Cá băng Nam Cực (họ Channichthyidae) là những loài cá duy nhất được biết trong số động vật có xương sống trưởng thành không có hemoglobin, nên máu của chúng gần như trong suốt, hơi ngả vàng nhạt thay vì đỏ. Chúng sống được nhờ nước biển quanh châu Nam Cực rất lạnh, khoảng −1,9 °C đến 2 °C, hoà tan nhiều oxy hơn nước ấm, và nhờ tim to, mạch máu rộng, lượng máu nhiều để bù cho việc máu chở ít oxy. Thân chúng không vảy, mang trắng nhợt, trông như làm bằng sáp.
Câu chuyện về "cá sấu trắng" của dân săn cá voi
Theo lời kể được nhắc lại nhiều lần trong giới sinh học, những người săn cá voi Na Uy ở vùng biển Nam Cực từ đầu thế kỷ 20 đã biết tới một loài cá kỳ lạ có máu không màu, gọi nó là "cá sấu trắng" vì cái đầu dẹt dài như mõm cá sấu. Năm 1927, nhà sinh vật học Na Uy Ditlef Rustad thu được một mẫu cá như vậy ở đảo Bouvet và ghi nhận máu không màu.
Nhưng phải tới năm 1954, nhà sinh vật học Na Uy Johan T. Ruud mới công bố mô tả khoa học đầy đủ trên tạp chí Nature, với nhan đề có thể dịch là "Động vật có xương sống không có hồng cầu và sắc tố máu". Ông phân tích máu cá băng ở vùng biển Nam Georgia và xác nhận: không có hemoglobin, gần như không có hồng cầu. Bài báo đó đã mở ra cả một lĩnh vực nghiên cứu kéo dài tới nay.
Máu không có hemoglobin thì chở oxy bằng gì
Ở người và gần như mọi động vật có xương sống, hemoglobin trong hồng cầu là chất gắn oxy và chở nó đi khắp cơ thể. Thiếu hemoglobin, máu chỉ chở được lượng oxy hoà tan trực tiếp trong huyết tương, ít hơn nhiều lần. Ở người, đó là tình trạng không thể sống nổi.
Cá băng sống được nhờ một loạt điều chỉnh bù đắp:
| Đặc điểm | Cá băng | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Nước sống | Lạnh gần điểm đóng băng, giàu oxy | Nước càng lạnh càng hoà tan nhiều oxy |
| Tim | To hơn hẳn cá cùng cỡ | Bơm lượng máu lớn mỗi nhịp |
| Thể tích máu | Lớn gấp nhiều lần cá có máu đỏ cùng cỡ | Bù cho mỗi đơn vị máu chở ít oxy |
| Mạch máu | Rộng, mao mạch to | Máu chảy dễ, tim đỡ tốn sức |
| Da | Không vảy | Có thể hấp thụ thêm một phần oxy qua da |
| Trao đổi chất | Chậm, ít vận động | Tiêu thụ ít oxy |
Một số loài cá băng còn mất luôn myoglobin, sắc tố chứa oxy trong cơ tim, khiến tim chúng có màu nhợt thay vì đỏ sẫm. Những loài còn giữ myoglobin thì tim có màu hồng.
Mất hemoglobin: lợi thế hay tai nạn
Các nhà khoa học vẫn tranh luận việc mất hemoglobin có phải là lợi thế hay không. Một quan điểm cho rằng ở nước lạnh, máu đặc hồng cầu trở nên rất nhớt, khó bơm, nên bỏ hồng cầu đi giúp tim đỡ vất vả. Quan điểm khác, ngày càng được chú ý, cho rằng đây là một "tai nạn di truyền": tổ tiên cá băng mất gen hemoglobin do đột biến, và vì nước Nam Cực đủ giàu oxy nên chúng không bị đào thải, rồi tiến hoá các cách bù đắp tốn kém như tim to và máu nhiều. Theo cách nhìn này, cá băng sống sót "bất chấp" việc mất hemoglobin chứ không nhờ nó.
Chất chống đông trong máu
Nước biển quanh Nam Cực có thể lạnh dưới 0 °C mà không đóng băng, vì muối làm hạ điểm đông. Nhưng máu cá ít muối hơn nước biển, lẽ ra sẽ đóng băng trước. Cá băng và các họ hàng trong phân bộ cá Nam Cực (Notothenioidei) giải quyết bằng protein chống đông.
Nhà sinh học Arthur DeVries phát hiện các glycoprotein chống đông này ở cá Nam Cực vào cuối thập niên 1960. Chúng bám vào những tinh thể băng li ti ngay khi vừa hình thành trong cơ thể, ngăn chúng lớn lên. Đây là một trong những khám phá kinh điển về thích nghi với cái lạnh, và ý tưởng này về sau được nghiên cứu cho bảo quản thực phẩm đông lạnh và mô sinh học.
Thân hình trong mờ
Cá băng không trong suốt như sứa hay ếch thuỷ tinh. Nhưng vì không có máu đỏ, thân chúng có màu nhợt, mang trắng kem thay vì đỏ tươi, và ở một số loài, da và cơ trông hơi trong mờ khi nhìn ngược sáng. Đầu dẹt dài, miệng rộng có răng nhỏ, mắt to. Con trưởng thành của nhiều loài dài khoảng 25–50 cm.
Chúng là những kẻ săn phục kích, nằm chờ trên đáy hoặc lơ lửng gần đáy, ăn cá nhỏ và nhuyễn thể (krill).
Năm 2021: thành phố tổ cá dưới băng
Tháng 2 năm 2021, tàu nghiên cứu Polarstern của Viện Alfred Wegener (Đức) kéo một hệ thống camera qua đáy biển Weddell và phát hiện một điều chưa ai thấy: một khu làm tổ khổng lồ của loài cá băng Jonah (Neopagetopsis ionah). Kết quả công bố năm 2022 trên tạp chí Current Biology do Autun Purser dẫn đầu ước tính khu tổ trải trên khoảng 240 km² với chừng 60 triệu tổ đang hoạt động, mỗi tổ là một vòng tròn lõm trên đáy, có cá bố mẹ canh trứng.
Đây được mô tả là khu làm tổ của cá lớn nhất từng được biết. Các nhà khoa học cũng thấy hải cẩu Weddell hay lặn tới vùng này, gợi ý khu tổ là nguồn thức ăn quan trọng trong hệ sinh thái. Phát hiện góp phần vào đề xuất thành lập khu bảo tồn biển ở biển Weddell.
Góc nhìn hôm nay
Cá băng là những sinh vật cực kỳ chuyên hoá cho nước lạnh. Chính vì vậy chúng nhạy cảm với việc đại dương ấm lên: nước ấm hơn hoà tan ít oxy hơn, trong khi máu không hemoglobin của chúng đã ở sát giới hạn. Các nhà nghiên cứu theo dõi cá băng như một "chỉ báo" cho sức khoẻ của đại dương Nam Cực.
- Thử nghiệm đơn giản về oxy và nhiệt: rót hai cốc nước có ga, một cốc lạnh, một cốc ấm. Cốc ấm sủi bọt mạnh và mất ga nhanh hơn, vì nước ấm giữ khí kém hơn. Oxy trong nước biển cũng theo nguyên lý đó.
- Đọc thêm: các trang của Viện Alfred Wegener, Smithsonian và Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên London có bài phổ thông về cá băng và hệ sinh thái Nam Cực.
- Xem ảnh: hình ảnh khu tổ cá băng Jonah do tàu Polarstern chụp đã được công bố rộng rãi, đáng xem để hình dung quy mô.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao máu cá băng không có màu đỏ?
Cá băng không có hemoglobin, sắc tố chở oxy làm máu có màu đỏ, và gần như không có hồng cầu. Vì vậy máu của chúng gần như trong suốt, hơi ngả vàng nhạt.
Cá băng thở bằng cách nào khi không có hemoglobin?
Oxy được chở trực tiếp hoà tan trong huyết tương. Chúng bù đắp bằng việc sống ở nước rất lạnh giàu oxy, tim to, lượng máu nhiều, mạch máu rộng, trao đổi chất chậm và có thể hấp thụ thêm oxy qua da.
Ai phát hiện ra cá băng máu trắng?
Ngư dân săn cá voi Na Uy đã biết tới loài cá này từ đầu thế kỷ 20. Nhà sinh vật học Johan T. Ruud công bố mô tả khoa học đầy đủ trên tạp chí Nature năm 1954.
Vì sao máu cá Nam Cực không đóng băng?
Cá Nam Cực có glycoprotein chống đông trong máu, bám vào tinh thể băng nhỏ ngay khi hình thành và ngăn chúng lớn lên. Arthur DeVries phát hiện các protein này vào cuối thập niên 1960.
Khu làm tổ cá băng ở biển Weddell lớn cỡ nào?
Theo nghiên cứu công bố năm 2022, khu tổ cá băng Jonah phát hiện năm 2021 trải trên khoảng 240 km² với chừng 60 triệu tổ đang hoạt động. Đây là khu làm tổ của cá lớn nhất từng được biết.
