Sinh học giác quan trong thế giới động vật: trọng lực và chuyển động

Từ lâu chúng ta đều biết rằng cơ thể chúng ta có năm giác quan: thị giác, khứu giác, xúc giác, vị giác và thính giác. Trong 5 năm gần đây, các nhà khoa học đã đào sâu nghiên cứu về các giác quan này, khám phá ra những cơ chế hoạt động đa dạng của các giác quan trong việc giúp cơ thể nhận biết thế giới. Tuy nhiên, các nhà sinh học đều biết rằng, trên cơ thể có nhiều hơn 5 giác quan và rất khó nói một cách chính xác có bao nhiêu giác quan. Ví dụ, trên cơ thể người có bộ phận tiền đình (vestibular sense), có khả năng cảm nhận trọng lực và giữ cân bằng cơ thể, qua cơ quan đặc biệt trong mê đạo xương (bony labyrinth) nằm trong tai trong (inner ear). Hay những thụ quan trong hệ cơ và khớp nối của cơ thể, tạo thành các đường dẫn truyền cơ khớp, có vai trò truyền các cảm nhận về vị trí cơ thể, cụ thể là cảm nhận sự chuyển động của cơ thể hay các chi. Và trong thế giới động vật, còn tồn tại rất nhiều cơ quan giác quan khác nhau giúp chúng nhận biết thế giới.

Phần 1: Trọng Lực và Chuyển Động

Khả năng cảm nhận trọng lực và chuyển động cơ thể có lẽ là một trong những giác quan cổ xưa nhất. Ở các loài động vật có xương sống (vertebrate), hệ thống tiền đình (vestibular system) chịu trách nhiệm cho chức năng này thông qua các cơ quan sỏi tai (otolith organs) và ống bán nguyệt (semicircular canal) của tai trong. Các loài không có xương sống (invertebrate) có một hệ thống có cấu trúc đơn giản hơn được biết với tên ‘túi thăng bằng’ (statocyst) giúp nó cảm nhận được sự di chuyển của cơ thể và vị trí tương đối đối với trọng lực (gravity) của trái đất. Ngay cả những con sứa lược (comb jellies – ctenophores), có thể được xem là loài động vật đa bào tiến hoá đầu tiên, cũng có một ‘túi thăng bằng’- Về cơ bản đó là một khối cầu được nâng đỡ bởi 4 balancer (Hình) đàn hồi khi loài sinh vật nghiêng mình trong nước.

Túi thăng bằng của loài sứa lược đặt trên điểm đỉnh, dưới vòm trong suốt do các sợi lông mao ghép lại. Một số tế bào gọi là lithocyte (mỗi tế bào lithocyte mang một khối hạch khoáng chất lớn đính với màng tế bào) giúp tạo thành một viên sỏi thăng bằng (statolith). Viên sỏi này nằm trên đỉnh bốn cột gọi là yếu tố cân bằng (balancer), mỗi chiếc tạo bởi 150-200 lông mao thụ cảm. Khi sinh vật nghiêng mình, các viên sỏi thăng bằng rơi theo hướng tâm trái đất. Mỗi balancer được nối với 2 hàng của 8 phiến lược, nơi có hàng trăm ngàn lông mao di chuyển theo nhịp, đẩy sinh vật về phía trước. Khi các balancers uốn cong, chúng điều chỉnh tần số di chuyển của các lông mao trên phiến lược. “Chúng chính là máy tạo nhịp (pacemaker) cho nhịp đập của các sợi lông mao vận động (locomotor cilia),” theo Sidney Tamm, nhà nghiên cứu tại Marine Biological Laboratory tại Woods Hole, Massachusetts, người đã mô tả kỹ lưỡng cấu trúc và chức năng túi thăng bằng của sứa. (Biol Bull, 227:7-18, 2014; Biol Bull, 229:173-84, 2015).

Cảm nhận lực hút của trọng lực và đáp ứng của lông mao hoàn toàn mang tính cơ học Tamm chú thích – không có dây thần kinh nào liên quan tới chức năng của túi thăng bằng. Mặc khác, phần lớn các loài động vật có cảm ứng túi thăng bằng sử dụng thần kinh. Túi thăng bằng tồn tại trong thế giới đa dạng của các loài động vật không xương sống, từ giun dẹp (flatworm) tới thân mềm hai mảnh vỏ (bivalves) tới động vật chân đầu (cephalopod). Mặc dù chi tiết về cấu trúc của túi thăng bằng là khác nhau giữa các nhóm, nhưng nhìn chung, chúng có cấu trúc như hình khinh khí cầu với túi thăng bằng ở trung tâm và quanh chu vi là các tế bào lông. 

Khi sỏi cân bằng nghiêng về một bên của túi, nó tác động đến các tế bào lông mao để bắt đầu một xung thần kinh dẫn truyền về đi tới tế bào não.

Sự phức tạp của hệ thống túi thăng bằng có tương quan với sự phức tạp của chuyển động và hành vi một loài, theo Heike Neumeister, nhà nghiên cứu tại Đại Học Thành Phố New York. Ví dụ như mực ống (squid) và bạch tuộc (octopus), di chuyển nhanh trong không gian ba chiều, có sự đáp ứng cao với các cơ quan thụ thể cân bằng (equilibrium receptor organ). Tương tự như vậy, ốc anh vũ (nautilus), một trong những loài loài động vật đầu tiên rời khỏi đáy biển, bắt đầu bơi và sử dụng sức nổi (buoyancy), có một hệ thống khá tiên tiến. Mỗi một trong hai túi thăng bằng có thể phát hiện không chỉ có lực hấp dẫn, như của sứa lược, mà còn có gia tốc góc (angular acceleration) rất tốt, giống như bạch tuộc, mực ống, và mực nang (cuttlefish) (Phil Trans R Soc Lond B, 352:1565-88, 1997). “Các túi thăng bằng [của ốc anh vũ] là một trạng thái trung gian của quá trình tiến hoá giữa thân mềm đơn giản và thân mềm hiện đại,” theo Neumeister.

Các hệ thống cảm giác này có thể bị tổn thương bởi tiếng ồn nhân tạo (man-made noise) cộng hưởng ở khắp các đại dương trên thế giới. Michel André, nhà nghiên cứu âm thanh sinh học (bioacoustics) ở Đại Học Bách Khoa Catalonia ở Barcelona, Tây Ban Nha, bắt đầu quan tâm đến những ảnh hưởng của ô nhiễm tiếng ồn (noise pollution) trên động vật thân mềm sau khi số lượng mực trắng khổng lồ (giant squid) trôi dạt vào bờ biển phía tây của Tây Ban Nha tăng vọt trong năm 2001 và hiện tượng này lặp lại vào năm 2003.  Theo Andre, “Các phân tích hậu tử (postmortem analysis) không tìm ra nguyên nhân tử vong của chúng.” Tuy nhiên, mới đây các nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát địa chấn biển (ocean seismic survey), sử dụng xung điện cường độ cao (high-intensity pulses), âm thanh tần số thấp (low-frequency sound) để lập bản đồ đáy đại dương. Mặc dù, những loài động vật này không có tai, André và những nhà khoa học khác tự hỏi liệu tiếng ồn có thể ảnh hưởng sự cân bằng  phương hướng  của mực hay không.

Chắc chắn, mực ống, bạch tuộc, và mực nang  dưới tác động của âm thanh tần số thấp (khiến toàn bộ cơ thể của chúng bị rung lên) nhìn chung dẫn đến tổn thương túi thăng bằng. Các tế bào lông bị vỡ hoặc mất đi; các túi thăng bằng của thân mềm đôi khi bị tổn thương hoặc bị thủng; ngay cả những dây thần kinh liên quan cũng bi chịu ảnh hưởng. Hậu quả là các con vật trở nên mất phương hướng, thường nổi lên trên bề mặt nước (Front Ecol Environ, doi:10.1890/100124, 2011). “Cuối cùng, chúng chết vì không ăn,” André nói. “Tôi không nghĩ  [một ai đó nghĩ] rằng loài động vật không thể nghe lại bị chấn thương âm thanh… Đây là một vấn đề mà chúng ta phải quan tâm.”

Ngọc Sơn, Thuý Quỳnh, và Hải Yến (chuyển ngữ)

Huệ Trinh và Đinh Mỹ Linh (biên tập)

Cố vấn khoa học: T.S. Nguyễn Tấn Trung

Bài báo:

1. Sensory Biology Around the Animal Kingdom: Detecting Gravity and Motion. The Scientist. 1 Sep 2016.

Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả.