Chào các bạn yêu thích hải cẩu! Các bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào hải cẩu có thể ở dưới nước hơn một giờ mà không cần thở chưa?

Trong khi con người chỉ có thể làm được vài phút, hải cẩu lại có thể lặn sâu xuống vùng nước băng giá để săn mồi một cách dễ dàng.

Các nhà khoa học từng tin rằng chúng dựa vào cùng một tín hiệu hô hấp như con người. Nghiên cứu mới cho thấy chúng cảm nhận nhu cầu thở theo một cách hoàn toàn khác.

Cơ thể con người theo dõi lượng carbon dioxide, chứ không phải oxy

Nhiều người cho rằng cảm giác muốn thở xuất hiện khi lượng oxy thấp. Điều đáng ngạc nhiên là cơ thể con người không hoạt động theo cách đó. Thay vào đó, các thụ thể chuyên biệt liên tục theo dõi lượng carbon dioxide (CO₂) lưu thông trong máu. Khi CO₂ tích tụ, não bộ tạo ra cảm giác khó chịu được gọi là "thiếu không khí".

Cảm giác khó chịu ngày càng tăng này cuối cùng buộc chúng ta phải hít vào, ngay cả khi vẫn còn nhiều oxy. Điều này giải thích tại sao những người lặn tự do giàu kinh nghiệm đôi khi có thể kéo dài khả năng nín thở của họ thông qua luyện tập. Bằng cách trở nên chịu đựng hơn với lượng CO₂ tăng lên, họ trì hoãn nhu cầu thở. Tuy nhiên, sự thích nghi này tiềm ẩn một rủi ro nghiêm trọng.

Nồng độ oxy trong cơ thể có thể giảm xuống mức nguy hiểm trước khi cơ thể kịp phát ra cảnh báo, dẫn đến hiện tượng ngất xỉu do thiếu oxy – mất ý thức đột ngột do lượng oxy cung cấp cho não không đủ. Các tổ chức lặn tự do chuyên nghiệp áp dụng các quy tắc an toàn nghiêm ngặt vì loại ngất xỉu này có thể xảy ra mà không có nhiều cảnh báo, đặc biệt là trong các lần lặn sâu hoặc kéo dài.

Một câu hỏi khoa học được truyền cảm hứng từ những người lặn tự do

Các nhà nghiên cứu tại Đơn vị Nghiên cứu Động vật có vú biển thuộc Đại học St Andrews ở Scotland đã bắt đầu đặt ra một câu hỏi quan trọng sau khi quan sát những người lặn tự do ưu tú.

Nhà nghiên cứu chính Chris McKnight nhận thấy rằng con người đôi khi bị mất ý thức vì phản ứng hô hấp của họ chủ yếu phụ thuộc vào carbon dioxide chứ không phải oxy. Nếu hải cẩu dựa vào hệ thống tương tự, chúng sẽ phải đối mặt với một vấn đề sống còn nghiêm trọng. Mất ý thức dưới nước gần như chắc chắn sẽ dẫn đến tử vong.

Quan sát này đã khiến các nhà khoa học nghi ngờ rằng các loài động vật có vú lặn biển phải sở hữu một cơ chế hoàn toàn khác – một cơ chế có khả năng tự theo dõi lượng oxy thay vì chờ carbon dioxide tích tụ. Để điều tra khả năng này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu được kiểm soát chặt chẽ và sau đó được công bố trên tạp chí Science.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm trên hải cẩu xám hoang dã như thế nào

Nghiên cứu sinh lý học lặn ở động vật có vú biển khó khăn hơn nhiều so với việc thử nghiệm trên tình nguyện viên là con người. Các nhà nghiên cứu đã làm việc với sáu con hải cẩu xám hoang dã non (Halichoerus grypus) được nuôi tạm thời tại cơ sở nghiên cứu. Thay vì ép buộc các con vật vào những tình huống không tự nhiên, nhóm nghiên cứu đã huấn luyện chúng tham gia một cách tự nguyện vào một bài tập mô phỏng cho ăn.

Mỗi con hải cẩu bơi giữa một buồng thở trên mặt nước và một trạm cho ăn dưới nước, nơi có sẵn thức ăn. Thiết lập này cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh thành phần không khí mà hải cẩu hít vào trước mỗi lần lặn mà không làm ảnh hưởng đến hành vi bơi lội tự nhiên của chúng.

Bằng cách thay đổi cẩn thận nồng độ oxy đồng thời điều chỉnh nồng độ carbon dioxide, các nhà khoa học có thể quan sát xem yếu tố nào thực sự ảnh hưởng đến thời gian lặn.

Oxy—chứ không phải carbon dioxide—kiểm soát khả năng lặn của chúng

Những phát hiện này đã thách thức những giả định kéo dài hàng thập kỷ về khả năng nín thở của động vật có vú. Khi nồng độ oxy giảm, hải cẩu luôn rút ngắn thời gian lặn. Khi lượng oxy tăng lên, chúng ở dưới nước lâu hơn.

Điều đáng ngạc nhiên là, việc tăng lượng carbon dioxide—ngay cả ở mức cao hơn nhiều so với mức mà các loài động vật này thường gặp trong tự nhiên—hầu như không ảnh hưởng đến thời gian chúng ở dưới nước. Mô hình rõ ràng này cho thấy hải cẩu phản ứng trực tiếp với lượng oxy sẵn có chứ không phải sự tích tụ carbon dioxide.

Kết quả nghiên cứu cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy hải cẩu sở hữu một hệ thống nội tại có khả năng phát hiện nồng độ oxy trong máu với độ chính xác đáng kinh ngạc. Thay vì chờ đến khi nồng độ carbon dioxide trở nên khó chịu, chúng dường như nổi lên mặt nước trước khi nồng độ oxy xuống mức nguy hiểm.

Tại sao khả năng này mang lại cho hải cẩu lợi thế sinh tồn to lớn

Cuộc sống dưới đáy đại dương đòi hỏi sự quản lý năng lượng chính xác. Hải cẩu xám thường xuyên lặn hàng trăm lần mỗi ngày để tìm kiếm con mồi ẩn nấp dưới đáy biển hoặc bơi lội trong vùng nước sâu. Mỗi lần lặn đều cần sự cân bằng cẩn thận giữa lượng oxy tiêu thụ và nhu cầu phải ở dưới nước đủ lâu để tìm kiếm thức ăn.

Bằng cách theo dõi trực tiếp lượng oxy, hải cẩu có thể quyết định chính xác khi nào cần quay trở lại mặt nước. Điều này làm giảm đáng kể nguy cơ bất tỉnh trong khi lặn. Hệ thống này mang lại một lợi thế tiến hóa quan trọng. Các loài động vật có vú biển thường xuyên bị bất tỉnh do thiếu oxy sẽ gặp khó khăn trong việc săn mồi, trốn thoát khỏi kẻ săn mồi hoặc chăm sóc con non.

Trải qua hàng triệu năm, chọn lọc tự nhiên sẽ ưu tiên mạnh mẽ những cá thể có khả năng theo dõi chính xác lượng oxy còn lại của mình. Các nhà nghiên cứu tin rằng khả năng thích nghi này có thể không chỉ có ở hải cẩu xám. Những loài lặn giỏi khác—bao gồm hải cẩu voi, sư tử biển, cá voi, và thậm chí có thể cả một số loài chim lặn—cũng có thể sở hữu hệ thống theo dõi oxy tương tự, được tiến hóa độc lập khi tổ tiên của chúng thích nghi với đời sống dưới nước.

Những điều hải cẩu có thể dạy cho khoa học nhân loại

Hiểu được cách hải cẩu điều chỉnh hơi thở cuối cùng có thể mang lại lợi ích cho y học và sinh lý học của con người. Các nhà khoa học quan tâm đến việc xác định các cảm biến sinh học chịu trách nhiệm phát hiện oxy vì các cơ chế tương tự có thể cải thiện kiến ​​thức về rối loạn hô hấp, gây mê, y học cấp cứu và các phương pháp điều trị liên quan đến thiếu oxy.

Những phát hiện này cũng giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cách tiến hóa có thể định hình lại các hệ thống sinh tồn cơ bản nhất của cơ thể. Thay vì chỉ đơn giản là phát triển các kho dự trữ oxy lớn hơn, hải cẩu đã tiến hóa một phương pháp quản lý oxy tinh vi hơn, cho phép những động vật có vú sống dưới biển này dành một lượng thời gian đáng kể dưới đại dương mà vẫn tránh được những nguy hiểm mà con người phải đối mặt khi nín thở.

Lần tới khi bạn chứng kiến ​​một con hải cẩu biến mất dưới những con sóng, hãy nhớ rằng khả năng lặn đáng kinh ngạc của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn là chỉ bộ phổi khỏe mạnh. Những con vật này dường như sở hữu một hệ thống sinh học được điều chỉnh tinh vi, liên tục theo dõi lượng oxy, cho phép mỗi lần lặn kết thúc chính xác vào đúng thời điểm.