Ốc chân vảy: con ốc mặc giáp sắt ở miệng phun thuỷ nhiệt Ấn Độ Dương

Ốc chân vảy (Chrysomallon squamiferum) là loài ốc biển sâu sống quanh miệng phun thuỷ nhiệt ở Ấn Độ Dương, nổi tiếng vì vỏ và lớp vảy phủ chân có chứa sắt sunfua, tức là được "mạ sắt" ngay trong cơ thể sống. Nó gần như không ăn theo kiểu thông thường: vi khuẩn cộng sinh trong một tuyến lớn ở cổ họng ốc dùng hoá chất từ miệng phun để tạo thức ăn. Đây là một trong những ví dụ rõ nhất về cách sinh vật thích nghi với hoá học khắc nghiệt của đáy biển.

Phát hiện ở đâu và khi nào

Ốc chân vảy được phát hiện năm 2001 tại bãi miệng phun Kairei trên sống núi giữa Ấn Độ Dương, ở độ sâu khoảng 2.400 đến 2.900 m. Sau đó người ta tìm thấy nó ở thêm hai bãi miệng phun khác là Solitaire và Longqi. Tính tới nay, cả thế giới chỉ biết ba nơi có loài ốc này, mỗi nơi rộng chưa tới vài sân bóng.

Dù được biết tới từ đầu thập niên 2000 và được giới nghiên cứu gọi bằng biệt danh "ốc chân vảy", loài này chỉ được mô tả khoa học chính thức với tên Chrysomallon squamiferum vào năm 2015. Tên chi Chrysomallon có nghĩa là "lông vàng", gợi đến ánh kim của sắt sunfua; còn squamiferum nghĩa là "mang vảy".

Con ốc không lớn: vỏ thường chỉ vài centimet. Điều làm nó nổi bật là cấu trúc, không phải kích thước.

Miệng phun thuỷ nhiệt là môi trường thế nào

Miệng phun thuỷ nhiệt là chỗ nước biển ngấm xuống lớp vỏ Trái Đất gần các sống núi giữa đại dương, bị magma đun nóng, hoà tan khoáng chất rồi phun trở lại. Dòng nước phun ra có thể nóng hàng trăm độ C, giàu hydro sunfua, kim loại hoà tan như sắt, đồng, kẽm, và có tính axit. Chỉ cách đó vài mét, nước biển lại lạnh khoảng 2 độ C.

Với hầu hết sinh vật, đây là hỗn hợp chết người: hydro sunfua độc, nhiệt độ thay đổi thất thường, kim loại nặng nhiều. Nhưng cũng chính các hoá chất đó là nguồn năng lượng. Ở nơi không có ánh nắng, sự sống quanh miệng phun dựa trên hoá tổng hợp: vi khuẩn lấy năng lượng từ việc oxy hoá hydro sunfua hoặc các chất khử khác, rồi dùng năng lượng đó để biến khí CO₂ thành chất hữu cơ, giống như cây xanh dùng ánh sáng để làm việc này.

Ốc chân vảy đã biến cả hai mặt của miệng phun, mặt độc và mặt giàu năng lượng, thành lợi thế cho mình.

Bộ giáp ba lớp mạ sắt

Vỏ của ốc chân vảy có ba lớp, mỗi lớp một chất liệu và một nhiệm vụ:

Phần chân thịt của ốc, thứ mà ở các loài ốc khác lộ ra mềm mại, ở loài này phủ kín hàng trăm mảnh vảy nhỏ xếp chồng như ngói lợp. Các mảnh vảy này cũng được khoáng hoá bằng sắt sunfua ở quần thể Kairei, khiến con ốc có màu đen ánh kim. Sắt sunfua có từ tính, nên người ta từng thử hút những con ốc này bằng nam châm.

Năm 2010, một nhóm kỹ sư vật liệu ở Mỹ đã phân tích cơ học vỏ ốc và mô phỏng lực kẹp của càng cua. Kết quả cho thấy cấu trúc nhiều lớp phân tán lực rất tốt: lớp ngoài cứng làm vết nứt rẽ nhánh thành nhiều đường nhỏ, lớp hữu cơ ở giữa hút năng lượng, nên vỏ khó bị bẻ vỡ hơn một vỏ cùng độ dày làm từ một chất liệu. Nghiên cứu này được giới kỹ thuật chú ý vì gợi ý cách thiết kế áo giáp nhiều lớp.

Sắt sunfua đến từ đâu

Câu hỏi ốc tự làm ra lớp sắt hay lớp sắt tự kết tủa lên vỏ đến nay vẫn được nghiên cứu. Ý kiến được chấp nhận rộng rãi là con ốc tiết ra một lớp nền hữu cơ, rồi sắt và lưu huỳnh trong nước miệng phun phản ứng tại đó để tạo khoáng. Bằng chứng mạnh nhất đến từ chính các quần thể: ở bãi Solitaire, nước miệng phun ít sắt hơn, và ốc ở đây có vảy màu trắng, gần như không có lớp sắt sunfua. Như vậy cùng một loài, lớp "mạ sắt" có hay không tuỳ vào hoá học của nơi nó sống. Vai trò của vi khuẩn trong quá trình này vẫn còn được bàn.

Ăn nhờ vi khuẩn sống trong cổ họng

Khi mổ ốc chân vảy, các nhà khoa học thấy hệ tiêu hoá của nó rất nhỏ so với cơ thể. Thay vào đó là một tuyến thực quản phình to, chiếm một phần lớn thân ốc. Trong tuyến này sống dày đặc vi khuẩn cộng sinh thuộc nhóm có khả năng oxy hoá lưu huỳnh.

Mối quan hệ diễn ra như sau: con ốc hấp thu hydro sunfua, oxy và CO₂ từ nước qua mang, rồi đưa tới vi khuẩn bằng hệ tuần hoàn. Vi khuẩn dùng hydro sunfua làm nguồn năng lượng để cố định CO₂ thành chất hữu cơ. Con ốc sống bằng phần chất hữu cơ đó. Đổi lại, vi khuẩn có một chỗ ở an toàn, ổn định, được cung cấp nguyên liệu đều đặn.

Để nuôi được "nhà máy" trong người, ốc chân vảy có trái tim rất to so với cơ thể, lớn hơn nhiều so với các loài ốc họ hàng. Các nhà nghiên cứu cho rằng tim lớn là để bơm đủ máu chở khí tới tuyến cộng sinh, vì nước quanh miệng phun thường thiếu oxy. Đây là ví dụ hay về việc một thích nghi kéo theo một chuỗi thích nghi khác: chọn sống nhờ vi khuẩn thì phải thay đổi cả hệ tuần hoàn.

So với giun ống khổng lồ

Giun ống khổng lồ Riftia ở các miệng phun Thái Bình Dương cũng không có miệng và ruột, sống hoàn toàn nhờ vi khuẩn trong một cơ quan đặc biệt. Ốc chân vảy và giun ống thuộc hai ngành động vật khác hẳn nhau, nhưng đều đi tới một giải pháp chung: mang vi khuẩn hoá tổng hợp vào trong cơ thể. Khi hai nhóm xa nhau cùng tìm ra một lời giải, ta gọi đó là tiến hoá hội tụ.

Bộ giáp để chống lại ai

Một bộ giáp nặng như vậy chắc phải có lý do. Quanh các miệng phun Ấn Độ Dương có cua và ốc săn mồi, trong đó có loài ốc săn mồi thuộc nhóm họ hàng với ốc cối (Conoidea), dùng răng phóng như mũi tên để tấn công con mồi. Nhiều nhà khoa học cho rằng lớp vảy che chân là để chống những cú đâm kiểu đó, còn vỏ nhiều lớp là để chống càng cua kẹp.

Cũng có giả thuyết khác: lớp sắt sunfua có thể là cách con ốc "xả" lưu huỳnh thừa, tránh để chất độc tích tụ trong cơ thể. Hai cách giải thích không loại trừ nhau. Một đặc điểm tiến hoá có thể bắt đầu vì một lý do rồi được giữ lại vì lý do khác, điều này rất thường gặp trong tự nhiên.

Loài đầu tiên bị đe doạ vì khai khoáng biển sâu

Năm 2019, Liên minh Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế (IUCN) đưa ốc chân vảy vào Sách Đỏ với mức Nguy cấp. Đây là loài đầu tiên được xếp hạng đe doạ chủ yếu vì nguy cơ khai khoáng đáy biển sâu. Lý do: các miệng phun nơi nó sống chứa quặng sunfua giàu kim loại như đồng, kẽm, vàng. Hai trong ba bãi miệng phun có ốc chân vảy nằm trong vùng đã được cấp giấy phép thăm dò khoáng sản.

Với một loài chỉ sống ở ba điểm nhỏ trên cả hành tinh, mất một điểm là mất một phần ba số quần thể. Ấu trùng ốc có thể trôi theo dòng nước để tới bãi khác, nhưng khả năng phát tán thực tế đến đâu thì vẫn đang được nghiên cứu.

Các mốc chính

• 2001: Phát hiện ở bãi miệng phun Kairei, Ấn Độ Dương.
• Thập niên 2000: Tìm thấy thêm ở bãi Solitaire, rồi Longqi; ghi nhận quần thể vảy trắng ở Solitaire.
• 2010: Công bố phân tích cơ học về vỏ ba lớp.
• 2015: Loài được đặt tên khoa học chính thức.
• 2019: Được IUCN xếp hạng Nguy cấp.
• 2020: Bộ gen của loài được giải trình tự, giúp tìm các gen liên quan tới tạo khoáng.

Góc nhìn hôm nay

Ốc chân vảy cho ta thấy sự sống không chỉ chịu đựng môi trường khắc nghiệt mà còn biết dùng chính cái khắc nghiệt đó làm vật liệu. Sắt hoà tan đáng lẽ là thứ độc, lại thành giáp. Hydro sunfua đáng lẽ là thứ độc, lại thành thức ăn nhờ vi khuẩn.

Câu chuyện của nó cũng đặt ra câu hỏi mà nhiều nước đang phải trả lời: nên khai thác khoáng sản đáy biển sâu đến đâu khi ta còn chưa hiểu hết những gì sống ở đó. Cơ quan Quyền lực Đáy biển Quốc tế (ISA) là nơi bàn các quy định cho vùng biển quốc tế.

Muốn tìm hiểu thêm, có thể:

• Tìm ảnh và video ốc chân vảy do các viện hải dương học công bố; nhiều bảo tàng tự nhiên lớn trên thế giới có mẫu vật trưng bày.
• Đọc về hoá tổng hợp và miệng phun thuỷ nhiệt để thấy cả một hệ sinh thái không cần ánh nắng.
• Tìm hiểu khái niệm tiến hoá hội tụ qua cặp ốc chân vảy và giun ống khổng lồ.