Kỳ tích sinh học - Ếch gỗ
(nps.gov)- Ếch gỗ trải qua mùa đông khắc nghiệt trong các khu rừng ở Alaska và miền bắc Canada trong trạng thái cơ thể bị đóng băng, rồi bắt đầu cử động trở lại khi mùa xuân đến
- Trong khi các loài ếch phương bắc khác duy trì thân nhiệt trên điểm đóng băng dưới nước, ếch gỗ ẩn trong lớp lá rụng trên nền rừng và tiếp xúc với không khí dưới 0°C
- Khi mùa đông bắt đầu, băng hình thành quanh các cơ quan nội tạng và giữa da với cơ, nhưng lượng lớn glucose do gan tạo ra ngăn hiện tượng đóng băng bên trong tế bào và mất nước
- Trong thời gian ngủ đông, mọi chuyển động cơ bắp, nhịp tim và hô hấp đều dừng lại; đến mùa xuân, cơ thể tan băng từ bên trong, chức năng trở lại theo thứ tự tim, não rồi chân
- Khả năng chịu đường huyết cao, đóng băng/rã đông và phục hồi sau khi tuần hoàn máu ngừng lại có thể liên quan đến nghiên cứu về bệnh tiểu đường, bảo quản cơ quan cấy ghép, cũng như điều trị nhồi máu cơ tim và đột quỵ
Chiến lược ngủ đông thích nghi với mùa đông vùng Vòng Bắc Cực
- Đặc điểm đáng kinh ngạc nhất của ếch gỗ không bộc lộ vào mùa hè, khi nòng nọc biến thành ếch, mà nằm ở quá trình ngủ đông mùa đông
- Các khu rừng ở Alaska và miền bắc Canada có biến động nhiệt độ cực đoan
- Vào mùa hè, ban ngày có thể kéo dài 24 giờ và nhiệt độ có thể tăng lên mức trên 90°F
- Vào mùa đông, -50°F không phải là hiếm
- Tại Prospect Creek, phía nam Brooks Range, nhiệt độ thấp nhất của Alaska từng được ghi nhận là -80°F
- Ếch là động vật biến nhiệt, nên thân nhiệt của chúng gần như bằng nhiệt độ không khí xung quanh
- Ếch gỗ là một loài lưỡng cư nhỏ phải chịu đựng những mùa đông cận Bắc Cực kéo dài như vậy
Loài ếch chọn nền rừng thay vì dưới nước
- Hầu hết các loài ếch phương bắc ngủ đông ở vùng nước sâu trong ao, hồ và suối
- Chúng trở nên lạnh và gần như bất động, nhưng thân nhiệt không giảm xuống dưới điểm đóng băng
- Ếch gỗ vùi mình trong lá rụng và mùn trên nền rừng để qua mùa đông
- Lá rụng, mùn và tuyết giúp giữ ấm ở một mức độ nhất định, nhưng không bảo vệ hoàn toàn khỏi nhiệt độ dưới 0°C như ngủ đông dưới nước
- Vì chiến lược này, ếch gỗ sống sót qua mùa đông trong trạng thái đóng băng
Cơ hội sinh sản nhờ đất liền tan băng nhanh
- Tuyết và đất trên đất liền tan và ấm lên nhanh hơn các hồ phủ băng, nhờ đó ếch gỗ có thể hoạt động rất sớm vào mùa xuân
- Những con ếch gỗ thức dậy sớm có thể giao phối và đẻ trứng cả trong các ao nhỏ hoặc vũng nước tuyết tan có thể khô cạn trước giữa mùa hè
- Các loài ếch ngủ đông dưới nước bắt đầu hoạt động muộn hơn, nên sinh sản cũng muộn hơn
- Những loài ếch sinh sản muộn cần nguồn nước lâu dài không bị khô cạn
Vì sao băng thường gây chết cho động vật
- Hầu hết động vật chỉ có thể sống sót nếu tránh được các điều kiện khiến mô thịt bị đóng băng
- Khi tinh thể băng hình thành trong cơ thể, nhiều tổn thương nối tiếp nhau xảy ra
- Tinh thể băng có thể đâm thủng mạch máu
- Nếu máu đóng băng, oxy và chất dinh dưỡng không thể được đưa đến các cơ quan, gây tổn thương chuyển hóa nghiêm trọng
- Băng hút nước khỏi tế bào, gây mất nước, làm rối loạn cấu trúc bên trong tế bào và phá hủy thành tế bào
- Những tổn thương này dẫn đến tổn thương nội tạng rộng khắp và gây chết
Cách để bên ngoài tế bào đóng băng còn bên trong được bảo vệ
- Mỗi năm, ếch gỗ có thể chịu đựng tối đa 8 tháng trong trạng thái cơ thể bị đóng băng cứng
- Khi mùa đông bắt đầu, băng nhanh chóng lấp đầy khoang bụng và bao quanh các cơ quan nội tạng
- Tinh thể băng cũng hình thành giữa da và cơ; thủy tinh thể bị đóng băng khiến mắt chuyển sang màu trắng
- Đồng thời, gan tạo ra lượng lớn glucose và đưa đến mọi tế bào trong cơ thể
- Dung dịch đường nhớt ngăn tế bào bị đóng băng
- Nó liên kết với các phân tử nước trong tế bào, làm giảm mất nước
- Cơ thể ếch gỗ cho phép băng hình thành ở bên ngoài tế bào và cơ quan, nhưng ngăn đóng băng bên trong tế bào để tránh tổn thương chí mạng
Thứ tự cơ thể ngừng lại rồi thức dậy
- Ếch gỗ đang ngủ đông không có chuyển động cơ bắp, không có nhịp tim và cũng không hô hấp
- Suốt mùa đông, chúng trông như một khối băng lạnh, cứng, có hình con ếch, nhưng trên thực tế vẫn sống trong trạng thái tạm dừng
- Khi mùa xuân đến, ếch gỗ tan băng từ bên trong ra bên ngoài
- Trước tiên, tim bắt đầu đập
- Tiếp theo, não được kích hoạt
- Cuối cùng, chân cử động
- Điều gì khiến trái tim từng bị đóng băng và bất hoạt suốt mùa đông phương bắc bắt đầu đập trở lại hiện vẫn chưa được biết
- Sau khi tan băng hoàn toàn, ếch gỗ đi xuyên qua khu rừng để tìm ao sinh sản hoặc vùng nước phù hợp
- Ngay cả trong những điều kiện gây chết cho gần như mọi loài động vật khác, ếch gỗ vẫn sống sót mà không bị tổn thương
Khả năng dẫn tới nghiên cứu y học cho con người
- Glucose trong máu ếch gỗ là yếu tố then chốt giúp ngăn tổn thương mô ở nhiệt độ mùa đông Bắc Cực khắc nghiệt
- Loại glucose này là cùng một chất với đường huyết ở mọi động vật có xương sống, bao gồm cả con người
- Ếch gỗ khi ngủ đông có thể chịu được đường huyết cao gấp 100 lần bình thường
- Ở bệnh nhân tiểu đường, đường huyết chỉ cao hơn bình thường 2 đến 10 lần cũng có thể gây tổn thương
- Hiểu được cách ếch gỗ chịu đựng điều này có thể giúp quản lý tăng đường huyết ở bệnh nhân tiểu đường
- Khả năng chống đóng băng của ếch gỗ có thể được ứng dụng để tìm cách đông lạnh và rã đông cơ quan người dùng cho cấy ghép mà không gây tổn thương
- Có thể kéo dài khoảng thời gian cho phép từ khi lấy cơ quan khỏi người hiến đến khi cấy ghép cho người nhận
- Nhờ đó có thể thực hiện được nhiều ca cấy ghép hơn
- Nguyên lý giúp chúng dừng tuần hoàn máu rồi khởi động lại sau nhiều tháng mà vẫn tránh được huyết khối hoặc tổn thương khác cũng là đối tượng nghiên cứu
- Hiểu cơ chế này có thể có giá trị trong điều trị những người bị ngừng dòng máu tạm thời do nhồi máu cơ tim hoặc đột quỵ
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Có một cuốn sách hay về cách động vật chịu đựng mùa đông khắc nghiệt là Winter World của Bernd Heinrich
Bernd là một nhà sinh học rất thú vị, nên ông đào sâu vấn đề. Ngay cả khi giải thích cách sóc vượt qua mùa đông trong sách, ông cũng đi từ các nguyên lý cơ bản, triển khai các phép tính như diện tích bề mặt cơ thể, duy trì thân nhiệt, nhiệt độ bên ngoài -40˚C, lượng nhiệt cần mỗi giờ, lượng calo trong một hạt thông
Thậm chí ông còn nhét hạt thông vào miệng một con sóc đã chết để đo xem tối đa nhét được bao nhiêu hạt, thu được con số 17 hạt, rồi tiếp tục tính toán dựa trên đó, nên khá thú vị
Sóc không trữ thức ăn trong miệng, mà cất trong kho, rồi thức dậy, đến kho ăn và ngủ tiếp. Chúng cũng không ra ngoài ở -40°C để gom hạt thông mới, và mùa đông thì trên cây cũng chẳng còn mấy hạt thông
Có lẽ ý của phép tính đó là cho thấy chiến lược ấy không tốt, nhưng phép tính trên cũng bỏ qua khả năng cách nhiệt của lông và chỗ ngủ
Phần “vẫn chưa ai biết điều gì khiến trái tim của wood frog vốn bị đóng băng và bất hoạt suốt mùa đông phương bắc bắt đầu đập trở lại” là điều hấp dẫn nhất trong câu chuyện này
Con ếch bị đóng băng hoàn toàn, và theo những gì ta biết thì không có nhịp tim cũng như hoạt động não. Thế nhưng khi tan băng, có thứ gì đó lại bắt đầu vận hành
Thật khó hình dung cơ chế đó trông như thế nào. Không biết có một vùng nhỏ trong não theo dõi việc nó đã từng bị đóng băng hay không, hay có tín hiệu hóa học nào phát ra từ bên trong khoang cơ thể hay không
Ở người và nhiều loài động vật, thứ điều khiển nhịp tim là một cấu trúc trong tim gọi là nút xoang nhĩ. Mỗi tế bào của nút xoang nhĩ có thể tự tạo tín hiệu điện có nhịp điệu
Ở wood frog, khi một trong các tế bào này tan băng, nó sẽ ngay lập tức bắt đầu tạo các xung nhịp, và để tim đập đúng thì nó phải đồng bộ với các tế bào nút xoang nhĩ còn lại. Có lẽ đó là cách mỗi tế bào điều chỉnh từng chút một về phía pha trung bình của các tế bào lân cận ở mỗi chu kỳ để đạt được sự đồng thuận
Hoặc cũng có thể là do tính đàn hồi của tim và cơ
Trừ khi ở ếch tim phụ thuộc vào não
Có lẽ trình tự tan băng diễn ra ngược lại, bắt đầu từ các chi, và tim là phần tan băng cuối cùng sau khi phần còn lại của hệ tuần hoàn đã tan. Trong trường hợp này, việc tim nằm ở trung tâm hẳn là có lợi về mặt sinh học
Wood frog chỉ sống 3–5 năm, nên nhiều nhất cũng chỉ trải qua khoảng 5 chu kỳ đóng băng/tan băng như vậy. Tôi tò mò liệu nhờ tuổi thọ ngắn mà chúng có thể chịu được phần nào tổn thương tế bào tích lũy trong các chu kỳ này hay không
Số neuron của chúng cũng ít hơn động vật có vú khoảng 10.000 lần
Ngay cả khi có thể triển khai kiểu sinh hóa này, các sinh vật bậc cao hơn có thể chịu được bao nhiêu chu kỳ như vậy? Có vẻ các sinh vật phức tạp đã hy sinh phần nào khả năng phục hồi như tái sinh chi. Lưỡng cư vốn dĩ cũng đặc biệt giỏi tái sinh
https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Giờ tôi bắt đầu tò mò đủ thứ về bộ não của chúng. Không biết chúng có thể hình thành ký ức hay không, và những ký ức đó có còn sau chu kỳ đóng băng/tan băng hay không
Khi bị đóng băng, về cơ bản chúng ở trạng thái đã chết, và ta sẽ giả định là không có hoạt động não. Vậy thì khi tan băng, coi như chúng được khôi phục về sự sống. Không biết các loài động vật khác có trải qua chuyện như vậy không
Tôi tò mò một cấu trúc bị đóng băng có thể “sống sót” trong bao lâu. Không biết việc đóng băng những con ếch như thế rồi rã đông sau vài thế kỷ có phải ý hay không. Như những kẻ du hành thời gian lưỡng cư vậy
Trong nghiên cứu mới [2], chúng sống sót trong 7 tháng và tỷ lệ sống sót là 100%
Vì vậy có vẻ cần nghiên cứu thêm
[1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
[2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
Về mặt tiến hóa, lưỡng cư đơn giản hơn động vật có vú ở một mức nào đó, nhỏ hơn nhiều loài có vú và cũng không sống lâu, nên tôi nghĩ một phần có thể đơn giản là nhờ những thứ “không có”
Nhiệt độ rất thấp nên vấn đề sản phẩm cuối glycat hóa bền vững có lẽ cũng không quá lớn. Một chiến lược khác để sống sót trong băng là protein chống đông. Cây linh sam và nhiều loài cá Bắc Cực có các protein như vậy: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
Dù vậy tôi vẫn không rõ điện thế màng được duy trì hoặc tái lập như thế nào ở giai đoạn rã đông. Có tài liệu nào đáng tham khảo không?
Điều này chưa được xác lập hay hiểu đầy đủ, nhưng có vẻ là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn
Ngay cả khi một vùng rất nhỏ quanh các kênh ion vẫn ở trạng thái lỏng và cân bằng cả tế bào lẫn nồng độ ion, có vẻ nồng độ ban đầu sẽ gần như được khôi phục khi dịch ngoại bào tan ra
Rùa sống dưới nước có một chiến lược brumation khác. Dù thở bằng không khí, chúng có thể bị kẹt dưới lớp băng suốt nhiều tháng, nên chúng hạ thấp chuyển hóa, dùng thích nghi lấy một ít oxy từ nước qua mô trực tràng, cùng các hoạt động hóa học liên quan đến glucose và canxi
https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
Nhà tôi có một con rùa lúc nào cũng sống trong nước ấm, nhưng có lẽ vì nó nhìn thấy bầu trời nên cứ vào khoảng thời gian này hằng năm, nó tự quyết định bước vào brumation và bắt đầu ngủ lơ mơ trong chỗ trú dưới nước suốt vài ngày hoặc vài tuần
https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
Động từ có lẽ phải là brumate. Nhưng có vẻ người ta rất muốn làm cho nó khớp với hibernation, và chuyện này xảy ra với nhiều từ. Hoặc có khi là do ảnh hưởng của rumination?
Nó không thông minh lắm, nhưng rất chăm chỉ
Với những ai nghĩ đóng băng có thể là một lựa chọn, vấn đề không chỉ đơn giản là tránh tinh thể băng
Hạ thân nhiệt y khoa ở người chỉ giảm có vài độ, nhưng giới hạn không nằm ở thời gian ở trạng thái lạnh, mà ở việc phục hồi thân nhiệt bình thường quá nhanh
Ty thể tạo ra nhiều loại oxy phản ứng trong trạng thái thiếu oxy, và nếu oxy được phục hồi nhanh thì sẽ gây tổn thương hóa học mới là nguyên nhân tử vong thực sự. Vì vậy người ta đưa thân nhiệt trở lại bình thường trong nhiều giờ. Tôi nghĩ đó không phải là chu trình trao đổi chất duy nhất bị phá hỏng bởi siêu lạnh
Bài viết này không có ảnh ếch. Bạn có thể xem ảnh ếch đã rã đông và ếch bị đóng băng tại đây: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Trên wiki nói rằng ngoài glucose, chúng còn tạo ra cả urê, và cả hai đều đóng vai trò là chất bảo vệ chống đóng băng
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog
Cũng khó gọi đây là ngủ đông. Việc bị đóng băng hoàn toàn còn có những lợi ích phụ khác, như có thể làm chậm hoạt động hoặc tiêu diệt nhiều vi sinh vật gây nhiễm. Biết đâu còn có một mức độ hiệu ứng kéo dài tuổi thọ nào đó
Cũng không cần thích nghi hành vi nhiều. Khi trời lạnh, con ếch chui xuống dưới lá, bị đóng băng hoàn toàn, rồi 8 tháng sau rã đông và tỉnh dậy trong trạng thái đói bụng, đầy ham muốn sinh sản. Cũng không tệ
Chất bảo vệ chống đóng băng trong cơ thể ếch không phân biệt, nên vi khuẩn bên ngoài cũng sẽ được bảo vệ ngang với tế bào của ếch
Với tôi, đó có lẽ sẽ là một kết quả khá trái với trực giác