Khả năng phát sáng của sinh vật biển

Sự tình cờ có giá trị

Năm 1927, trong lúc dạo bộ trên bờ biển ở vịnh Torbay (Anh), ông Phillips tình cờ đã phát hiện những con hải quỳ trong các vũng nước triều đọng lại phát ra ánh sáng xanh khi được rọi đèn pin đã được lọc bỏ các ánh sáng nhìn thấy (chỉ truyền ánh sáng cực tím – UV). Ông bắt đầu nghiên cứu và đã trở thành học giả đầu tiên công bố các kết quả về hiện lượng lý thú này… Đến những năm 30 của thế kỷ XX, ông Kawaguit, người Nhật đã chú ý đến các sắc tố phát sáng của san hô khi bị kích hoạt bởi ánh sáng UV. Những năm 40, vợ chồng ông Catala đã nuôi thí nghiệm một số loài sinh vật biển có khả năng phát sáng khi bị chiếu ánh sáng UV trong phòng tối. Các kết quả thu được hết sức khả quan. Sự phát sáng của sinh vật biểu trong phòng tối do bị kích thích bởi ánh sáng UV đã tạo ra thế giới màu sắc huyền ảo, vô cùng hấp dẫn. Ông bà Catala đã sáng lập ra Bảo tàng sinh vật biển Noumea (New Calodenia Nam Thái Bình Dương). Bảo tàng này đã nổi danh thế giới với hệ thống trưng bày “Sinh vật biển phát sáng”, huyền ảo và hấp dẫn du khách.

Các loài sinh vật biển phát sáng và phát quang

Cho đến nay, đã phát hiện hơn 507 loài sinh vật biển có khả năng phát sáng khi bị kích hoạt bởi các nguồn sáng. Trong đó, phần lớn các loài san hô, rồi đến loài chân dụng (có hơn 200 loài), chủ yếu là Trochidae, Bullidae, Cypraeidae, Triviidae, Haliodae, Fissurelliadae, nhóm chân đầu như mực Tuộc, Nang, ống… Nhóm động vật thể xoang…

Khác với phát quang sinh học, là đặc tính tự nhiên của một số loài thủy sinh có kích thước nhỏ (từ micromets đến vài centimét), có bản chất liên quan đến các phản ứng sinh hoá lý của chúng, một số loài sinh vật biển có khả năng đặc biệt là phản xạ, phát ra ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 450 – 600 nm) khi bị kích hoạt bởi các nguồn sáng không nhìn thấy (có bước sóng nhỏ 450 - nguồn UV hay lớn hơn 600 nm - nguồn hồng ngoại) chiếu vào.

Bước đầu nghiên cứu, Viện Hải dương học Nha Trang đã phát hiện được 18 loài sinh vật ở vịnh Nha Trang có khả năng phát sáng và Viện cũng đã nuôi thử nghiệm thành công 4 loài san hô, phục vụ cho các triển khai ứng dụng ở Việt Nam.

Hiện nay, khoa học hải dương đã xác định và lựa chọn khoảng 10 loài thuộc nhóm san hô, thuỷ tức, hải quỳ… có khả năng phát sáng rất mạnh, ổn định.

Cấu trúc protein - Bản chất của quá trình phát sáng

Vì sao một số loài sinh vật biển lại có khả năng phát sáng khi bị kích hoạt bởi các nguồn sáng khác chiếu vào, đặc biệt là nguồn UV?

Theo các nhà khoa học, hiện tượng phát sáng của các loài thuỷ sinh khi bị kích hoạt bởi các nguồn sáng UV này phụ thuộc vào cấu trúc của các protein. Chính vì các protein của các vi sinh vật biển khác nhau, đặc điểm thích ứng, chịu được tác đọng của các sóng ánh sáng khác nhau đã tạo ra khả năng phát sáng của chúng. Có một số loài sinh vật hay một số cấu trúc sinh học bị huỷ hoại dưới tác dụng của ánh sáng UV. Trái lại, có những loài hay bộ phận sinh học khác lại bền vững, không bị phá huỷ dưới tác dụng của ánh sáng UV. Dựa vào các kết quả nghiên cứu về sự thay đổi của cấu trúc các nguồn sáng, các chuyên gia Nhật Bản đã giải thích vì sao phần lớn các loài san hô ở vùng biển nông có khả năng phát sáng khi bị nguồn UV chiếu vào. San hô đã có quá trình tiến hoá hàng ngàn hoặc triệu năm trong các vùng biển nhiệt đới. Để thích nghi, các sắc tố của san hô có khả năng sàng lọc các loại ánh sáng mặt trời, hấp thụ các ánh sáng UV độc hại, chuyển hoá, phát ra các ánh sáng nhìn thấy được (bước sóng 450 – 600 nm) ít độc hại hơn.

Ở nước biển, khi bị khuấy động do các chuyển động của tàu bè, sự vận động bơi lội… vào ban đêm, chúng ta thấy xuất hiện các vệt sáng phát ra. Đó chính là hiện tượng phát quang sinh học của một số loài đơn bào thuộc Dinoflagellates. Phần lớn hiện tượng phát quang sinh học do sợ “cọ xát cơ học” thường xảy ra trên tầng mặt và tầng sát mặt – trong khoảng trên dưới chục mét. Ngoài ra, khoa học hải dương cũng phát hiện được một số loài sinh vật sống ở những tầng sâu hơn 200 – 1.000m, thậm chí đến 4.000 m có khả năng phát quang. Đó là các loài cá, giáp xác, có kích thước nhỏ, chỉ khoảng vài centimet. Phát sáng sinh học là một trong những đặc trưng thích nghi của chúng trong quá trình tiến hoá. Phát sáng có thể là công cụ kiếm mồi, là công cụ chống trả kẻ thù, là phản ứng “tự vệ” do điều kiện môi trường thay đổi mạnh. Đấy là những đặc trưng mang tính bản chất của các phản ứng sinh hoá, đặc trưng của một số loài thuỷ sinh.

Hiện tượng phát sáng của một số loài sinh vật biển khác (sinh vật biển phát sáng) như san hô, hải quỳ… chỉ xuất hiện khi bị kích hoạt bởi các nguồn sáng, chủ yếu là ánh sáng UV. Nhóm này không có khả năng phát sáng khi bị thay đổi trạng thái sinh lý hay cọ xát cơ học.

Những ứng dụng của sinh vật biển phát sáng

Hiện tượng phát sáng của sinh vật biển khi bị kích hoạt bởi các nguồn sáng không nhìn thấy, đang được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

- Phân loại sinh học biển, đặc biệt là phân loại các loài san hô.

- Nghiên cứu lịch sử tiến hoá và quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu trong quá khứ, dự báo cho tương lai.

- Nghiên cứu phục vụ cho việc đánh giá, xác định chất lượng môi trường nước, môi trường trầm tích, môi trường sinh học. Đặc biệt là trong nghiên cứu để tạo ra các loài vi sinh chỉ thị độc chất môi trường.

- Nghiên cứu các cấu trúc phân tử động, đặc trưng cho thế giới sinh vật, phục vụ việc xác định nguyên nhân, diễn biến và ngăn ngừa, điều trị các bệnh hiểm nghèo trong y học.

- Khai thác phục vụ kinh doanh, giải trí trong các hệ thống bảo tàng sinh học và hải dương học.

Người ta đã sử dụng công nghệ biến đổi gen để tạo ra nhiều sản phẩm độc đáo như cá phát sáng (Trân Châu đêm), vi sinh vật biến đổi cường độ chiếu sáng khi tiếp xúc với các vi sinh vật gây hại hoặc hoá chất độc gây ung thư… Đó là những “đầu dò” thuộc hệ thống mới trong các thiết bị cảnh báo môi trường, cảnh báo bệnh tật..

Sinh vật biển phát sáng rất phong phú ở vùng biển Việt Nam . Đó là nguồn lợi quý giá, cần nghiên cứu một cách toàn diện, đồng bộ để khai thác, sử dụng và bảo vệ nguồn lợi đặc biệt này.