Phát quang sinh học phổ biến ở biển sâu tới mức trong các đợt khảo sát cột nước ngoài khơi California, khoảng ba phần tư số động vật quan sát được có khả năng phát sáng. Khả năng này không chỉ xuất hiện một lần rồi truyền lại, mà đã tiến hoá độc lập ít nhất vài chục lần trong lịch sử sự sống, riêng ở cá vây tia đã khoảng 27 lần. Lý do là ở nơi không có ánh nắng, ánh sáng là tín hiệu quý nhất, và hoá học để tạo ra nó hoá ra không khó như ta tưởng.
Bao nhiêu sinh vật biển sâu biết phát sáng
Năm 2017, hai nhà khoa học Séverine Martini và Steven Haddock công bố phân tích kho video tích luỹ qua nhiều năm do robot lặn quay ở vịnh Monterey, từ mặt nước tới độ sâu gần 4.000 m. Họ đếm từng động vật xuất hiện trong khung hình và đối chiếu với hiểu biết về khả năng phát quang của từng nhóm. Kết quả: khoảng 76% số cá thể quan sát được là sinh vật phát quang.
Tỉ lệ này thay đổi theo nhóm và độ sâu. Ở nhóm sứa và sinh vật dạng keo, gần như tất cả đều phát sáng. Ở cá, phần lớn cá vùng chạng vạng và vùng nửa đêm có cơ quan phát quang. Trong khi đó, ở các sinh vật sống trên đáy, tỉ lệ thấp hơn. Dù sao, con số chung cho thấy trong tầng nước giữa của đại dương, phát sáng mới là bình thường, không phát sáng mới là ngoại lệ.
Tiến hoá độc lập nhiều lần
Khi so sánh cây phát sinh loài với danh sách sinh vật phát sáng, các nhà sinh học thấy những loài biết phát sáng nằm rải rác ở rất nhiều nhánh không gần nhau: vi khuẩn, tảo đơn bào, sứa, giun, giáp xác, mực, sao biển, cá, cả nấm và côn trùng trên cạn. Nếu khả năng này chỉ xuất hiện một lần ở một tổ tiên chung rồi truyền lại, ta sẽ thấy nó tập trung ở một nhánh. Thực tế cho thấy nó đã "được phát minh" nhiều lần.
- Toàn bộ sự sống: một bài tổng quan năm 2010 của Steven Haddock và cộng sự ước tính phát quang sinh học đã tiến hoá độc lập ít nhất khoảng 40 lần, có thể nhiều hơn.
- Riêng cá vây tia: một nghiên cứu năm 2016 xác định khoảng 27 lần tiến hoá độc lập, phần lớn ở các loài sống tầng giữa và biển sâu.
- Mốc cổ nhất được biết: một nghiên cứu năm 2024 trên san hô mềm ước tính tổ tiên của nhóm này đã có khả năng phát quang từ khoảng 540 triệu năm trước, đẩy lùi đáng kể mốc sớm nhất được biết ở động vật.
Các con số này là ước tính dựa trên dữ liệu hiện có, và sẽ thay đổi khi thêm loài được nghiên cứu.
Vì sao dễ tiến hoá đến vậy
Hoá học đơn giản
Phát quang sinh học cần hai thành phần chính: một chất phát sáng gọi chung là luciferin, và một enzyme thúc đẩy phản ứng oxy hoá chất đó gọi là luciferase. Khi luciferin bị oxy hoá, năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng thay vì nhiệt.
Điều thú vị là ở biển, rất nhiều nhóm sinh vật khác nhau dùng chung một loại luciferin tên là coelenterazine. Nhiều loài không tự tổng hợp chất này mà lấy từ thức ăn, giống như ta lấy vitamin từ rau quả. Nghĩa là "nhiên liệu" đã có sẵn trong chuỗi thức ăn. Một loài chỉ cần tiến hoá ra một enzyme đủ tốt để đốt nó.
Enzyme mượn từ việc khác
Các luciferase ở những nhóm khác nhau thường có cấu trúc rất khác nhau, cho thấy chúng tiến hoá từ những enzyme vốn làm việc khác. Một giả thuyết được nhiều người ủng hộ là ban đầu, các phản ứng oxy hoá này có chức năng chống oxy hoá, giúp tế bào khử các dạng oxy độc. Ánh sáng chỉ là sản phẩm phụ. Khi sinh vật sống ở tầng nước tối, sản phẩm phụ đó trở nên có ích, và chọn lọc tự nhiên bắt đầu tinh chỉnh nó thành một công cụ.
Mượn vi khuẩn
Một con đường khác là không tự phát sáng mà nuôi vi khuẩn phát sáng trong một cơ quan riêng. Mồi câu của cá cần câu và cơ quan phát sáng dưới mắt của cá đèn pin (họ Anomalopidae) chứa vi khuẩn cộng sinh. Con vật cung cấp chỗ ở và dưỡng chất, vi khuẩn cung cấp ánh sáng. Cá đèn pin có thể "tắt đèn" bằng cách xoay cơ quan vào trong hoặc kéo một nếp da che lại.
Ánh sáng dùng để làm gì
| Công dụng | Cách hoạt động | Ví dụ |
|---|---|---|
| Xoá bóng (phát sáng phản chiếu) | Phát sáng ở bụng khớp với ánh sáng mờ từ trên xuống, xoá bóng đen khi nhìn từ dưới lên | Cá rìu bạc, nhiều loài mực nhỏ |
| Nhử mồi | Một điểm sáng thu hút con mồi lại gần | Cá cần câu, một số loài cá rồng |
| Đánh lạc hướng | Phun chất nhầy hoặc mây sáng rồi bỏ chạy | Mực ma cà rồng, một số tôm biển sâu |
| Báo động chống trộm | Phát sáng khi bị tấn công để thu hút kẻ săn mồi lớn hơn tới ăn kẻ tấn công | Tảo đơn bào, một số loài sứa |
| Nhận diện, tìm bạn | Mỗi loài có kiểu bố trí đốm sáng riêng | Cá đèn lồng |
| Rọi sáng | Chiếu sáng phía trước để tìm mồi | Cá đèn pin, cá rồng hàm rời dùng ánh đỏ |
Xoá bóng: ánh sáng để tàng hình
Ở vùng chạng vạng, kẻ săn mồi phía dưới nhìn lên sẽ thấy con mồi như một bóng đen in trên nền sáng mờ. Nhiều loài cá và mực giải quyết bằng cách phát sáng ở bụng, với cường độ và màu khớp với ánh sáng từ trên chiếu xuống. Bóng đen biến mất. Đây là một trong những công dụng phổ biến nhất của phát quang sinh học ở biển sâu, và cho thấy ánh sáng có thể dùng để trốn chứ không chỉ để gây chú ý.
Báo động chống trộm
Ý tưởng này nghe giống chuyện cổ tích nhưng được nhiều nhà khoa học ủng hộ. Khi một con giáp xác nhỏ đang ăn tảo phát sáng, tảo loé sáng quanh nó. Ánh sáng làm con giáp xác bị lộ trước cá săn mồi. Như vậy tảo không tự cứu được mình bằng ánh sáng, nhưng làm cho việc ăn nó trở nên nguy hiểm. Thí nghiệm trong phòng cho thấy giáp xác ăn tảo phát sáng dễ bị cá bắt hơn.
Màu xanh lam là màu chung
Phần lớn ánh sáng sinh học ở biển có màu xanh lam hoặc xanh lục lam, bước sóng khoảng 470 đến 490 nanomet. Lý do: nước biển cho ánh sáng xanh lam đi xa nhất, nên tín hiệu màu này truyền đi hiệu quả nhất. Cũng vì vậy, mắt của phần lớn sinh vật biển sâu nhạy nhất với ánh sáng xanh lam và không thấy ánh đỏ.
Ngoại lệ thú vị là một vài loài cá rồng biển sâu phát được ánh đỏ, dùng như đèn pha mà con mồi không nhận ra. Đây là ví dụ cho thấy khi gần như ai cũng chơi theo một luật, kẻ phá luật có thể có lợi thế lớn.
Góc nhìn hôm nay
Phát quang sinh học không chỉ là cảnh đẹp. Luciferase của đom đóm và protein phát quang của sứa đã trở thành công cụ phòng thí nghiệm quen thuộc, giúp các nhà sinh học theo dõi gen bật tắt trong tế bào. Hiểu vì sao phát quang tiến hoá nhiều lần cũng giúp các nhà khoa học tìm thêm những enzyme mới có ích.
Ở Việt Nam, có thể thấy một phần thế giới phát sáng này khá gần: biển phát sáng do tảo đơn bào ở một số bãi biển vào ban đêm, hay mực và cá được đánh bắt bằng đèn có cơ quan phát quang nhỏ ở bụng.
Muốn tìm hiểu thêm:
- Tìm đọc khái niệm "tiến hoá hội tụ" và dùng phát quang sinh học làm ví dụ, đây là một trong những ví dụ rõ nhất.
- Xem các video do robot lặn quay tầng nước giữa đại dương, nhiều đoạn được quay trong ánh sáng yếu để thấy chính ánh sáng sinh học.
- Tìm hiểu câu chuyện protein huỳnh quang xanh của sứa và Giải Nobel Hoá học năm 2008 để thấy phát quang sinh học đã đi vào phòng thí nghiệm thế nào.
Câu hỏi thường gặp
Bao nhiêu phần trăm sinh vật biển sâu phát sáng?
Một nghiên cứu năm 2017 phân tích video ở vịnh Monterey từ mặt nước tới gần 4.000 m cho thấy khoảng 76% số động vật quan sát được có khả năng phát quang. Tỉ lệ cao nhất ở sứa và sinh vật dạng keo, thấp hơn ở sinh vật sống trên đáy.
Phát quang sinh học đã tiến hoá bao nhiêu lần?
Theo các ước tính hiện nay, ít nhất khoảng 40 lần độc lập trong toàn bộ sự sống, riêng cá vây tia khoảng 27 lần. Con số có thể còn tăng khi nghiên cứu thêm nhiều loài.
Vì sao ánh sáng sinh học ở biển thường màu xanh?
Nước biển cho ánh sáng xanh lam đi xa nhất, nên tín hiệu màu này truyền hiệu quả nhất. Mắt của phần lớn sinh vật biển sâu cũng nhạy nhất với ánh sáng xanh lam.
Sinh vật biển sâu phát sáng để làm gì?
Để xoá bóng khi bị nhìn từ dưới lên, nhử mồi, đánh lạc hướng kẻ săn mồi, báo động thu hút kẻ săn mồi lớn hơn, nhận diện bạn đời và rọi sáng tìm mồi. Một loài có thể dùng ánh sáng cho nhiều mục đích.
Coelenterazine là gì?
Coelenterazine là một loại luciferin, chất phát sáng khi bị oxy hoá, được rất nhiều nhóm sinh vật biển dùng chung. Nhiều loài không tự tổng hợp mà lấy chất này từ thức ăn.