QUÁ TRÌNH LỘT VỎ VÀ PHÁT TRIỂN Ở TÔM (Phần 1).

Có thể coi tôm là loài đại diện cho các sinh vật chân đốt bao gồm giáp xác, thân mềm, côn trùng, chiếm 80% các giống loài động vật.

Điểm chung của chúng là có bộ xương ngoài (exoskeleton) bao bọc và bảo vệ cơ thể bên trong, vì vậy để lớn lên và phát triển, chúng cần cởi bỏ bộ xương ngoài này, lớn lên trong thời gian cực ngắn và hình thành bộ áo mới.

– Để mô tả hiện tượng này, cần nói về 3 vấn đề, khoáng hóa (biomineralization), cân bằng nội môi canxi và bicarbonate (calcium and bicarbonate homeostasis), điều khiển quá trình lột bằng hormone (hormonal molting).

Để bài viết trở nên dễ hiểu đối với chủ đề phức tạp này, 3 vấn đề trên sẽ được mổ xẻ riêng trước ở 3 phần đầu, cuối cùng sẽ được tổng hợp lại quá trình chung.

1.- Khoáng hóa

Khoáng hóa hay Sinh khoáng hóa hay Khoáng hóa sinh học là một quá trình, mà trong đó các sinh vật tích tụ các loại khoáng vô cơ từ trong môi trường vào cơ thể để tạo ra những phần mô cứng, như xương, răng, vỏ ngoài, phù hợp cho sự phát triển.

3 loại nguyên tố mà sinh giới thường dùng để khoáng hóa là canxi, phosphate, và silic.

Các nguyên tố này có đặc điểm, dễ hòa tan, có nhiều trong môi trường, dễ kết tủa, tạo tinh thể cứng, khi được xử lý.

Trong 4 kim loại phổ biến nhất trong môi trường và trong cơ thể sinh vật là natri, kali, magiê và canxi thì chỉ có canxi đáp ứng điều kiện trên và nó trở thành nhân vật chính của vở kịch sự sống, 3 kim loại natri, kali, magiê trở thành các kép phụ làm nền cho canxi.

Canxi phổ biến nhất được sinh vật dùng làm xương, vỏ bao ngoài.

Cách đây 4 tỷ năm, khi sự sống còn non trẻ, dạng sống duy nhất và phổ biến trên Trái đất là khuẩn lam (tảo lam – cyanobacteria), khuẩn lam là tác giả của bầu khí quyển oxy mà chúng ta thở ngày nay, ban đầu bầu khí quyển Trái đất chỉ có CO2 chiếm phần lớn, dưới biển là acid sulfuric và sắt hòa tan, có thể gọi Trái đất thời kỳ đầu là 1 hành tinh phèn với nước biển màu đỏ của sắt.

Vi khuẩn cổ (Archea) xuất hiện và tiến hóa lên thành khuẩn lam có khả năng quang hợp, hàng tỷ tỷ tỷ những con khuẩn lam miệt mài quang hợp trong hàng tỷ năm, ban đầu oxy được tạo ra chỉ kết hợp với Fe2+ trong nước biển, tạo thành Fe3+ kết tủa, hình thành những lớp trầm tích sắt dưới đáy biển, thành phần chính của các mỏ sắt ngày nay. Khi sắt hòa tan trong nước biển kết tủa hết, nước biển trở nên trong xanh, oxy bắt đầu thoát vào khí quyển.

Khuẩn lam phát triển theo cộng đồng thành từng thảm phủ thành lớp ở đáy các vùng biển nông. Và chúng tiến hóa hình thành tập tính khoáng hóa, đem canxi trong môi trường, chế biến thành lớp xương liên kết các tế bào khuẩn lam. Người ta gọi các tổ khuẩn lam này là stromatolite (xin lỗi nhé, tiếng việt ko có từ này). Đó là lần đầu tiên sự sống đơn bào có sự biệt hóa.

Khi loài nhân thực xuất hiện, tảo khuê (diatoms) bắt đầu khoáng hóa silic để tạo vỏ tế bào. Các loài sứa, bọt biển cần khoáng hóa cơ thể để có những bộ phận tự vệ, chúng khoáng hóa silic thành các lưỡi cắt để tấn công con mồi vô ý vướng phải. Cây lúa sử dụng silic trên thân, lá và hạt để tự bảo vệ.

Đến các loài thân mềm thì chúng cần có những bộ phận cứng để tự bảo vệ hoặc bắt mồi, mực hình thành môi cứng được khoáng hóa bằng canxi để bắt mồi (ta hay nhậu món răng mực chính là môi con mực).

Loài thân mềm phát triển thêm thành loài có mai cứng cũng canxi khoáng hóa. Và tiến hóa lên các loài ngao, sò, ốc, hến, … có hẳn các vỏ cứng dạng 2 mảnh hoặc 1 mảnh xoắn ốc.

Từ những loài thân mềm đầu tiên tiến hóa lên, giáp xác lại có bộ xương ngoài và khi rời thủy vực lên cạn, tiến hóa lên côn trùng, chúng vẫn giữ nguyên đặc tính này.

Nhìn cận cảnh vào lớp vỏ tôm, ta thấy tôm có 4 lớp vỏ với 1 lớp biểu bì mềm bên trong cấu tạo bằng chất đạm kết hợp với chất béo : các lipoprotein và 3 lớp vỏ cứng bên ngoài, có cấu tạo là ma trận những sợi chitin, những sợi chitin này được liên kết bằng các protein thành từng lớp, giữa những lớp chitin này là những hạt canxi gia cường.

Nếu chỉ như thế thì lớp vỏ tôm rất mềm, để có thể cứng bền chắc, các protein trên vỏ tôm trải qua quá trình đông cứng.

Từ đông cứng trong tiếng anh có nhiều cách diễn tả :

Tanning là thuộc da (trong thuộc da cổ truyền người ta tạo cầu nối tannin hoặc thuộc da hiện đại tạo cầu nối chrom giữa các phân tử collagen), trong vỏ tôm, các phenoloxidase là thành phần miễn dịch của hemocyanin trong máu tôm, sẽ qua 1 quá trình phản ứng và hình thành cầu nối quinone giữa các phân tử protein, khiến cho vỏ tôm cứng bền. Kết cấu vỏ của loài thân mềm 2 mảnh như ngao, sò, cũng thế, nhưng thay vì chỉ có 3 lớp vỏ ngoài, lột đi, và phát triển trở lại, chúng lại bồi đắp thêm dần thêm dần. Cấu trúc này bền vững đến nỗi các nhà vật liệu học hết sức ghen tỵ với cấu trúc thiên nhiên này, một hướng phát triển phỏng sinh học ra đời, thiết kế vật liệu kết cấu nano, bắt chước kết cấu của vỏ sò. Kết cấu này có đặc điểm cực kỳ cứng vững do sự kết hợp giữa ma trận cốt sợi chitin và protein và vôi CaCO3 ở mức phân tử, chúng có thể tự phân bổ lực tác động từ ngoài vào, tự hàn gắn vết nứt bên trong kết cấu.

Clotting là đông máu, để có thể hóa cứng vỏ, chính máu tôm là nguồn cung phenoloxidase để biến thành cầu nối quinone. Đây cũng chính là cách con tôm tự vá vết thương khi bị đồng loại đâm, làm xước. Các vết thương cần hóa cứng này, khi gặp môi trường ô nhiễm, ko thể lành thì ta có các vết nâu đen, gọi là bệnh đốm đen.

Sclerotization là hóa cứng theo liên kết ngang, ở đây 3 từ tanning, clotting, sclerotization đều cùng chỉ 1 hiện tượng hóa cứng vỏ tôm. Ngoài ra còn các từ curing, cross-linking cũng đều chỉ hiện tượng liên kết ngang như trên, các bạn chuyên ngành hóa hữu cơ nhựa nhiệt rắn, tất nhiên đều quen với các khái niệm khó dịch ra tiếng việt này.

Ở người khoáng hóa giúp cho việc hình thành xương bằng CaCO3, răng – hydroxyapatite – phosphate calcium, tóc, móng.

Khoáng hóa một cách ko phù hợp do sai lầm trong việc dung nạp khoáng hoặc do rối loạn nội tiết cũng xuất hiện trong những bệnh lý ở người, như sỏi thận, đa xơ cứng (multi sclerosis), loãng xương, xơ vữa vôi hóa thành động mạch, ..