Thú biển nín thở được lâu không phải nhờ phổi to, mà nhờ cất oxy trong máu và cơ: máu nhiều hơn, đặc hồng cầu hơn, và cơ chứa lượng myoglobin, sắc tố giữ oxy, cao gấp nhiều lần thú trên cạn. Khi lặn, tim đập chậm lại và máu dồn cho não, tim, nên kho oxy đó được dùng tiết kiệm nhất. Nhờ vậy hải cẩu voi lặn 20–30 phút mỗi lần liên tục nhiều tháng, còn cá voi mõm khoằm có lần ở dưới nước hơn ba tiếng.
Oxy được cất ở đâu trong cơ thể
Một con thú lặn có ba "kho" oxy: phổi, máu và cơ. Ở người, phần oxy trong phổi chiếm tỷ lệ đáng kể. Ở thú biển lặn sâu, tỷ lệ đó đảo ngược.
| Kho oxy | Ở người | Ở thú biển lặn sâu (như hải cẩu voi, hải cẩu Weddell) |
|---|---|---|
| Phổi | Chiếm phần đáng kể | Rất nhỏ, vì nhiều loài thở ra trước khi lặn và phổi xẹp ở độ sâu |
| Máu | Khoảng một nửa | Phần lớn nhất |
| Cơ (myoglobin) | Phần nhỏ | Phần rất lớn, có loài gần ngang máu |
Tỷ lệ cụ thể khác nhau theo loài và cách tính, nên bảng trên chỉ cho thấy xu hướng. Điểm mấu chốt: thú biển lặn sâu không dựa vào phổi. Phổi ở độ sâu vừa bị ép xẹp, vừa là nơi nitơ dễ hoà vào máu, nên mang ít khí xuống lại là lợi thế, như bài về bệnh giảm áp ở thú biển trong danh mục này đã giải thích.
Máu: nhiều hơn và đặc hơn
Thể tích máu lớn
Ở người trưởng thành, máu chiếm khoảng 7% cân nặng. Ở các loài hải cẩu lặn sâu như hải cẩu voi hay hải cẩu Weddell, tỷ lệ này có thể lên khoảng gấp đôi hoặc hơn. Một con hải cẩu voi nặng vài trăm kg mang trong người lượng máu nhiều hơn một con thú cạn cùng cỡ rất nhiều.
Đặc hồng cầu
Hồng cầu chứa hemoglobin, chất gắn oxy trong máu. Tỷ lệ thể tích hồng cầu trong máu (hematocrit) ở người thường khoảng 40–45%. Ở nhiều loài hải cẩu lặn sâu, con số này cao hơn hẳn, có loài trên 60%. Máu đặc như vậy chở được nhiều oxy hơn trên mỗi lít.
Lá lách như một kho dự trữ
Máu đặc quá thì tim phải bơm vất vả khi con vật nghỉ ở mặt nước. Một số loài hải cẩu giải quyết bằng lá lách rất lớn. Khi nghỉ, lá lách giữ lại một lượng lớn hồng cầu. Khi lặn, nó co lại, đẩy hồng cầu vào máu, tăng hematocrit đúng lúc cần. Các nghiên cứu trên hải cẩu Weddell ở Nam Cực đã đo được sự thay đổi này rõ ràng.
Myoglobin: vì sao thịt thú biển gần như màu đen
Myoglobin là protein gắn oxy nằm ngay trong tế bào cơ, họ hàng gần của hemoglobin. Nó vừa giữ oxy sẵn cho cơ dùng, vừa giúp oxy di chuyển trong tế bào. Chính myoglobin làm thịt có màu đỏ: thịt bò đỏ hơn thịt gà vì nhiều myoglobin hơn.
Ở thú biển lặn sâu, nồng độ myoglobin trong cơ cao gấp nhiều lần so với thú trên cạn. Thịt hải cẩu, cá voi mõm khoằm hay cá nhà táng có màu đỏ sẫm tới gần như đen. Những loài lặn sâu, lặn lâu nhất thường có nồng độ myoglobin cao nhất.
Bí mật để myoglobin không bị vón cục
Có một câu hỏi lâu nay làm các nhà sinh học băn khoăn: protein mà dồn đặc quá trong tế bào thì dễ dính vào nhau, kết tủa như lòng trắng trứng luộc. Thế sao cơ thú biển chứa được nhiều myoglobin như vậy?
Năm 2013, nhóm của Michael Berenbrink ở Đại học Liverpool công bố trên tạp chí Science một lời giải. Họ so sánh myoglobin của hơn một trăm loài thú và thấy ở những loài lặn giỏi, bề mặt phân tử myoglobin mang điện tích dương lớn hơn. Các phân tử cùng dấu điện đẩy nhau, nên không dính vào nhau dù nồng độ cao. Điều thú vị là đặc điểm này tiến hoá độc lập nhiều lần, ở cá voi, hải cẩu, rái cá, và cả ở những thú lặn nước ngọt như chuột chù nước hay hải ly.
Nhóm nghiên cứu còn dùng điện tích myoglobin để suy đoán khả năng lặn của tổ tiên đã tuyệt chủng, như những loài cá voi cổ còn chân sống lưỡng cư ven bờ. Đây là cách đọc lịch sử tiến hoá từ một phân tử.
Tiết kiệm oxy: tim chậm, máu dồn có chọn lọc
Có nhiều oxy chưa đủ, còn phải dùng chậm. Khi thú biển lặn, cơ thể chuyển sang chế độ tiết kiệm:
- Nhịp tim chậm lại: ở hải cẩu lặn sâu, nhịp tim có thể giảm từ vài chục nhịp mỗi phút ở mặt nước xuống chỉ vài nhịp mỗi phút khi lặn. Một nghiên cứu năm 2019 gắn máy đo điện tim lên cá voi xanh ghi nhận nhịp tim lúc lặn chỉ khoảng 4 đến 8 nhịp mỗi phút, có lúc xuống 2 nhịp.
- Co mạch ngoại vi: mạch máu tới da, ruột, thận và phần lớn cơ co lại. Máu giàu oxy được dành cho não và tim, hai cơ quan không chịu được thiếu oxy.
- Cơ tự dùng kho riêng: khi máu tới cơ bị cắt giảm, cơ dùng oxy từ myoglobin của chính nó. Đó là lý do kho myoglobin quan trọng.
- Bơi tiết kiệm: nhiều loài lặn bằng cách lướt, để cơ thể tự chìm khi đã xuống tới độ sâu mà lực đẩy nổi giảm vì phổi xẹp, chỉ đập đuôi thưa thớt.
Phản ứng này về bản chất giống phản xạ lặn ở người khi úp mặt vào nước lạnh, nhưng mạnh hơn rất nhiều. Phản xạ lặn ở người đã có bài riêng ở mảng khác trong hệ.
Giới hạn lặn hiếu khí: khái niệm từ băng Nam Cực
Từ thập niên 1960, nhà sinh lý học Gerald Kooyman cùng cộng sự nghiên cứu hải cẩu Weddell ở eo McMurdo, Nam Cực. Họ khoan những lỗ thở biệt lập trên lớp băng, nơi hải cẩu buộc phải quay lại đúng lỗ đó, nên có thể lấy mẫu máu trước và sau mỗi lần lặn.
Từ đó ra đời khái niệm giới hạn lặn hiếu khí (aerobic dive limit, viết tắt ADL): thời gian lặn dài nhất mà con vật vẫn dùng oxy là chủ yếu, chưa tích axit lactic đáng kể trong máu. Kết quả:
- Phần lớn các lần lặn tự nhiên của hải cẩu Weddell nằm trong giới hạn này, khoảng 20 phút.
- Khi lặn quá giới hạn, axit lactic tích tụ, và con vật cần nằm ở mặt nước lâu hơn hẳn để hồi phục.
- Vì vậy thú biển thường chọn nhiều lần lặn vừa phải thay vì ít lần lặn thật dài: tổng thời gian ở dưới nước lại nhiều hơn.
Khái niệm này giúp hiểu vì sao các kỷ lục lặn chỉ là ngoại lệ. Lần lặn 222 phút của cá voi mõm khoằm Cuvier, được kể trong bài riêng của danh mục, vượt xa giới hạn tính được từ kho oxy, cho thấy còn nhiều điều chưa biết về khả năng chịu thiếu oxy của chúng.
Chịu được thiếu oxy: não và tim được bảo vệ
Ngoài việc cất và tiết kiệm oxy, thú biển còn chịu được mức oxy trong máu thấp hơn nhiều so với thú cạn. Não của một số loài hải cẩu chịu thiếu oxy tốt hơn não người, nhờ các cơ chế tế bào vẫn đang được nghiên cứu. Chúng cũng chịu được nồng độ CO2 cao hơn trong máu, nên ít bị thôi thúc phải thở sớm. Sau những lần lặn dài, cơ thể xử lý axit lactic tích luỹ khi đã ở mặt nước.
Góc nhìn hôm nay: bài học cho y học
Các nhà khoa học nghiên cứu thú biển không chỉ vì tò mò. Hiểu cách não và tim hải cẩu chịu thiếu oxy có thể gợi ý hướng bảo vệ mô người trong đột quỵ, nhồi máu cơ tim hay phẫu thuật cần ngưng tuần hoàn. Một số nhóm nghiên cứu cũng quan tâm tới cách thú biển tránh tổn thương khi máu quay lại mô sau thời gian thiếu oxy, vấn đề y học gọi là tổn thương tái tưới máu.
Với người bình thường, điều đáng mang về là: đừng thử "học" nín thở lâu như thú biển. Cơ thể người không có những thích nghi đó, và ngất do thiếu oxy dưới nước có thể xảy ra không báo trước. Muốn xuống nước sâu, hãy học lặn bình khí có chứng chỉ, có người hướng dẫn và luôn đi cùng bạn lặn.
Muốn đọc thêm, cuốn Diving Physiology of Marine Mammals and Seabirds của Paul Ponganis là tài liệu chuyên sâu. Bài báo năm 2013 về điện tích myoglobin trên Science và nghiên cứu năm 2019 về nhịp tim cá voi xanh trên tạp chí PNAS là hai điểm vào dễ tiếp cận.
Câu hỏi thường gặp
Myoglobin là gì?
Myoglobin là protein gắn oxy nằm trong tế bào cơ, họ hàng gần của hemoglobin trong máu. Nó giữ oxy sẵn cho cơ dùng và làm thịt có màu đỏ. Thú biển lặn sâu có nồng độ myoglobin cao gấp nhiều lần thú trên cạn.
Vì sao hải cẩu nín thở được lâu?
Hải cẩu cất phần lớn oxy trong máu và cơ chứ không phải trong phổi. Chúng có nhiều máu, máu đặc hồng cầu, lá lách dự trữ hồng cầu, cơ giàu myoglobin, và khi lặn thì tim đập chậm, máu ưu tiên cho não và tim.
Giới hạn lặn hiếu khí là gì?
Đó là thời gian lặn dài nhất mà con vật vẫn dùng oxy là chủ yếu, chưa tích axit lactic đáng kể. Khái niệm này được phát triển từ nghiên cứu hải cẩu Weddell ở Nam Cực của Gerald Kooyman và cộng sự.
Tim cá voi xanh đập bao nhiêu nhịp một phút khi lặn?
Theo nghiên cứu công bố năm 2019, khi lặn tim cá voi xanh chỉ đập khoảng 4 đến 8 nhịp mỗi phút, có lúc xuống 2 nhịp. Khi ở mặt nước để thở, nhịp tim tăng lên nhanh hơn nhiều.
Vì sao thịt cá voi có màu sẫm?
Vì cơ cá voi chứa rất nhiều myoglobin, sắc tố gắn oxy có màu đỏ. Nồng độ càng cao thì thịt càng sẫm, ở những loài lặn sâu có thể gần như màu đen.
