Mắt của sinh vật biển sâu tiến hoá theo hai hướng ngược nhau: ở tầng nước còn chút ánh sáng xanh mờ hoặc nhiều ánh sáng sinh học, mắt to lên, biến thành mắt ống, mắt gương, hoặc mang hàng chục gen cảm quang để bắt từng hạt sáng; còn ở nơi tối hẳn và ít tín hiệu, mắt thu nhỏ hoặc biến mất. Lý do là mắt rất tốn năng lượng, nên chọn lọc tự nhiên chỉ giữ mắt lớn khi có thứ đáng nhìn. Đây là ví dụ rõ về việc một cơ quan được "đầu tư" hay "cắt giảm" tuỳ theo môi trường.
Ánh sáng tắt dần theo độ sâu
Ánh nắng đi vào biển bị nước hấp thụ dần. Màu đỏ mất trước tiên, chỉ sau vài chục mét. Màu xanh lam đi xa nhất. Ở độ sâu khoảng 200 m, lượng ánh sáng chỉ còn rất nhỏ so với mặt nước, đủ để mắt nhạy nhận ra bóng dáng nhưng không đủ cho quang hợp. Đến khoảng 1.000 m, ánh nắng gần như không còn.
Tầng nước từ 200 đến 1.000 m được gọi là vùng chạng vạng. Dưới đó là vùng nửa đêm, nơi ánh sáng duy nhất đến từ sinh vật phát quang. Hai vùng đặt ra hai bài toán khác nhau cho đôi mắt:
- Ở vùng chạng vạng: nhìn thấy bóng đen của con mồi hoặc kẻ thù in trên nền sáng mờ phía trên.
- Ở vùng nửa đêm: bắt được những đốm sáng ngắn ngủi do sinh vật phát ra, xác định đúng hướng và khoảng cách.
Mắt to: bắt từng hạt ánh sáng
Cách thẳng nhất để thấy trong tối là mở cửa sổ thật rộng. Mắt to hơn và con ngươi rộng hơn thu được nhiều ánh sáng hơn. Nhiều loài cá, mực, giáp xác ở vùng chạng vạng có đôi mắt to bất thường so với thân.
Ví dụ cực đoan là mực khổng lồ và mực siêu khổng lồ, có nhãn cầu đường kính khoảng 27 cm, cỡ một quả bóng đá nhỏ, là đôi mắt lớn nhất từng được đo trong giới động vật. Năm 2012, một nhóm nhà khoa học Thuỵ Điển và cộng sự tính toán rằng mắt to cỡ đó không giúp nhiều trong việc thấy con mồi nhỏ, nhưng lại rất có ích để phát hiện một vật thể lớn đang di chuyển ở xa, như con cá nhà táng, nhờ vệt sáng do sinh vật phát quang bị khuấy lên quanh nó. Theo giả thuyết này, đôi mắt khổng lồ là "radar" cảnh báo sớm kẻ săn mồi lớn nhất của mực. Giả thuyết được nhiều người chú ý nhưng vẫn có ý kiến khác.
Bên trong mắt, cá biển sâu cũng thay đổi:
- Võng mạc gần như toàn tế bào que: tế bào que nhạy với ánh sáng yếu, còn tế bào nón dùng để nhìn màu thì ít hoặc không có.
- Tế bào que dài và xếp nhiều tầng: một số loài có võng mạc với nhiều lớp tế bào que chồng lên nhau, giúp hạt ánh sáng đi qua lớp này vẫn có thể bị lớp sau bắt.
- Lớp phản quang sau võng mạc: giống mắt mèo, lớp này phản chiếu ánh sáng chưa được hấp thụ để võng mạc có lần thứ hai bắt nó.
Mắt ống: nhìn lên bầu trời mờ
Ở vùng chạng vạng, nguy hiểm và thức ăn thường xuất hiện như một bóng đen phía trên. Nhiều loài cá đã phát triển mắt ống: nhãn cầu kéo dài thành hình trụ, chĩa thẳng lên. Mắt ống có thấu kính lớn, thu nhiều ánh sáng từ phía trên, đổi lại tầm nhìn sang hai bên rất hẹp.
Cá rìu bạc (hatchetfish), một số loài cá đèn và nổi tiếng nhất là cá barreleye Macropinna microstoma có mắt ống. Barreleye còn có đầu trong suốt và đôi mắt xoay được, cho phép nó vừa nhìn lên tìm mồi vừa xoay mắt ra trước khi đưa miệng tới con mồi. Nhiều loài mắt ống có thêm một vùng võng mạc phụ hoặc cấu trúc phụ để bắt ánh sáng từ hai bên, bù lại phần nào điểm mù.
Mắt gương: con cá dùng gương thay thấu kính
Hầu hết mắt động vật có xương sống tạo ảnh bằng thấu kính, giống máy ảnh. Cá mắt gương Dolichopteryx longipes là một ngoại lệ hiếm hoi. Mỗi bên mắt của nó chia làm hai phần: một phần nhìn lên bằng thấu kính bình thường, một phần nhìn xuống dưới dùng một tấm gương cong làm từ các tinh thể sinh học xếp lớp để hội tụ ánh sáng lên võng mạc.
Phát hiện này được công bố năm 2009, sau khi các nhà khoa học bắt được một con còn sống ngoài khơi Thái Bình Dương. Đây được coi là trường hợp đầu tiên ở động vật có xương sống dùng gương để tạo ảnh trong mắt. Công dụng được cho là để phát hiện các tia sáng sinh học loé lên ở phía dưới, nơi phần mắt thấu kính không nhìn tới.
Mắt gen: 38 phiên bản protein nhìn trong tối
Ở cấp phân tử, mắt nhìn được nhờ các protein cảm quang gọi là opsin. Người có một loại opsin cho tế bào que (rhodopsin) và ba loại cho tế bào nón, giúp ta thấy màu. Phần lớn động vật có xương sống có một gen opsin que.
Năm 2019, một nghiên cứu lớn phân tích bộ gen của hơn trăm loài cá công bố trên tạp chí Science phát hiện ra điều bất ngờ: một số loài cá biển sâu có nhiều bản sao gen opsin que. Kỷ lục là cá vây gai bạc (Diretmus argenteus) với 38 gen opsin que, các bản sao có độ nhạy hơi lệch nhau theo bước sóng. Các tác giả cho rằng nhờ đó loài cá này có thể phân biệt được những sắc độ khác nhau của ánh sáng sinh học, một kiểu "nhìn màu" trong bóng tối bằng tế bào que thay vì tế bào nón. Cơ chế cụ thể vẫn đang được nghiên cứu thêm.
Mắt nhỏ hoặc không có mắt
Ở chiều ngược lại, nhiều sinh vật đáy biển sâu có mắt rất nhỏ hoặc gần như mất mắt. Cá ốc sên ở rãnh đại dương có mắt nhỏ và bộ gen đã mất nhiều gen liên quan tới thị giác. Một số loài cá ở đáy biển thẳm như cá ba chân có mắt rất bé, dựa vào các tia vây kéo dài để cảm nhận rung động trong nước.
Lý do là mắt rất đắt. Võng mạc là một trong những mô tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong cơ thể. Ở nơi gần như không có gì để nhìn, giữ một đôi mắt lớn là phí. Đột biến làm hỏng gen thị giác không bị loại bỏ, và có khi còn được ưu tiên vì giúp tiết kiệm năng lượng cho việc khác.
Con tôm "không mắt" lại nhìn được ánh sáng của miệng phun
Tôm Rimicaris exoculata sống thành đàn dày đặc quanh miệng phun thuỷ nhiệt ở Đại Tây Dương. Tên exoculata có nghĩa là "không mắt", vì nó không có mắt kép như tôm thường. Nhưng cuối thập niên 1980, các nhà khoa học phát hiện trên lưng nó có một cơ quan cảm quang rộng, chứa sắc tố giống rhodopsin. Cùng thời gian, người ta đo được rằng miệng phun thuỷ nhiệt phát ra ánh sáng rất mờ do nhiệt, mắt người không thấy được. Giả thuyết được đưa ra là con tôm dùng cơ quan này để cảm nhận vùng nước nóng, tránh bị luộc chín khi kiếm ăn sát miệng phun. Giả thuyết hấp dẫn nhưng vẫn chưa được chứng minh đầy đủ.
Bảng tóm tắt các kiểu mắt
| Kiểu mắt | Ví dụ | Lợi thế | Đánh đổi |
|---|---|---|---|
| Mắt to, toàn tế bào que | Mực khổng lồ, nhiều cá vùng chạng vạng | Thu nhiều ánh sáng | Tốn năng lượng, không phân biệt màu |
| Mắt ống | Cá barreleye, cá rìu bạc | Thấy rõ bóng đen phía trên | Tầm nhìn hai bên hẹp |
| Mắt gương | Cá mắt gương Dolichopteryx | Nhìn được cả trên lẫn dưới | Cấu trúc phức tạp, hiếm gặp |
| Nhiều gen opsin que | Cá vây gai bạc | Có thể phân biệt sắc độ ánh sáng sinh học | Còn đang nghiên cứu |
| Mắt nhỏ hoặc tiêu biến | Cá ốc sên hadal, tôm miệng phun | Tiết kiệm năng lượng | Phụ thuộc giác quan khác |
Góc nhìn hôm nay
Đôi mắt sinh vật biển sâu là bằng chứng sống động cho việc tiến hoá không có "mục tiêu" là hoàn hảo. Cùng một cơ quan có thể to ra, đổi hình, thêm gen hoặc biến mất, tuỳ theo môi trường thưởng hay phạt nó. Nghiên cứu mắt cá biển sâu còn được giới kỹ thuật quan tâm khi thiết kế camera và cảm biến hoạt động trong điều kiện thiếu sáng.
Muốn tìm hiểu thêm:
- So sánh mắt cá biển sâu với mắt của cá hang động mù, một trường hợp mất mắt khác do sống trong bóng tối, có thể tìm thấy ở các hang động lớn.
- Tìm hiểu về tế bào que và tế bào nón trong sách sinh học phổ thông để hiểu vì sao ban đêm ta thấy mọi vật màu xám.
- Xem các video cá barreleye và cá rìu bạc do các viện hải dương học công bố để thấy tận mắt hình dạng mắt ống.
Câu hỏi thường gặp
Cá biển sâu có nhìn thấy không?
Nhiều loài có. Ở vùng chạng vạng, cá có mắt to, mắt ống để nhìn bóng con mồi trên nền sáng mờ. Ở vùng tối hẳn, mắt dùng để bắt ánh sáng do sinh vật phát ra. Một số loài sống ở đáy rất sâu thì mắt nhỏ hoặc gần như mất.
Loài vật nào có mắt to nhất?
Mực khổng lồ và mực siêu khổng lồ có nhãn cầu đường kính khoảng 27 cm, lớn nhất từng được đo trong giới động vật. Một giả thuyết cho rằng đôi mắt này giúp phát hiện cá nhà táng từ xa.
Mắt ống là gì?
Mắt ống là nhãn cầu kéo dài thành hình trụ, thường chĩa lên trên, có ở cá barreleye, cá rìu bạc và nhiều cá vùng chạng vạng. Kiểu mắt này thu nhiều ánh sáng từ phía trên nhưng tầm nhìn hai bên hẹp.
Vì sao một số cá biển sâu không có mắt?
Mắt và võng mạc tiêu tốn nhiều năng lượng. Ở nơi gần như không có ánh sáng hay tín hiệu đáng nhìn, giữ mắt lớn không mang lại lợi ích, nên các đột biến làm mắt nhỏ đi không bị loại bỏ, và có thể còn được ưu tiên.
Cá biển sâu có nhìn được màu không?
Phần lớn chỉ có tế bào que nên được cho là không nhìn màu theo kiểu thông thường. Riêng cá vây gai bạc có tới 38 gen opsin que, và các nhà khoa học cho rằng nó có thể phân biệt sắc độ của ánh sáng sinh học.