Trong các tác phẩm hư cấu, zombie là một thực thể đã chết nhưng không hoàn toàn chết. Nó thách thức khoa học vì không thể vừa chết vừa đi lại cùng lúc, nên chúng ta cần tạm gác lại sự hoài nghi và chấp nhận rằng có điều gì đó đã làm cho xác chết hoạt động lại.
Trong thực tế, ranh giới giữa sự sống và cái chết đôi khi không rõ ràng. Chúng ta đã nghe về những con kiến zombie và các loài côn trùng khác bị nhiễm nấm, giết chết chúng nhưng vẫn giữ cho chúng di chuyển. Tuy nhiên, đó không phải là điều duy nhất bạn nên biết. Cryptobiosis vắt ngang ranh giới giữa sự sống và cái chết, gây ra sự bối rối nếu bạn có quá nhiều định kiến về ý nghĩa của sự sống và cái chết.
Một nhóm các nhà khoa học khoan gần Nam Cực đã tìm thấy một số rêu cổ đại bị đông cứng trong băng mà họ đang lấy mẫu. Nó đã tồn tại 1.500 năm. Bất cứ thứ gì bị đóng băng trong 1.500 năm đều đã chết, đúng không? Không phải tất cả.
Các sinh vật đơn bào, như vi khuẩn, đã được tìm thấy trong băng có tuổi từ 100.000 đến 8 triệu năm. Những vi khuẩn này đã được hồi sinh và tiếp tục phát triển, mặc dù có thể không tốt bằng những cái mới hơn.
Nhưng rêu được tìm thấy phức tạp hơn nhiều so với vi khuẩn. Đây là một sinh vật đa bào. Tuy vậy, nhóm nghiên cứu đã có thể hồi sinh nó. Nó bắt đầu phát triển trở lại, mở ra hy vọng rằng những loài rêu cổ hơn, thậm chí có thể lên đến 6.000 năm tuổi, cũng có thể được hồi sinh.
Đây là một ví dụ về cryptobiosis. Một trạng thái vô cùng kém hoạt động hoặc tạm ngừng hoạt động mà trong đó hầu hết các chức năng trao đổi chất trong sinh vật bị ngừng lại. Điều này thường xảy ra do các điều kiện cực kỳ bất lợi, như bị đóng băng trong cuộc sống Nam Cực, là nỗ lực cuối cùng để bảo tồn sự sống của sinh vật. Và, đối với một số loài, nó có thể hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt nhất trong một thời gian rất dài.
Nó hoạt động như thế nào?
Như đã đề cập, việc bị đóng băng có thể dẫn đến trạng thái cryptobiosis, nhưng đó không phải là nguyên nhân duy nhất. Ví dụ, bạn đã bao giờ nuôi khỉ biển chưa? Khỉ biển thực ra là tôm ngâm nước mặn, và gói bột nhỏ mà bạn thả vào nước để tạo ra khỉ biển chính là trứng tôm ngâm nước mặn đã được khử nước.
Trứng tôm ngâm nước mặn cực kỳ bền bỉ và có thể trải qua cryptobiosis khi chúng bị khô, nếu chúng ở trong môi trường muối cực đoan, hoặc nếu chúng ở trong môi trường hoàn toàn không có oxy.
Các sinh vật như rotifers, tardigrades, hạt giống, một số loại trứng cá, và men đều trải qua cryptobiosis ở mức độ nào đó. Thậm chí một số côn trùng cũng có thể sống sót qua nó.
Thông thường, một sinh vật sống cần có một loại trao đổi chất nào đó để duy trì sự sống. Nó cần sản xuất năng lượng thông qua một số phương pháp hóa học. Quang hợp, tiêu hóa, bất cứ điều gì. Nhưng trong cryptobiosis, trao đổi chất của chúng về cơ bản bị ngừng lại, vì vậy chúng không cần năng lượng đó để sống sót cho đến khi điều kiện trở nên thuận lợi hơn cho sự sống và chúng có thể hồi sinh.
Điều kiện lý tưởng cần được đáp ứng để sinh vật tự hồi sinh, giống như khi bạn thả trứng tôm ngâm nước mặn vào nước để ấp khỉ biển. Nếu điều kiện không bao giờ cải thiện, sinh vật có thể chết. Không phải tất cả đều có thể sống lâu như rêu trong băng. Một số có thể kéo dài vài tháng, thậm chí một số năm, nhưng hiếm khi có sinh vật phức tạp nào tồn tại lâu hơn thế. Tôm ngâm nước mặn, chẳng hạn, có thể sống sót 25 năm trong cryptobiosis. Còn tardigrades? Chúng thậm chí còn đáng kinh ngạc hơn.
Khả năng sống sót của Tardigrade
Tardigrades là một trong những sinh vật đáng kinh ngạc nhất trên Trái Đất. Chúng có thể sống sót qua một số điều kiện khắc nghiệt nhất, và phần nào đó, cryptobiosis là bí quyết của chúng.
Tardigrades có thể sống sót trong chân không của không gian. Năm 2007, Nga đưa 3000 con tardigrade ra ngoài không gian và ném chúng ra ngoài trong 10 ngày. Kết quả là 68% trong số chúng đã sống sót qua thời gian không có oxy, tiếp xúc với bức xạ vũ trụ, và chúng đều sinh ra con cái bình thường.
Những con tardigrade khác đã bị bắn phá với liều bức xạ cao hơn 1.000 lần so với liều gây chết cho con người. Những sinh vật nhỏ bé này đã sản xuất ra các sắc tố gọi là betalains, giúp chống lại tổn thương do bức xạ. Khi được tiêm vào con người, những betalains này cũng giúp các đối tượng tăng khả năng chống bức xạ.
Về các cực đoan nhiệt độ, tardigrades đã bị làm lạnh xuống 0.05 Kelvin, chỉ trên không độ tuyệt đối một chút (là -272.95 Celsius), và được nâng lên 150 Celsius. Chúng đã trải qua 30 năm trong tủ đông và sống sót dưới áp suất 40,000 kilopascal.
Dù bền bỉ đến đâu, những sinh vật nhỏ bé này vẫn cần nước để sống đúng cách. Khi bị loại bỏ khỏi nước, chúng khô lại thành một thứ gọi là tun, và đây là trạng thái cryptobiosis của chúng. Đây là trạng thái cho phép chúng sống sót qua cái lạnh cực độ, nhiệt độ cao, áp suất, bức xạ, và thậm chí cả thời gian.
Trong trạng thái bình thường, một tardigrade có thể chỉ sống từ 8 tháng đến vài năm. Nhưng trong cryptobiosis, chúng có thể sống hơn một thế kỷ.
Các nhà khoa học từng nghĩ rằng một loại đường gọi là trehalose là cách mà tardigrades sống sót qua cryptobiosis. Khi các sinh vật khác khô đi, chúng sản xuất trehalose để sống sót. Nhưng tardigrades sản xuất rất ít hoặc không có. Thay vào đó, tardigrades có các gen và protein đặc biệt cho phép chúng chịu đựng những điều kiện khắc nghiệt mà chúng phải đối mặt trong cryptobiosis. Các protein này về cơ bản hình thành kính bên trong các tế bào của tardigrades để giữ chúng sống sót khi chúng ở trạng thái mất nước. Cơ chế đầy đủ vẫn còn khá bí ẩn, nhưng đó là một phần của nó.
Điều đặc biệt về tardigrades là chúng sống sót qua các điều kiện khắc nghiệt khác nhau theo những cách khác nhau. Cryptobiosis là một thuật ngữ tổng quát. Ví dụ, khi tiếp xúc với lạnh cực độ, đó là cryobiosis giữ cho tardigrade sống sót. Khi không có nước? Đó là anhydrobiosis. Nếu chúng phải đối mặt với môi trường muối cực đoan? Đó sẽ là osmobiosis.
Tất cả các loại cryptobiosis khác nhau ảnh hưởng đến tardigrade theo cách khác nhau, và điều đó có nghĩa là có các chức năng khác nhau trong các cơ chế khác nhau mà nó xảy ra. Mỗi cái cần được nghiên cứu riêng lẻ để tìm hiểu cách nó hoạt động. Trong khi cấu trúc bioglass có thể giữ chúng sống sót trong anhydrobiosis, cryobiosis có thể liên quan đến việc sản xuất một loại chất chống đông sinh học, thứ gì đó ngăn chặn sự đóng băng của tế bào chất hoặc thậm chí thay đổi loại tinh thể băng hình thành trong các tế bào để chúng có thể hồi sinh an toàn.
Với những gì một tardigrade có thể sống sót, không có gì khó hiểu khi tự hỏi liệu có gì có thể giết chết một sinh vật trong cryptobiosis, hay những sinh vật này thực sự bất tử?
Bất tử
Rotifers là các sinh vật cực nhỏ sống trong nước ngọt. Chúng cũng cực kỳ bền bỉ, mặc dù không đạt đến mức của tardigrades. Tuy nhiên, một rotifer đã sống sót qua cryptobiosis trong
24,000 năm đã từng được hồi sinh. Dù nhỏ bé, nhưng chúng có não, cơ bắp và nhiều tế bào. Trước khi phát hiện ra điều này, người ta tin rằng chúng chỉ có thể sống sót trong khoảng một thập kỷ trong trạng thái cryptobiosis.
Nematodes là một loại giun tròn. Hơn 30,000 loài đã được xác định, nhưng ước tính có thể có hàng triệu loài. Ít nhất một loại nematode đã bị đóng băng trong băng Bắc Cực thời kỳ Pleistocene và sau đó được hồi sinh hiện tại, 46,000 năm sau. Làm thế nào mà chúng có thể làm điều đó? Cùng cách mà chúng ta từng nghĩ tardigrades đã làm.
Nematode điều chỉnh một loại đường gọi là trehalose. Nó bảo vệ màng tế bào và cho phép sinh vật sống sót trong điều kiện lạnh giá gần như vô thời hạn.
Về cơ bản, loại đường này thay thế nước trong bất kỳ màng nào và làm cho chúng trông như vẫn còn ẩm, vì hình dạng được bảo toàn, ngay cả khi không còn nước.
Tardigrades có thể sống khoảng một thế kỷ trong trạng thái cryptobiosis. Chúng ta đã nghe về rêu sống 1,500 năm, nhưng nematodes hiện giữ kỷ lục sống lâu nhất.
Bốn mươi sáu nghìn năm chắc chắn là khoảng thời gian dài để bất kỳ thứ gì sống sót. Nhưng hãy nhớ, một nematode là một sinh vật khá phức tạp so với vi khuẩn đơn bào. Và chúng ta đã thấy rằng một số vi khuẩn có thể tồn tại hàng triệu năm. Nếu bạn tò mò về vi khuẩn sống lâu nhất từng được phát hiện, hãy nhìn vào một con ong đơn giản.
Các nhà khoa học đã tìm thấy một con ong được bảo quản trong hổ phách, theo phong cách Jurassic Park. Con ong này có tuổi đời từ 25 đến 40 triệu năm. Không, con ong không sống lại, nhưng nó có vi khuẩn trong dạ dày đã sống sót nhờ cryptobiosis. Các nhà khoa học đã hồi sinh vi khuẩn này, làm cho nó trở thành sinh vật sống lâu nhất trên Trái Đất.
Trong điều kiện thích hợp, những sinh vật này có thể sống rất lâu trong trạng thái cryptobiosis, nhưng chúng không bất tử bằng bất kỳ cách nào. Hơn 30% số tardigrades còn lại trong không gian đã chết. Khi bạn phơi bày trứng cryptobiotic của tôm nước mặn với cực đoan nhiệt, nhiều trong số chúng sẽ chết.
Nên nhớ rằng cryptobiosis không bao giờ là trạng thái lý tưởng cho bất kỳ dạng sống nào. Đây là sự sống còn ở mức cực đoan nhất. Đây là nỗ lực cuối cùng của một sinh vật để bám víu vào sự sống, chờ đợi điều kiện sống có thể trở lại. Nhưng nếu mọi thứ trở nên tệ hơn, sinh vật sẽ chết.
Tất cả những điều này rất thú vị, nhưng liệu nó có ý nghĩa gì với nhân loại? Chúng ta đã thấy rằng khả năng chịu bức xạ của tardigrade có thể mang lại lợi ích cho con người, nhưng có phần nào của cryptobiosis có thể giúp chúng ta không? Rõ ràng, chúng ta quá phức tạp để tái tạo điều gì đó như cryptobiosis. Nếu chúng ta bị bỏ lại trong nhiệt độ cực độ, bức xạ cực độ và mất nước cực độ, chúng ta sẽ chết. Nhưng có cách nào chúng ta có thể áp dụng những gì chúng ta biết từ những sinh vật này để giúp đỡ chúng ta?
Ảnh hưởng đến Con người
Các nhà nghiên cứu tại Harvard đang nghiên cứu các protein mà tardigrades sử dụng để giúp chúng sống sót trong môi trường khắc nghiệt. Mục tiêu cuối cùng là áp dụng chúng cho con người để xem liệu chúng ta có thể hưởng lợi từ cùng một loại sức bền đó không. Nếu chúng ta có thể tạo ra một tế bào mà chuyển hóa chậm lại như một tardigrade đi vào trạng thái cryptobiosis, chúng ta có thể ngăn ngừa chấn thương như viêm nhiễm hoặc thậm chí tử vong tế bào.
Nếu cùng loại protein mà tardigrades sử dụng có thể được điều chỉnh cho con người, thì các tình trạng như đột quỵ, nhồi máu cơ tim, nhiễm trùng huyết và nhiều hơn nữa có thể bị ngăn chặn ngay từ đầu.
Nghiên cứu khác đang tập trung vào khả năng chịu bức xạ và cách nó có thể được sử dụng để hỗ trợ các phi hành gia trong các nhiệm vụ không gian dài. Hơn thế nữa, với tiềm năng phát triển của du hành vũ trụ mới và nhanh hơn, các loài cryptobiotic đã được cân nhắc làm phi hành gia mới. Những sinh vật mà chúng ta có thể gửi vào không gian qua khoảng cách lớn trong thời gian dài, trong khi chúng được bảo quản, để chúng ta có thể học cách chúng chịu đựng sự khắc nghiệt của du hành vũ trụ. Sau đó, chúng ta có thể cố gắng áp dụng kiến thức đó vào các nhiệm vụ có người điều khiển trong tương lai để đảm bảo con người có thể sống sót tốt hơn khi chúng ta khám phá xa hơn và chịu đựng điều kiện khắc nghiệt hơn.
Anhydrobiosis đang được xem xét để hỗ trợ với cây trồng và bảo quản thực phẩm. Chúng ta có thể ngăn ngừa hỏng hóc và cho phép cây trồng phát triển trong điều kiện khắc nghiệt hơn nếu chúng ta có thể áp dụng những kỹ thuật này vào nguồn cung cấp thực phẩm của chúng ta.
Trehalose, loại đường mà các sinh vật khác ngoài tardigrades sử dụng, cũng đã được sử dụng để giúp con người. Nó có thể được sử dụng để bảo quản tiểu cầu và vắc-xin cần được vận chuyển khắp thế giới trong các trường hợp khẩn cấp. Nó không hoạt động trên toàn bộ sinh vật, nhưng nó thực hiện cùng một công việc để giữ cho mọi thứ khả thi, một khoa học được điều chỉnh từ sự hiểu biết về cryptobiosis.
Trehalose đã được sử dụng lần đầu trong thập niên 80 để bảo quản thuốc điều trị nhiễm nấm. Chúng được bảo quản với đường, và sau đó chỉ cần một ít nước là có thể kích hoạt và sử dụng được.
Có rất nhiều ứng dụng mà các dạng cryptobiosis khác nhau có thể cung cấp. Bao gồm du hành vũ trụ, tiến bộ y học, và khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu và sản xuất thực phẩm. Có khả năng còn nhiều ứng dụng khác mà chưa ai nghĩ tới có thể áp dụng khi quy trình này được hiểu rõ hơn. Điều tốt về tương lai của cryptobiosis là chúng ta có bằng chứng rằng thời gian không nhất thiết là vấn đề. Thêm 46,000 năm nữa thì sao?