Chim bồ câu và “la bàn” sinh học nội tại

Các nhà nghiên cứu cho biết, chim bồ câu có thể cảm nhận từ trường Trái Đất bằng cách phát hiện các dòng điện cực nhỏ trong tai trong của chúng. Một “la bàn nội tại” như vậy có thể giúp lý giải cách một số loài động vật thực hiện được những hành trình định hướng đường dài đầy ấn tượng.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật lập bản đồ não tiên tiến và giải trình tự RNA đơn bào trên các tế bào tai trong của chim bồ câu. Cả hai nguồn dữ liệu đều chỉ ra tai trong là cơ quan cảm nhận từ trường (magnetoreception) của loài chim này. “Đây có lẽ là minh chứng rõ ràng nhất về các cách thần kinh chịu trách nhiệm xử lý thông tin từ trường ở bất kỳ loài động vật nào”, ông Eric Warrant, chuyên gia sinh học giác quan tại Đại học Lund (Thụy Điển), nhận định.

Trước đó, nhiều nghiên cứu đã gợi ý rằng, các loài như rùa biển, cá hồi hay chim cổ đỏ có khả năng cảm nhận hướng và cường độ của từ trường Trái Đất. Tuy nhiên, bằng chứng vẫn còn gây tranh cãi và cơ chế chính xác đằng sau hiện tượng này cho đến nay vẫn là câu hỏi bỏ ngỏ.

Điều hướng bằng “bộ não chim”

Hai giả thuyết chính đã dẫn dắt các nghiên cứu về cách loài chim cảm nhận từ trường Trái Đất. Một cho rằng các hiệu ứng lượng tử trong tế bào võng mạc cho phép chim “nhìn thấy” từ trường, giả thuyết còn lại đề xuất rằng các hạt oxit sắt siêu nhỏ trong mỏ hoạt động như những kim la bàn tí hon. Tuy nhiên, một câu hỏi lớn vẫn chưa được giải đáp: Thông tin từ trường được tiếp nhận ở đâu trong não và bằng cách nào các nơ-ron cảm giác lại nhạy cảm với sự thay đổi của trường điện từ như vậy?

Năm 2011, các nhà khoa học phát hiện những manh mối cho thấy từ trường kích hoạt hệ thống tiền đình của chim bồ câu - cơ quan chịu trách nhiệm cảm nhận gia tốc và duy trì thăng bằng ở động vật có xương sống. Cấu trúc này gồm ba vòng chứa dịch lỏng nằm vuông góc nhau, giúp gửi tín hiệu về hướng gia tốc tới não bằng cách phân tích thành ba trục x, y, z.

Để tìm hiểu não chim phản ứng thế nào với từ trường, nhà khoa học thần kinh David Keays tại Đại học Ludwig-Maximilian (Đức) đã thực hiện một thí nghiệm: 6 con chim bồ câu được tiếp xúc với một từ trường mạnh hơn từ trường Trái Đất trong hơn một giờ. Đầu của chúng được cố định và từ trường được xoay liên tục để mô phỏng chuyển động đầu của chim trong điều kiện tự nhiên.

Nhóm của Keays sau đó sử dụng kỹ thuật “làm sạch” (clearing) - một phương pháp khiến não trở nên trong suốt, để quan sát các mô hình kích hoạt nơ-ron trên toàn bộ não bộ thông qua một chỉ dấu di truyền của hoạt động tế bào. Bản đồ hoạt động thần kinh này được so sánh với nhóm đối chứng không tiếp xúc với từ trường.

Kết quả cho thấy, các vùng não phản ứng với từ trường chủ yếu nằm ở những khu vực tiếp nhận tín hiệu từ hệ thống tiền đình và các vùng tích hợp đa giác quan. Phát hiện này giúp thu hẹp danh sách các “ứng viên la bàn” xuống một lựa chọn nổi bật: Hệ thống tiền đình - dù cơ chế vật lý cho phép nơ-ron cảm nhận từ trường vẫn còn là bí ẩn chưa được giải đáp.

Cơ quan cảm nhận từ tính

Về nguyên tắc, nếu trong cơ thể sinh vật tồn tại một vật liệu dẫn điện, vật liệu đó có thể tạo ra dòng điện khi chịu tác động của từ trường. Chính dòng điện này có thể hình thành nên một dạng “giác quan từ tính”. Cơ chế này thật ra đã được nhà động vật học Camille Viguier đề xuất từ năm 1882.

Trong những nghiên cứu trước đây, David Keays đã tìm kiếm cơ chế phân tử đứng sau khả năng đặc biệt này, dựa trên cảm hứng từ cá mập và cá đuối - những loài có cơ quan cảm nhận điện trường cực kỳ nhạy để săn mồi. Các loài này sở hữu một loại protein phản ứng với sự thay đổi điện thế của nơ-ron, nhưng được biến đổi bằng một đoạn chèn dài 10 axit amin, giúp chúng phát hiện các dòng điện sinh ra bởi từ trường.

“Chúng tôi tự hỏi: Liệu biến thể này có tồn tại ở chim bồ câu không? Và câu trả lời là có”, Keays cho biết. Đến năm 2019, nhóm của ông đã tìm thấy một biến thể tương tự trong bộ gen của loài chim này.

Trong nghiên cứu mới, nhóm của Keays tiếp tục giải trình tự RNA đơn bào ở các tế bào thuộc hệ thống tiền đình để tìm ra những phân tử có vai trò trong việc phát hiện dòng điện. Họ phát hiện nhiều protein nhạy cảm với sự thay đổi điện từ xuất hiện phổ biến trong các tế bào này. Điều này gợi ý rằng khi chim bồ câu gật đầu, các vòng trong tai có thể truyền cho não thông tin về ba thành phần x, y, z của từ trường.

Nhóm nghiên cứu cũng lặp lại thí nghiệm trong môi trường hoàn toàn tối và chứng minh rằng ánh sáng không phải là điều kiện cần để não bộ phản ứng với từ trường. Kết quả này có vẻ đi ngược với mô hình cảm nhận từ trường dựa trên võng mạc, dù Keays cho rằng có thể nhiều loài động vật sở hữu nhiều cơ chế cảm nhận từ trường khác nhau.

Nhận xét về công trình, GS. Ulrich Muller (Đại học Johns Hopkins, Mỹ) đánh giá nghiên cứu là “rất thuyết phục” nhưng nhấn mạnh cần có thêm các thí nghiệm di truyền để kiểm chứng. Chẳng hạn, nếu vô hiệu hóa bằng CRISPR đoạn mã gen được cho là giữ vai trò trung tâm trong mô hình của Keays, cần quan sát xem liệu hiệu ứng cảm nhận từ trường có biến mất hay không.

Nhà nghiên cứu Warrant gọi đây là “một đóng góp ngoạn mục giúp giải mã giác quan từ tính bí ẩn bấy lâu”. Keays cho biết nhóm đã mất tới 10 năm để hoàn thành công trình này./.