Giao tử nấm có chuyến bay nhanh nhất trong tự nhiên

Loài nấm ưa phân đã giúp biến hành tinh của chúng ta thành môi trường sống lý tưởng bằng cách phân hủy hàng tỷ tấn phân do động vật ăn cỏ thải ra. Nhưng nó cũng lại có vấn đề của riêng mình: sự tồn tại của nó phụ thuộc vào quá trình giao tử nấm bị động vật ăn cỏ và một số loài động vật tiêu thụ khi chúng ăn đám cỏ mọc gần bãi phân của mình.

Tiến hóa đã vượt qua được trở ngại này bằng cách tạo ra một loạt các cơ chế phóng giao tử nấm, biến nó trở thành một cái rạp xiếc tí hon với bệ phóng, bạt lò xo và súng phun nước.

Một bài báo do phòng thí nghiệm Nik Money thuộc Đại học Miani (Oxford, Ohio) viết dưới sự cộng tác của Diana Davis và Mark Fischer thuộc Trường Mount St. Joseph (Cincinnati) đã khám phá được cơ chế hoạt động của súng phun nước có nhiệm vụ bắn giao tử đi xa hơn 2 met.

Các nhà nghiên cứu đã dùng máy quay tốc độ cao chụp được 250.000 hình ảnh trong vòng một giây để có thể chớp được hình ảnh hoạt động cực kỳ nhanh này. Giao tử được phóng ở tốc độ tối đa là 25m/s – tốc độ ấn tượng đối với tế bào chỉ có thể quan sát được trên kính hiển vi – tương đương với gia tốc 180.000 g. Nói về gia tốc thì đây là chuyển động nhanh nhất trong tự nhiên.

Bài báo công bố phát hiện có nhiều ý nghĩa quan trọng. Bởi đây là nghiên cứu đầu tiên sử dụng máy quay tốc độ cao để thu được hình ảnh sự kiện phóng giao tử ở nấm ascomycete và nấm zygomycete. Các nhà nghiên cứu trước đó chỉ dựa vào mô hình để dự đoán thông số đồng thời đưa ra ước tính sai lầm về vận tốc và gia tốc. Sau đó họ sử dụng phỏng đoán để đưa ra ý kiến rằng áp lực trong súng giao tử rất cao. Tế bào nấm có thể tạo ra áp lực nhờ có quá trình thẩm thấu. Trong nghiên cứu công bố trên tờ PloS ONE các tác giả đã sử dụng kết hợp nhiều phương pháp kính quang phổ để phát hiện được hợp chất hóa học có vai trò kéo nước chảy vào trong súng. 

Cuống nang được giải phóng ở nấm Pilobolus kleinii. Đoạn phim minh họa được dựng từ 6 hình ảnh khác biệt do máy quay chụp được ở tốc độ 50.000 khung ảnh trong một giây. Hình ảnh chọn lọc trên ghép từ các bức hình thứ 10, mỗi một bức ảnh cách nhau 20 phần triệu giây. Quá trình phóng cuống nang hoàn thiện trong vòng chưa đầy 0,25 phần nghìn giây, nhanh hơn 400 lần so với một cái nháy mắt mất tới 100 phần nghìn giây. (Ảnh: Yafetto et al)

Những thí nghiệm nói trên cho thấy cơ chế phóng giao tử ở nấm được cung cấp năng lượng bởi chính mức áp lực đặc trưng của tế bào kết hợp thành cả quần thể nấm. Do đó, chuyến bay đường dài của giao tử không phải chỉ bắt nguồn từ mỗi áp suất cao, mà còn từ áp suất nổ mất đi khi giao tử được phóng ra. Ở đây dường như có sự tương đồng giữa hiện tượng phóng giao tử với hiện tượng các giọt mực được phun ra từ máy in phun.

Một khía cạnh quan trọng nữa của nghiên cứu nữa là nó cho phép các nhà nghiên cứu kiểm nghiệm các mô hình khác nhau về tác động của chất nhầy kéo theo các phân tử bé nhỏ đồng thời họ có thể tìm được các hạn chế trong những phương pháp thiết lập mô hình trước đây. Thông tin về hiện tượng phóng giao tử rất quan trọng đối với các nghiên cứu lý sinh trong tương lai về chuyển động của giao tử và phấn hoa vốn rất có ý nghĩa trong lĩnh vực kiểm soát bệnh thực vật, sinh thái trên cạn, chất lượng không khí trong nhà, khoa học khí quyển, thuốc thú y và mô phỏng sinh học.

Nghiên cứu được thực hiện với sự cộng tác của 6 sinh viên, 3 nghiên cứu sinh. Họ là những người đã dành ra hàng trăm tiếng đồng hồ để có được đoạn viđeo. Một số đoạn phim đẹp đến nỗi sinh viên Haylay Kilroy (một trong số các đồng tác giả) đã lồng phim vào nhạc và dự định đưa lên YouTube.

Nghiên cứu về quá trình phóng giao tử ở nấm hiện được NSF và NIH tài trợ.

Tham khảo:

Yafetto et al. The Fastest Flights in Nature: High-Speed Spore Discharge Mechanisms among Fungi. PLoS ONE, 2008; 3 (9): e3237 DOI: 10.1371/journal.pone.0003237