Lên mạng ngày 10/9/2011
THÁM HIỂM BIỂN SÂU
Phần 4. Sinh vật đáy biển sâu
Trần-Đăng Hồng, PhD
Ba phần tư diện tích mặt địa cầu là biển và đại dương. Hơn 50% diện tích địa cầu là đại dương có độ sâu trên 3.000 m. Con người chỉ mới khám phá 2% đáy biển sâu, trong lúc con người biết chi tiết mặt trăng nhiều hơn đáy biển.
Con người biết khá nhiều về sinh vật biển từ mặt biển đến độ sâu 200 m, tức là vùng có ánh sáng (Photic zone), nơi loài người khai thác hải sản, nhưng biết rất ít về sinh vật ở vùng biển tối (Aphobic zone, epipelagic), sâu trên 200 m.
Trong bài này, tác giả không đề cập đến sinh vật ở tầng nước biển trong vòng 200 m từ mặt nước, mà chỉ tập trung vào sinh vật ở tầng nước không có ánh sáng, sâu từ 200 m tới 11.000 m.
MÔI TRƯỜNG VÙNG BIỂN TỐI
Một thế giới đen. Cường độ ánh sáng mặt trời giảm dần khi xuống sâu. Nếu là nước trong vắt, ở độ sâu 1 m ánh sáng bị hấp thụ 60%, ở độ sâu 10 m ánh sáng chỉ còn 20%, và ở độ sâu 150 m chỉ còn 1%, và hoàn toàn đen tối ở độ sâu 200 m. Nếu nước đục, có nhiều tảo, mắt có thể không nhìn thấy gì ở độ sâu chỉ vài ba mét.
Ngoài ra, nước hấp thụ mạnh các bức xạ có độ dài sóng (wavelength, L) hay tần số lớn (Frequency, F) như Cực-Đỏ (Infra-Red, L>800 nm; F=1 to 400 THz,), Đỏ (Red, L= 620-750 nm; F= 400-484 THz), hấp thụ yếu hơn với độ dài sóng trung bình, như Cam (Orange, L= 590-620 nm; F= 484–508 THz), Vàng (Yellow, L=570-590 nm; F=508–526 THz), Xanh (Green, L=495- 570 nm; F=526–606 THz), và yếu nhất với Lục (Blue, L=450-475 nm; F=631–668 THz), Tím (Violet, L=380-450 nm; F=668–789 THz) và Cực-Tím (Ultra-Violet, <380nm; >789 THz). Vì vậy, bức xạ Cực-Đỏ hoàn toàn bị hấp thụ hết ở độ sâu 3m, Đỏ ở 5 m, Vàng 50 m, Lục ở độ sâu nhất 275 m. Vì bức xạ Đỏ và Vàng bị hoàn toàn hấp thụ bởi lớp nước mặt, chỉ còn Xanh và Lục xuống tới lớp nước sâu nên mắt người thấy biển sâu có màu lục. Cũng vì vậy, các sinh vật sống ở mỗi tầng nước sâu phải có cơ nguyên thích ứng với bức xạ còn lại ở tầng đó.
Ở độ sâu quá 275 m, nước hoàn toàn hấp thụ hết bức xạ của ánh sáng mặt trời nên trở nên đen tối. Tuy nhiên, mắt loài người chỉ tiếp nhận (thấy) giải bức xạ từ 390 nm đến 750 nm, hay đúng hơn giải tầng số 400–790 THz, tức từ Tím đến Đỏ. Bởi vì nước biển không hoàn toàn tinh khiết, trong thực tế ở lớp nước có độ sâu quá 200 m thì hoàn toàn tối.
Không có thực vật trong thế giới đen tối ở biển sâu. Chỉ có động vật và vi khuẩn.
Trong thế giới đen tối, để tìm thực phẩm, bắt mồi, tìm đối tượng bắt cặp, hay lẫn tránh tình địch, mọi động vật đều có con mắt rất to, võng mạc mắt (retina) cấu tạo bởi những khối hình trụ để gia tăng độ nhạy cảm thị giác. Một số khác có phụ túc cảm giác thay thế mắt. Nhiều sinh vật có bộ phận phát quang sinh học (bioluminescence). Chẳng hạn cá biển sâu có mắt thật to, nhìn được nhiều hướng, và có bộ phận phát quang như đèn soi đính ở các râu dài (phụ túc). Ngoài ra, việc tìm đối ngẫu khó khăn ở thế giới đen tối, nhiều động vật tiến hóa thành lưỡng tính (hermaphrodite), tự sinh sản mà không cần bắt cặp. Có loại đông vật khác tiến hóa có cơ quan khứu giác rất mạnh, ngữi được từ xa hóa chất tình dục phát ra từ đối ngẩu.
Thiếu nguồn thức ăn. Vì không có ánh sáng, nên không có hiện tượng quang tổng hợp, nguồn thức ăn của sinh vật ở biển sâu, hoặc phải nhờ vào trầm tích hửu cơ từ tầng mặt biển lắng xuống, hoặc ăn thịt sinh vật khác, hoặc biến hóa chất vô cơ ở đáy biển thành chất hửu cơ. Vì vậy, càng xuống sâu càng ít động vật lớn như cá vì phải sống nhờ trầm tích hửu cơ từ mặt biển lắng xuống, nhưng lại giàu vi sinh vật.
Các trầm tích hửu cơ được gọi là “tuyết biển” (marine snow). Đó là phần xác chết bị thối rửa của sinh vật sinh sống ở tầng nước có ánh sáng trên mặt biển, gồm cá, rong rêu, phiêu sinh, vi sinh vật v.v. Các trầm tích hửu cơ lắng xuống sâu tương tự như tuyết rơi, là nguồn thức ăn của sinh động vật ở biển sâu. “Tuyết biển” cũng biến đổi theo mùa, phong phú ở mùa rong biển và phiêu sinh quang tổng hợp mạnh. Cá ở biển sâu có miệng rất lớn và bộ răng rất mạnh để bắt mồi sống.
Áp xuất khổng lồ. Áp xuất của nước biến thiên theo chiều sâu, 20 atmospheres (2 megapascals) ở độ sâu 200 m, tới 1.000 atmospheres (100 megapascals) ở độ sâu 10.000 m, tương tự như trọng lượng của vài trăm con voi cùng đứng trên bàn chân của mình.
Để thích ứng với áp xuất cao, cá và động vật khác có kích thước nhỏ hơn đồng loại ở mặt biển, thông thường cá có chiều dài dưới 25 cm, thịt mềm như đông sương, với bộ xương rất nhỏ. Cũng để tránh cơ thể bị ép vỡ nát dưới áp xuất cao, các cơ quan trong động vật biển sâu cũng không chứa nhiều các khoảng trống (cavity) như động vật trên mặt biển.
Nước rất lạnh. Nếu ở mặt biển có nhiệt độ 25ºC, ở độ sâu 1.000 m có nhiệt độ 12 ºC, ở độ sâu 2.000 m có nhiệt độ 4 ºC, và sâu hơn nữa khoảng 2-3 ºC.
Không có oxy. Nước càng sâu càng không có oxy hòa tan trong nước. Ít thức ăn, và thiếu oxy, động vật biển sâu có biến dưởng rất chậm, và có cơ nguyên thích ứng sống được với ít oxy, di động chậm chạp. Vì tiết kiệm năng lượng để di động đi tiềm mồi, nhiều động vật phát triễn bộ phận “phục kích” để bắt mồi. Có động vật biển sâu không hô hấp với oxy hòa tan trong nước, nên có loại cá không có mang hay mang không phát triễn. Vi sinh vật có một cơ chế đặc biệt để trích lấy oxy từ các chất oxit kim loại ở đáy biển (chemosynthesis).
Chính vì những nguyên nhân trên, công việc nghiên cứu sinh vật ở đáy biển sâu rất khó khăn. Chỉ nghiên cứu được mẫu động vật chết vì các sinh vật này trong lúc được đưa lên tầng cao hơn là đã chết rồi, trước khi lên tới mặt nước và vào phòng thí nghiệm. Để chúng sống được, phải có dụng cụ lưu trữ đặc biệt giống y như môi trường đáy biển, nhất là áp xuất, phải tạo một áp xuất nhân tạo rất cao để chúng không bị trương nỡ mà vỡ nát khi lên trên mặt biển ở áp xuất không khí 1 atmosphere.
Một thế giới đầy biến động
Trước đây, con người nghĩ rằng chỉ ở mặt biển mới có những dòng thủy lưu, như Gulf Stream, mới có sóng và bảo tố, còn đáy biển chỉ là một thế giới yên tỉnh. Từ ngày có những dụng cụ tối tân, con người khám phá ra rằng đáy đại dương cũng đầy biến động không khác gì trên mặt biển, cũng có những dòng thủy lưu ngầm, khí hậu đổi theo mùa, và thỉnh thoãng có bão-đáy-biển (benthic storm).
Bảo-đáy-biển có sức mạnh đủ đào khoét đáy biển bứng tầng trầm tích (nepheloid) lắng tụ từ mặt biển chìm xuống, rồi thủy lưu ngầm chuyển đến nơi khác. Ở đáy Tây Bắc Đại Tây Dương có hai dòng thủy lưu ngầm chảy vòng tròn (Gyre), với lưu lượng nước khỗng lồ, một chảy theo chiều kim đồng hồ, cái kia theo chiều ngược, xuất phát từ vùng có dảy núi lữa đã tắt thuộc vùng núi ngầm New England, và chạy dài tới ngoài khơi vùng Cape Cod. Các dòng thủy lưu ngầm chạy vòng tròn này thường ở độ sâu 5.000 m, với lưu lượng 62,5 km3/giây, tương đương với thủy lưu Gulf Stream trên mặt biển khi chảy qua Mũi Florida.
Các nghiên cứu cho biết các vòng nước xoáy trên mặt biển, như thường thấy ở Gulf Stream, được truyền xuống đáy tới độ sâu 5.000 m cung cấp năng lượng cho các dòng thủy lưu ngầm. Chẳng hạn, dưới dòng thủy lưu Gulf Stream có một dòng thủy lưu ngầm chảy ngược chiều ở độ sâu 3.000 m.
Tháng 12/1999, báo Deep Sea Research công bố có những dòng nước chảy ở độ sâu 3.340 m ngoài khơi Greenland, trung bình mỗi năm có 4 dòng chảy, mỗi lần kéo dài một tuần. Dòng nước lạnh 0,01ºC di chuyển bên trên đáy biển 50 m, với vận tốc 1,548 m/giờ,và thường đổi hướng thình lình.
Ngày 26/3/2010, nghiên cứu của Đại Học The University of Western Australia cho biết đáy biển Tây Bắc Úc ở độ sâu 400 m có những đợt sóng ngầm có chiều cao 80 m, di chuyễn với vận tốc khoảng 2 km/giờ, chạy vào bờ, với năng lượng phi thường có thể ảnh hưởng đến các dàn khoan dầu và dây cáp ở đáy biển. Sóng ngầm xảy ra khi khối nước lạnh ở đáy đại dương bị đẩy lên mặt tạo ra các biến động.
SINH VẬT BIỂN SÂU
So với mặt biển, càng xuống sâu động vật càng nghèo nàn, không có thực vật, nhưng phong phú vi khuẫn.
Vào đầu thế kỹ 19, các nhà khoa học tin tưởng rằng không có sinh vật sống ở biển sâu quá 550 m. Tuy nhiên, năm 1818 các nhà khoa học hoàng gia Anh bắt được Sứa (Jelly fish) và Trùn biển (Worm) ở độ sâu 2.000 m, và năm 1850 thấy động vật còn khá phong phú ở độ sâu 800 m. Chính vì vậy, từ 1872 đến 1876, chiếc tàu HMS Challenger của hoàng gia Anh thám hiểm và khám phá vùng biển sâu nhất thế giới là vực Challenger Deep (sâu 10.911 m), và thấy có nhiều sinh vật khác lạ ở đáy vực này. Năm 1898-1899, chiếc tàu thám hiểm đầu tiên của Đức là Valdivia lấy được mẫu nhiều loại động vật mới ở độ sâu 4.000 m tại vùng phía nam Đại Tây Dương. Năm 1930, William Beebe và Otis Barton dùng máy lặn đầu tiên tới độ sâu 435 m, thấy Sứa và Tôm (Shrimp). Năm 1960, máy lặn Trieste do Jacques Piccard và Don Walsh điều khiển lặn tới đáy vực sâu Challenger Deep và tường trình qua điện thoại từ đáy vực thấy có cá và nhiều sinh vật khác.
Ngày 24/3/1995, máy lặn không người lái Kaiko của Nhật lặn tới đáy vực Challenger Deep (10.911 m), quay được video cho thấy Trùn Ống (tubeworm) và tôm sống ở đáy vực. Tháng 2/1996, Kaiko lặn lại lấy mẩu trầm tích đáy biển cùng vi sinh vật, khám phá chỉ ở độ sâu này mới có vi khuẫn Moritella yayanosii và Shewanella benthica, và các nghiên cứu sau này cho biết 2 vi sinh vật này không thể sống ở biển cạn 5.000 m. Hai vi khuẫn này chứa nhiều chất docosahexaenoic acid (DHA) và eicosapentaenoic acid (EPA), omega-3 fatty acids có tiềm năng chửa trị bệnh cao áp và cancer. Tháng 5/1998, Kaiko làm chuyến thám hiểm thứ 3 ở Vực Challenger, lấy được mẫu Hirondellea gigas là một loài giáp xác (tôm cua).
Hirondellea gigas
Tháng 10/1999, Kaiko thám hiểm vùng Vực Ryukyu lấy được mẫu vi khuẫn Shewanella violacea ở độ sâu 5.110 m. Vi khuẫn này có chứa một sắc tố tím sáng ngời có thể xử dụng trong kỹ nghệ mỹ phẩm (làm da láng và trắng hơn), cũng như làm chất bán dẫn (semiconductor).
Cá biển sâu. Vì tùy thuộc vào nguồn thức ăn từ “tuyết biển”, biến thiên theo mùa nên tương đối hiếm hoi, cá biển sâu có kích thước nhỏ, tăng trưởng rất chậm, có miệng rất to. Ở biển thật sâu, hoàn toàn đen tối, cá có mắtt nhỏ nhưng có bộ phận phát quang như ở loài cá Gigantactis sống ở độ sâu 1.000 – 2.500 m. Càng ở sâu, da thịt cá mềm nhũn như đông sương và có bộ xương nhỏ.
Sau đây là vài loại cá tiêu biểu từ cạn xuống sâu, ở độ sâu từ 200 m tới 2.500 m.
Cá lồng đèn (Lantern fish) nhỏ, có nhiều giống, dài từ 2 cm đến 30 cm, đa số dài dưới 15 cm. Giống sống trên phần biển cạn thì lớn, có màu lục đến xanh hay bạc, còn giống sống biển sâu thì nhỏ, màu nâu sậm hay đen. Cá sống thành tập đoàn lớn, ban ngày ở độ sâu từ 300 m đến 1.500 m, ban đêm trồi lên mặt, ở độ sâu 10 m đến 100 m, để kiếm ăn, rạng sáng hôm sau thì lặn xuống sâu. Ban đêm khi đàn cá lồng đèn xuất hiện, cả vùng biển rạng lên ánh sáng vì đầu cá phát quang. Tổng số lượng cá lồng đèn trên thế giới khoảng 550-660 triệu tấn, chiếm 65% tổng số lượng cá trên thế giới, là nguồn thức ăn cho cá voi, dolphin, cá mập, salmon, cá thu, chim, mực, v.v. Cá lồng đèn ăn tạp, từ phiêu sinh động thực vật, rong, đến cá nhỏ, ăn cả rác rến, bao nhựa plastic, nên góp phần giải quyết vấn đề ô nhiểm đại dương. Mặc dầu chiếm đa số, nhưng chỉ một phần rất nhỏ được khai thác thương mại.
Cá lồng đèn (Lantern fish)
Mực khỗng lồ (Humboldt squid - Dosidicus gigas) ở độ sâu từ 200 m đến 700 m, sống và di chuyển tập đoàn tới 1.200 con, với vận tốc 24 km/giờ, rất hung hăng, tấn công mọi động vật khác kễ cả thợ lặn. Thân mực dài 1,5m (không kễ râu), nặng 50 kg. Ban ngày, mực lặn sâu, ban đêm cả tập đoàn trồi lên mặt, rất thông mình, biết phân công bắt ví đàn cá mồi.
Mực khỗng lồ (Humboldt squid)
Cá-lưng-gù (humpback anglerfish) hay cá xạ-quỷ (Black seadevil) (Melanocertus johnsonii) ở độ sâu tới 2.000 m. Cá đực dài 3 cm, cá mái dài 20 cm, màu đen có hình thù kỳ quái.
Cá lưng-gù
Thân mềm nhủn như đông sương, không có vảy, đầu to, vẽ mặt dữ tợn, có bộ răng nhọn. Chỗ lưng gù có bộ phận phát quang. Phát quang là do vi khuẫn thuộc tộc Vibrionaceae sống cộng sinh ở dưới làn da nơi lưng gù. Mắt nhỏ.
Cá Gigantactis. Ở độ sâu 1.000 m đến 2.500 m. Cá có một phụ bộ dài ở đầu đính một bộ phận phát quang. Con đực dài 2 cm, con cái dài 20 cm. Mắt rất nhỏ. Phụ bộ phát quang dùng làm bối rối đánh lừa tình địch, và bắt mồi.
Gigantactis macronema có phụ bộ phát quang dài 6 lần thân
Ngoài ra, còn có những giống cá to lớn, ở biển sâu nhưng ăn mồi ở tầng mặt biển, nên là nguồn cá khai thác thương mại. Các giống cá sau đây đang trên đà tuyệt chủng, vì cá tăng trưởng rất chậm, có tuổi thọ tương đương loài người, tuổi trưởng thành đẻ trứng cũng khoảng 15 năm tuổi, mà đẻ ít trứng. Cá Đuôi-Chuột-Mũi-tròn (Rattail roundnose grenadier, Coryphaenoides rupestris) dài 1 m, tuổi thọ 50 năm, ở độ sâu 400 -1.200 m, có khi tới 2.600 m; cá Mắt-Cũ-hành (Onion-eye grenadier, Macrourus berglax) có đầu thật to, dài 1 m, ở độ sâu 300 - 500 m; cá Thu Xanh (blue hake, Macruronus novaezelandiae) dài 0,6 -1,2 m, ở độ sâu 10 m tới 1.000 m tại vùng biển Tân Tây Lan; Cá chình-biển-có-gai (spiny eel, Notacanthus chemnitzii) dài 1,2 m, ở đáy đại dương; Cá Đuối gai (spinytail skate, Bathyraja spinicauda) dài 1,5 m, ở độ sâu từ 165 m đến 1.450 m.
MÔI TRƯỜNG CỘT-NƯỚC-NÓNG VÀ SINH VẬT
Năm 1977, một khám phá khá bất ngờ nhưng đầy thú vị là dưới đáy biển sâu trên 2,5 km có nhiều cột-nước-nóng (hydrothermal vents) đang phun, giống như ống khói (chimney), nước phun ra mang theo nhiều dung nham. Ngoài kim loại quí, chung quanh ống khói này lại rất phong phú vi sinh vật, và động vật lớn như ngao tượng (giant clams), trùn-ống khỗng lồ (giant tube worms) và tôm.
Nước ở đáy biển sâu có nhiệt độ 2 °C, nhưng nước ở trung tâm cột-nước-nóng có nhiệt độ từ 60 đến 465°C. Mặc dầu ở nhiệt độ cao này, nước biển vẫn chưa sôi và bốc hơi vì áp xuất cao và nước rất mặn. Nước tinh chất sôi và bốc hơi ở 100°C với áp xuất không khí 1 atmosphere, nhưng với áp xuất 300 atmospheres (ở độ sâu 3.000 m) nước tinh chất sôi ở 375 °C, nhưng với nước biển phải 407 °C mới sôi. Ngoài ra, mặc dầu muối là chất kiềm (có pH >7) nhưng nước biển ở cột-nước-nóng lại rất acit, pH có thể 2.8.
Nước phun từ cột-nước-nóng giàu kim loại hòa tan, là nguồn thức ăn của vi khuẫn tự dưởng sống nhờ chất khoáng (chemo-autotrophic bacteria). Các vi khuẫn này biến nhiệt, methane, và hợp chất lưu huỳnh (Sulfur), nhất là hydrogen sulfide để sản xuất chất hửu cơ qua hiện tượng hóa-tỗng-hợp (Chemosynthesis), khác với sinh vật ở mặt biển sống nhờ vào ánh sáng mặt trời qua hiện tượng quang-tỗng-hợp (Photosynthesis). Tuy nhiên, có một loài vi khuẫn sống kế bên cột-nước-nóng ở độ sâu 2.500 m ngoài khơi Mexico, nơi không có ánh sáng mặt trời rọi tới, có khã năng quang-tỗng-hợp từ ánh sáng lờ mờ của cột-ống-khói-đen ở đáy biển sâu. Các vi khuẫn hóa-tỗng-hợp như Archae (sinh vật đơn bào không có nhân) và Extremophiles (sinh vật sống ở điều kiện thái quá mà sinh vật bình thường không sống được) là sinh vật đầu trong dây chuyền thực phẩm (food chain). Chúng sống nhờ vào trầm tích khoáng chất ở đáy đại dương, đặc biệt rất phong phú ở các cột-nước-nóng, tạo thành một thảm dày vi sinh vật. Chúng lại là thức ăn của bọ-biển (amphipods), bọ cua (copepods). Ngược lại, các động vật tí ti này lại là nguồn thức ăn cho động vật lớn hơn như sên biển (snail), tôm mù (eyeless shrimp), cua (crab), ngao sò, trùn ống (tube worm), cá, và bạch tuộc (octopus). Quan trọng nhất là tập đoàn trùn ống tạo thành một khối lớn sống tại chân cột-ống-khói. Trùn ống sống ký sinh, không có miệng và đường tiêu hóa, hấp thụ thẳng chất khoáng qua mô tế bào, mang theo cả vi khuẫn-hóa-tỗng-hợp. Có khoảng 627 tỷ vi khuẫn chứa trong 1 kg trùn ống. Các vi khuẫn này sống cọng sinh với trùn ống. Trùn ống có chứa một loại huyết cầu hemoglobin, huyết cầu này kết hợp với hydrogen sulfides để cung cấp cho vi khuẫn, ngược lại vi khuẫn cung cấp cho trùn ống hợp chất hửu cơ chứa C mà nó tổng hợp được. Ngoài ra, còn có giống trùn-ống-khỗng-lồ (Giant tube worms) dài 2,4 m, sống ở nơi chứa nhiều hydrogen sulfides ở cột-nước- nóng Thái Bình Dương. Nơi nào có trùn ống là nơi đó có tập đoàn lươn biển đến ăn, đông đúc đến nỗi gọi là “thành phố lươn” (Eel city).
Tập đoàn trùn ống sống tại chân cột-ống-khói đen
Ngoài ra, ở chân cột-ống-khói đen còn có sên Crysomallon squamiferum có chân mang vảy cứng như sắt vì cấu tạo bởi sulfide sắt (pyrite và greigite), và trùn Pompeii Alvinella pompejana có thể sống ở nhiệt độ 80°C.
Vi khuẫn Thermococcus litoralis cũng như nhiều sinh vật sống ở môi trường thái quá (extremophiles) như Thermaerobacter marianensis chứa nhiều enzymes chịu nhiệt (thermostable enzymes) như DNA polymerase cần thiết cho kỹ thuật sinh học phân tử ngày nay.
Nghiên cứu gần đây cho biết ngoài khơi Mexico, ở độ sâu 500-600 m hoàn toàn đen tối và nhiệt độ 10ºC, có một động vật giống như anemone biển có chứa protein phát quang màu xanh rạng rỡ, mang tên cerFP505, nay được xữ dụng trong y khoa để đánh dấu tế bào (cell marker).
KẾT LUẬN
Về mặt kinh tế, động vật biển sâu ít quan trọng, mặc dầu chỉ có năm bảy loài cá được khai thác thương mại và chúng trên đà tuyệt chủng. Tuy nhiên, về mặt sinh môi, động vật đáy biển là đầu mối trong dây chuyền thực phẩm. Quan trọng nhất là vi khuẫn đáy biển sâu giữ vai trò quan trọng cho môi trường địa cầu và có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng hâm nóng toàn cầu (đề cập trong kỳ tới).
Reading, 9/2011
