùng đất thấp sông Kolyma, đông bắc Siberia, những vách sông bị xói lở để lộ ra các lớp trầm tích đông lạnh từ kỷ băng hà cuối cùng, chứa xác voi ma mút, xương ngựa hoang, hạt cây và vô số vi sinh vật.
Nhiệt độ trong băng vĩnh cửu sâu ổn định ở mức âm vài độ, gần như không đổi theo mùa. Không có ánh sáng, nước ở dạng băng, ô-xy rất ít. Với hầu hết sinh vật, đây là nơi chết. Với một số ít, đây là nơi ngủ dài.
Luân trùng 24.000 năm
Luân trùng là động vật đa bào nhỏ xíu, thường dài dưới một milimét, có vành lông rung quanh miệng trông như bánh xe quay, nên mới có tên "luân trùng". Chúng sống trong ao hồ, rêu, đất ẩm. Nhóm luân trùng bdelloid đặc biệt ở hai điểm: chúng sinh sản hoàn toàn đơn tính, chỉ có con cái, và chịu khô cực giỏi.
Phòng thí nghiệm Đông lạnh học Đất ở Pushchino, Nga, đã khoan lấy lõi băng vĩnh cửu ở vùng Kolyma từ nhiều năm. Năm 2021, nhóm nghiên cứu công bố trên tạp chí Current Biology rằng họ rã đông mẫu đất lấy ở độ sâu khoảng 3,5 m và thấy luân trùng bdelloid bắt đầu bò, ăn và sinh sản. Tuổi của lớp đất được xác định bằng phương pháp các-bon phóng xạ là khoảng 24.000 năm.
Để kiểm tra, nhóm nghiên cứu còn tự đông lạnh luân trùng hiện đại và rã đông lại, cho thấy chúng chịu được cả quá trình đóng băng chậm, vốn dễ gây hại vì tinh thể băng có thời gian lớn lên. Họ cũng giải trình tự ADN để xác định luân trùng cổ thuộc chi nào và so với họ hàng hiện nay.
Giun tròn 46.000 năm
Trước đó, năm 2018, cùng nhóm nghiên cứu ở Pushchino đã báo cáo hồi sinh giun tròn từ băng vĩnh cửu Kolyma, với tuổi ước tính vài chục nghìn năm. Năm 2023, một công bố quốc tế trên tạp chí PLOS Genetics mô tả kỹ một trong những con giun đó như một loài mới, đặt tên Panagrolaimus kolymaensis. Vật liệu thực vật trong cùng lớp đất được định tuổi các-bon phóng xạ khoảng 46.000 năm, tức thời kỳ người Neanderthal còn sống ở châu Âu.
Loài giun này cũng sinh sản đơn tính. Phân tích cho thấy chúng có bộ máy phân tử để chịu khô, trong đó có khả năng tạo đường trehalose. Thí nghiệm cho thấy nếu được làm khô nhẹ trước khi đông lạnh, giun sống sót tốt hơn hẳn. Điều này gợi ý chúng đã vào trạng thái ngủ khi đất khô dần trước khi đóng băng, và chính bước "chuẩn bị" ấy giúp chúng trụ được rất lâu.
Tiềm sinh: sống mà như không sống
Cả luân trùng lẫn giun tròn trong các câu chuyện này đều dùng một chiến lược chung là tiềm sinh, trạng thái mà trao đổi chất giảm tới mức gần như không đo được. Tiềm sinh có nhiều dạng, tuỳ tác nhân gây ra:
| Dạng tiềm sinh | Do đâu | Ví dụ |
|---|---|---|
| Do khô (anhydrobiosis) | Mất gần hết nước | Luân trùng bdelloid, gấu nước, giun tròn, trứng Artemia |
| Do lạnh (cryobiosis) | Đóng băng | Giun tròn và luân trùng trong băng vĩnh cửu |
| Do thiếu ô-xy (anoxybiosis) | Ngập nước, không có ô-xy | Một số giun tròn, phôi Artemia |
| Do mặn (osmobiosis) | Nước quá mặn | Một số sinh vật hồ muối |
Trong tiềm sinh, nguy hiểm lớn nhất là cấu trúc bên trong tế bào bị phá huỷ: màng tế bào dính vào nhau khi mất nước, protein biến dạng, tinh thể băng đâm thủng tế bào, ADN gãy đứt. Sinh vật tiềm sinh đối phó bằng vài công cụ:
- Đường trehalose: khi nước mất đi, đường này đông lại thành dạng như thuỷ tinh, giữ mọi thứ đứng yên tại chỗ thay vì xẹp và dính vào nhau.
- Protein bảo vệ khi khô: các protein thuộc nhóm LEA và protein "bảo mẫu" ôm giữ protein khác để chúng không vón cục.
- Sửa chữa ADN sau khi thức dậy: luân trùng bdelloid nổi tiếng có khả năng sửa ADN gãy đứt rất giỏi, điều được cho là liên quan tới khả năng chịu khô của chúng.
- Đóng băng chậm có kiểm soát: nước thoát dần ra ngoài tế bào trước khi băng hình thành, giảm tinh thể băng bên trong.
Có chắc chúng thật sự ngủ hàng chục nghìn năm
Đây là câu hỏi các nhà khoa học đặt ra trước tiên. Có ba điểm cần thận trọng:
- Tuổi đo là tuổi của đất, không phải của con vật. Phương pháp các-bon phóng xạ đo vật liệu hữu cơ trong lớp đất. Muốn tin sinh vật cùng tuổi, phải chắc rằng chúng không lọt xuống từ lớp trên sau này.
- Nguy cơ nhiễm bẩn. Luân trùng và giun tròn có mặt khắp nơi. Nhóm nghiên cứu dùng kỹ thuật lấy mẫu vô trùng, bỏ lớp ngoài của lõi khoan và chọn những lõi lấy từ lớp băng vĩnh cửu chưa từng tan. Họ lập luận rằng nước tan từ trên không thể thấm xuống lớp đất vẫn đóng băng liên tục.
- Chưa lặp lại độc lập nhiều lần. Các phát hiện chủ yếu đến từ một nhóm mẫu và một số ít phòng thí nghiệm. Giới khoa học nói chung chấp nhận kết quả là đáng tin, nhưng những con số như "46.000 năm" nên hiểu là ước tính tốt nhất hiện có.
Cũng cần phân biệt với các câu chuyện khác về "sống lại từ băng": virus khổng lồ được hồi sinh từ băng vĩnh cửu để thử lây nhiễm trên amip, hay cây Silene stenophylla được các nhà khoa học Nga tái sinh năm 2012 từ mô quả trong hang sóc cổ khoảng 32.000 năm. Trường hợp cây là nuôi cấy mô trong phòng thí nghiệm, không phải hạt tự nảy mầm. Mỗi câu chuyện có cách làm và mức chắc chắn riêng.
Vì sao điều này quan trọng
Thứ nhất, nó cho thấy giới hạn thời gian của tiềm sinh dài hơn nhiều so với ta tưởng. Trước đó, kỷ lục quen thuộc ở động vật chỉ là vài chục năm, chẳng hạn gấu nước hay giun tròn trong mẫu rêu khô lưu trữ ở bảo tàng.
Thứ hai, nó mở ra câu hỏi tiến hoá thú vị. Một quần thể ngủ 46.000 năm rồi thức dậy, về mặt di truyền, là một "cỗ máy thời gian": nó mang bộ gen của tổ tiên chưa trải qua hàng nghìn thế hệ chọn lọc tự nhiên. So sánh với họ hàng ngày nay có thể cho biết tiến hoá diễn ra nhanh tới đâu.
Thứ ba, hiểu cách tế bào chịu được đông lạnh lâu có thể giúp cải tiến kỹ thuật bảo quản tế bào, mô và cơ quan ở nhiệt độ thấp, dù khoảng cách từ con giun bé xíu tới mô người là rất lớn.
Góc nhìn hôm nay
Khi băng vĩnh cửu tan dần do khí hậu ấm lên, nhiều sinh vật đã ngủ hàng nghìn năm có thể được đánh thức một cách tự nhiên. Phần lớn là vô hại, như những con luân trùng và giun tròn ăn vi khuẩn này. Câu hỏi về mầm bệnh cổ thì được các nhà khoa học theo dõi nghiêm túc, nhưng không nên phóng đại thành chuyện kinh dị.
Muốn quan sát họ hàng của những sinh vật này, chỉ cần một ít rêu khô trên mái ngói hay thân cây, ngâm vào nước sạch vài giờ rồi soi dưới kính hiển vi học sinh: rất có thể sẽ thấy luân trùng xoay vành lông và gấu nước bò chậm chạp, vừa tỉnh dậy sau những ngày khô. Sách phổ biến khoa học về vi sinh vật nước ngọt và các bài tổng quan về "cryptobiosis" là chỗ tốt để đọc tiếp.
Câu hỏi thường gặp
Sinh vật nào sống lại sau thời gian đông lạnh lâu nhất?
Trong động vật, kỷ lục được công bố là giun tròn Panagrolaimus kolymaensis, hồi sinh từ lớp đất băng vĩnh cửu có tuổi khoảng 46.000 năm, công bố năm 2023. Luân trùng bdelloid khoảng 24.000 năm, công bố năm 2021, đứng sau.
Luân trùng là con gì?
Luân trùng là động vật đa bào rất nhỏ, thường dưới một milimét, có vành lông rung quanh miệng như bánh xe quay. Chúng sống trong nước ngọt, rêu, đất ẩm, và nhóm bdelloid chỉ có con cái, sinh sản đơn tính.
Tiềm sinh là gì?
Tiềm sinh là trạng thái trao đổi chất giảm tới mức gần như không đo được, giúp sinh vật chịu khô, đông lạnh, thiếu ô-xy hay mặn quá mức. Khi điều kiện thuận lợi trở lại, sinh vật hoạt động bình thường.
Làm sao biết giun tròn đã ngủ 46.000 năm?
Các nhà khoa học định tuổi vật liệu thực vật trong cùng lớp đất bằng phương pháp các-bon phóng xạ, và lấy mẫu từ lớp băng vĩnh cửu chưa từng tan để giảm nguy cơ sinh vật lọt xuống sau này. Con số là ước tính tốt nhất, chưa được nhiều phòng thí nghiệm lặp lại.
Băng vĩnh cửu tan có làm sống lại sinh vật cổ nguy hiểm không?
Phần lớn sinh vật được đánh thức là vô hại như luân trùng, giun tròn ăn vi khuẩn. Khả năng mầm bệnh cổ trở lại được giới khoa học theo dõi, nhưng hiện chưa có bằng chứng về mối nguy lớn cho con người.