Rắn qua mặt sa giông độc trong cuộc đua tiến hóa

Mặc dù rắn không biết ăn món fugu – một món hải sản ngon lành được chế biến từ cá blowfish vốn nổi danh với một loại chất cực độc trong cơ thể nó; nhưng nếu một con rắn không độc có sọc dài trót lang thang đến một cửa hàng sushi thì nó cũng không hề ngần ngại khi gọi một bữa tối fugu thịnh soạn.

Loài rắn này đã tiến hóa khả năng kháng chất độc của cá blowfish – chất độc tetrodotoxin (TTX) – bằng cách săn những con sa giông da nhám cũng có khả năng tiết ra chất độc này. Trong khi đó một số con sa giông độc đến nỗi lượng TTX trong cơ thể nó có thể giết hàng chục người trưởng thành.

Tại sao một con vật nhỏ bé như thế lại có thể tiết ra một lượng chất độc quá lớn như vậy? Câu trả lời nằm ngay trong mối quan hệ tiến hóa giữa loài sa giông và loài rắn sọc không độc. Trong phạm vi lãnh thổ chung của hai loài, cả sa giông và rắn đều bị giữ trong vòng tròn truy đuổi: những con rắn kháng TTX khiến chọn lọc tự nhiên phải tạo ra những con sa giông ngày càng độc; ngược lại những con sa giông tiến hóa lại buộc chọn lọc tự nhiên ưu tiên tăng cường khả năng kháng độc của rắn.

Trong một bài viết đăng tải ngày 11/3 trên tờ Library of Science: Biology, Charles Hanifin – nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ thuộc Trung tâm nghiên cứu biển Hopkins tại Standford – cùng đồng nghiệp đã viết rằng ở một số vùng, loài rắn đã thắng thế trong “cuộc đua vũ trang” nhằm tiến hóa trong mối quan hệ giữa động vật ăn thịt và con mồi. Đáng ngạc nhiên là, ở một vài vùng địa lý loài rắn đã phát triển khả năng kháng cự chất độc TTX đến một giới hạn mà chất độc của sa giông không thể bắt kịp.

Loài lưỡng cư độc nhất trên thế giới

Một số “cư dân” trong quần thể sa giông có thể sản xuất một lượng chất độc TTX đủ để giết hàng ngàn con chuột hoặc lấy đi sinh mạng của 10 đến 20 người. Theo Hanifin, loài sa giông này còn độc hơn cả loài ếch có độc nổi danh Nam Mỹ.

Hanifin cho biết: “Một số cá thể sa giông đặc biệt quả thực là đại diện cho loài lưỡng cư độc nhất trên hành tinh chúng ta”.

Đã từng có những ca tử vong vì chất độc của sa giông. Tờ American Medical Association có đăng một bài về trường hợp một người đàn ông 29 tuổi đã chết sau khi nuốt một con sa giông dài 8 inch khi bị thách thức. Tờ báo cũng nêu một trường hợp khác ở bang Oregon, người đàn ông 26 tuổi đó đã vật lộn để sống sót sau khi ông ta nuốt 5 con sa giông nhằm thắng cá cược. Ngay sau đó, ông ta thấy chóng mặt, nôn ọe, rồi kiệt sức không thể đi nổi một bước; mặc dù cuối cùng ông ta đã được bác sĩ cứu sống.

Một con rắn Thamnophis sirtalis đang ăn con sa giông tetrodotoxic Taricha granluosa. (Ảnh: Edmund D. Brodie III)

Nếu không xét đến những trường hợp nêu trên thì sa giông hiếm khi làm hại con người. Bạn có thể an toàn cầm con sa giông bằng tay không vì chất độc của nó không thấm qua da. Chỉ khi ăn sa giông mới có độc. Theo Hanifin, con vật thường tiết ra một mùi gắt để cảnh báo những con vật và trẻ em không nên ăn nó.

Thoát khỏi "cuộc chạy đua vũ trang”

Thoạt nhìn, số lượng sa giông và rắn dường như cân bằng với nhau. Những con sa giông độc nhất cùng chung sống với những con rắn có khả năng kháng độc cao nhất. Những vùng không có sa giông độc lại là nơi cư ngụ của những con rắn không có khả năng kháng độc.

Dữ liệu về loài rắn sọc dài do các cộng tác của Hanifin, gồm Edmund Brodie Jr. thuộc đại học bang Utah và Edmund Brodie III thuộc đại học Virginia, thu thập. Họ đã xác định khả năng kháng TTX của rắn bằng cách tiêm chất độc vào cơ thể con vật rồi xem con rắn có thể trườn nhanh đến mức nào. Mặc dù chất độc TTX không thể giết được rắn, nhưng nó làm con vật trở nên chậm chạp trong một khoảng thời gian nhất định. Những con rắn có khả năng kháng độc thấp di chuyển chậm hơn sau khi tiêm TTX, có những con thậm chí còn bị tê liệt tạm thời.

Để tìm hiểu kĩ càng hơn về mối quan hệ giữa rắn và sa giông, Hanifin cùng đồng nghiệp của ông đã làm thí nghiệm với 383 con sa giống lấy từ các vùng khác nhau nơi mà hai anh em nhà Brodie đã tiến hành kiểm tra khả năng kháng độc TTX của loài rắn sọc. Địa điểm tìm kiếm sa giông trải dài dọc theo bờ biển phía tây từ British Columbia (tỉnh cực tây của Canada) cho đến trung tâm California (Hoa Kì).

Hanifin nhận thấy loài rắn sọc đã chiếm thế thượng phong so với sa giông. Ở 1/3 địa điểm tiến hành nghiên cứu, những con sa giông độc nhất vẫn có thể bị những con rắn có khả năng kháng độc thấp nhất ăn thịt. Điều này có nghĩa là tất cả mọi con rắn đều có thể săn sa giông mà không cần phải tính toán đến khả năng kháng TTX của chúng. Cũng chính vì thế, chúng cũng không phải chịu đựng một áp lực tiến hóa nào trong việc tăng cường khả năng kháng độc.

Hanifin nói: “Tôi cho rằng loài rắn đã chiến thắng cuộc đua tại những địa điểm khảo sát này”.

Làm sao rắn đạt được mức kháng độc TTX cao đến thế, trong khi độc của loài sa giông phải chịu lạc hậu phía sau? Theo Hanifin, dường như là có rất nhiều gen trong hệ gen của rắn đã tham gia vào khả năng kháng độc này; có nghĩa là khả năng kháng TTX ở rắn tiến hóa vô cùng nhanh và mang tính chất nhảy vọt. Bên cạnh đó, hệ gen của sa giông lại hoạt động theo một cơ chế khác. Độ độc của sa giông tăng tỉ lệ thuận cùng với kích cỡ của nó.

Hơn nữa, sa giông cũng bị hạn chế bởi đặc điểm sinh học của chính nó. Chúng chỉ có thể kháng TTX mà không thể miễn dịch với nó. Chỉ cần tiêm một vài miligram TTX vào ruột con sa giông cũng có thể khiến nó chết, vì thế nó phải giữ chất độc trong da. Một con sa giông độc nhất có chứa khoảng 14 đến 15 miligram TTX, trong khi một số con rắn sọc có thể kháng đến 100 miligram TTX. Để chứa được một lượng TTX lớn như thế trong cơ thể, cấu trúc cơ thể con sa giông cần phải đảm bảo tỉ lệ 1 phần chất độc/ 9 phần da. Đây là một điều không thể thành hiện thực.

Theo Hanifin, mặc dù loài rắn đã giành chiến thắng trong cuộc đua nhưng vận may của nó có thể không kéo dài mãi mãi. Có một số bằng chứng cho thấy rằng khả năng kháng TTX cũng đòi hỏi phải trả giá. Những con rắn có khả năng kháng độc càng cao thì tốc độ bò của nó càng chậm so với những con có ít hoặc không có khả năng kháng độc. Giả sử khả năng kháng độc siêu mạnh của loài rắn không đem lại lợi ích gì cho nó thì chính khả năng này mang lại cái giá của sự tiến hóa. Con rắn cuối cùng cũng phải suy giảm khả năng kháng độc đến mức tỉ lệ chất độc trong sa giông có thể chiếm ưu thế hơn. Mặc dù Hanifin cho biết giả thuyết trên nghe có vẻ đáng tin cậy nhưng vẫn cần phải tiến hành nghiên cứu nhiều năm để khẳng định giả thuyết.

Thu thập và tiến hành thí nghiệm với những con sa giông

Cùng với cha vốn là một bác sĩ chuyên khoa da liễu, Hanifin đã nghiên cứu một phương pháp xác định mức độ độc của sa giông bằng cách sử dụng kìm phẫu thuật dùng để lấy da tiến hành sinh thiết. Hanifin đã lấy một miếng da hình tròn đường kính 0,5 centimet trên lưng con sa giông đã bị gây tê, sau đó cuộn mẫu da lại để phân tích lượng chất độc trong đó.

Để có được những con số chính xác là rất khó khăn. Hanifin đã phải dành 2 tháng học kĩ thuật từ các nhà nghiên cứu cá blowfish tại Nhật Bản. Sau khi đã giải quyết được phần thủ tục, Hanifin và đồng nghiệp phải mất 5 năm thu thập đủ số lượng sa giông dùng trong nghiên cứu.

Hanifin cho biết, sa giông là loài vật khá dễ tìm. “Chúng rất hiền. Chúng thường không khó chịu khi bị đụng vào. Nếu bạn đi tìm chúng ở các ao hồ thì chúng dường như đang bồng bềnh ở xung quanh bạn”.

Độc tố của loài sa giống khiến chúng không cần phải lẩn trốn các nhà nghiên cứu đi ủng cao su. Hanifin đã bắt hầu hết những con sa giông bằng tay. Ông nói ông không hề ghen tị với những người đi bắt rắn khi họ phải rượt đuổi con vật bò trườn thoăn thoắt trên cỏ và bụi rậm.

Trong quá trình đi thu thập sa giông, Hanifin đã nhận được sự giúp đỡ của mọi người trong phòng thí nghiệm của ông, các đồng nghiệp thuộc đại học bang Oregon, đại học Oregon, các nhà nghiên cứu Washington, California cùng những nhà khoa học thuộc Ngành cá và động vật hoang dã California.

Hanifin cho biết: “Hàng chục người đã đóng góp cho nghiên cứu này. Đó quả thực là một sự hỗ trợ lớn”.

Hướng nghiên cứu trong tương lai của Hanifin bao gồm tìm hiểu thêm về các bệnh ở người bằng cách khám phá hệ gen của rắn sọc kháng độc. Chất độc TTX đã ngăn cản tín hiệu điện tử từ các tế bào thần kinh bằng cách ức chế hoạt động của ống Natri. Những con rắn có khả năng kháng TTX lại có ống Natri bị biến đổi khiến cho chất độc không thể nhận ra. Ở người, khiếm khuyết tại các ống Natri có thể gây ra rất nhiều bệnh nghiêm trọng, trong đó có một vài dạng của chứng động kinh. Những kiến thức sinh học thu được về ống Natri có thể giúp điều trị những căn bệnh này.