Bí ẩn loài cá 'ngủ hè'

Bí quyết của chúng nằm ở khả năng thích nghi nhanh chóng với những điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Đào hang để ngủ hè

Trên bề mặt sông Bandama ở Bờ biển Ngà thi thoảng sẽ xuất hiện những gợn sóng lăn tăn khi một sinh vật có đốm ngoi lên để hít thở. Đó là loài cá phổi thường sinh sống ở khu vực Tây Phi.

Cá phổi dài một mét, có hình dạng giống con lươn và những họa tiết da báo trên nền vảy màu ô liu. Chúng sống ở ranh giới giữa đời sống dưới nước và trên bờ. Thân của chúng phải ngập trong nước nhưng đôi khi chúng cần hít thở không khí trên kia. Đó là lý do chúng được đặt tên là “cá phổi”.

Cá phổi sở hữu cặp lá phổi và phần mang không đủ cung cấp dưỡng khí nên chúng phải ngoi lên mặt nước thường xuyên để lấy khí oxy. Khác với hầu hết các loài cá, cá phổi có thể sống sót khi dòng sông cạn nước vào mùa khô.

Trong khi những loài cá khác rút lui vào những ao hồ chật hẹp hoặc di cư đi nơi khác, cá phổi đào hang trong lòng sông khô cạn. Ở đây, chúng bao bọc cơ thể trong kén chất nhầy, chỉ chừa khe hở cho phần miệng để hít thở không khí. Với cách làm này, cá phổi có thể duy trì sự sống mà không cần ăn uống trong nhiều tháng, thậm chí là 4 năm.

Ở các loài động vật, hiện tượng trên gọi là ngủ hè. Quá trình này xảy ra khi động vật kích hoạt chế độ tạm ngừng hoạt động cả về mặt thể xác và trao đổi chất để sống sót qua điều kiện khô nóng.

Trạng thái ngủ hè thường xảy ra ở những loài động vật nhiệt đới, chủ yếu nằm phía Bắc Trái đất. Đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu hết về quá trình các loài động vật ngủ hè vì nó khó quan sát hơn ngủ đông.

Những nhà tự nhiên học thời Victoria đã tìm cách vận chuyển cá phổi châu Phi nửa vòng Trái đất tới Anh và Mỹ để nghiên cứu. Kết hợp với các công nghệ nghiên cứu phát triển hiện nay, họ dần khám phá ra quá trình tế bào và di truyền phía sau hành vi ngủ hè của cá phổi.

Do không có chân để di chuyển lên đất liền và có thể bị tách biệt với môi trường khác khi nước khô cạn, cá phổi châu Phi đã tiến hóa để tồn tại ở trạng thái không hoạt động trong lớp bùn cho tới khi nước dâng trở lại.

Cảm ứng, giai đoạn đầu tiên của quá trình kích hoạt, đặt nền móng cho hành vi ngủ hè. Năm 1986, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra nhiều dấu hiệu để kích hoạt trạng thái ngủ hè gồm mất nước, đói, thở nhiều hơn và căng thẳng.

Ngoài ra, thay đổi ở độ mặn và thành phần của các chất hòa tan như canxi, magie trong vùng nước xung quanh là dấu hiệu các dòng sông cạn kiệt. Mang có thể giúp cá phổi cảm nhận được nồng độ nước bên trong cơ thể.

Từ những dấu hiệu trên, cá phổi bắt đầu đào hang trong bùn bằng miệng và cơ thể trơn tròn. Sau đó, chúng rút vào trong hang, cuộn tròn phần thân dài và bao bọc bản thân trong lớp chất nhầy do chúng tự tiết ra. Sau khi chất nhầy cứng lại, chúng tạo thành chiếc kén không thấm nước, chỉ chừa lại một lỗ hẹp trên bề mặt cho phép cá hít thở không khí bằng phổi.

Cá phổi Tây Phi có thể sống sót qua giai đoạn nước khô cạn.

Thay đổi sinh lý

Tuy nhiên, chui vào hang không đủ giúp cá phổi sinh tồn qua thời kỳ khô hạn. Thay đổi bề ngoài cần đi kèm với những thay đổi sinh lý để tiếp tục quá trình trao đổi chất cơ bản vì chúng không được tiếp cận với thức ăn và nước uống trong nhiều tháng.

Các phân tích di truyền chỉ ra mức độ biểu lộ tín hiệu hormone tăng lên trong não do hoạt động gen tăng. Việc ngừng trao đổi chất diễn ra trong quá trình ngủ hè, bắt đầu ngay khi kén chất nhầy khô hoàn toàn. Hoạt động lấy oxy chỉ diễn ra qua lá phổi và mức tiêu thụ oxy giảm một nửa so với khi chúng sống trong nước.

Những thay đổi này đi kèm với giảm hoạt động trao đổi chất, nhịp tim giảm xuống còn khoảng 2 nhịp/phút so với bình thường là 25 nhịp/phút. Chúng cũng ngưng sản xuất chất thải. Nhiều bộ phận cơ thể được tái cấu trúc như ruột, thận, tim, vì chức năng bị suy giảm. Nguồn dự trữ bên trong là nguồn năng lượng duy nhất giúp cá phổi tồn tại.

Trong quá trình này, não của cá phổi vẫn hoạt động vì nếu ngưng hoạt động, các cơ quan khác sẽ chịu tổn thương. Ngoài ra, một số lượng lớn bạch cầu hạt tích tụ trong ruột, thận và tuyến sinh dục của cá phổi trong mùa mưa cũng giúp chúng ngủ hè. Cụ thể, chiếc kén do chúng tạo ra chứa bạch cầu hạt nhằm ngăn chặn mầm bệnh khi cá phổi ngủ hè.

Bạch cầu hạt di chuyển từ nơi lưu trữ trong nội tạng, thông qua mạch máu tới da và tiến vào trạng thái viêm trước khi hoàn thành quá trình đóng kén. Tại đây, bạch cầu hạt tạo ra bẫy ngoài tế bào, ngăn chặn vi khuẩn truyền sang cá phổi ngủ hè khiến chiếc kén trở nên miễn dịch.

Khi nước trở lại kéo cá phổi ra khỏi giấc ngủ dài, miệng của nó, bộ phận duy nhất không được bao bọc trong kén chất nhầy, chứa đầy nước. Điều này bắt đầu giai đoạn thức tỉnh của ngủ hè cũng là giai đoạn bí ẩn nhất trong ba giai đoạn. Sau khi khó khăn rời khỏi kén, cá phổi bài tiết chất thải tích tụ trong quá trình ngủ hè.

Sau khoảng 10 ngày, dành để tái cấu trúc các cơ quan nội tạng, cá phổi bắt đầu ăn trở lại. Đáng chú ý là cá phổi trở lại trạng thái sống tự nhiên rất nhanh, hoàn thành quá trình biến đổi trong thời gian các nhà khoa học mải mê nghiên cứu về nó.

Sự chuyển đổi này có thể là manh mối cho sự tiến hóa của động vật có xương sống sống dưới nước sang sống trên cạn. Là họ hàng còn tồn tại của tất cả các loài động vật bốn chân, việc hiểu rõ cơ chế ngủ hè của cá phổi giúp các nhà khoa học làm sáng tỏ quá trình tiến hóa từ động vật dưới nước lên cạn.