Chim cánh cụt hoàng đế lặn dưới nước. Ảnh: Doug Allan/NPL
Theo BBC, khoảng 80% sinh quyển Trái Đất luôn có nhiệt độ dưới 5 độ C. Điều này có nghĩa là hệ thống các sinh vật chịu lạnh phong phú, đa dạng và phân bố rộng rãi hơn bất kỳ dạng sống nào khác.
Tại lục địa Antarctica, 400 dặm về phía tây Nam Cực, hồ Whillans là nơi lạnh giá nhất Trái Đất. Vào năm 2013, các nhà khoa học đã khoan xuyên qua lớp băng bên trên mặt hồ và phát hiện ra các sinh vật đơn bào phát triển mạnh mẽ trong điều kiện hoàn toàn không có ánh sáng, bằng cách lấy năng lượng từ các tảng đá bên dưới lớp băng. Đây là ví dụ điển hình về sự sống ở các điều kiện lạnh giá khắc nghiệt.
Ở Nam Cực, động thực vật và vi khuẩn phải đối mặt với rất nhiều thách thức. Động vật máu nóng phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng để duy trì nhiệt độ cơ thể, đồng nghĩa với việc chúng cần nguồn thức ăn lớn. Tuy nhiên, do thiếu ánh sáng Mặt Trời nên hệ thực vật, cơ sở đầu tiên của tất cả các chuỗi thức ăn ở đây rất nghèo nàn. Trong khi đó, động vật máu lạnh phải tận dụng nguồn nhiệt ít ỏi từ Mặt Trời để duy trì các phản ứng của cơ thể, và phải đối phó với các nguy cơ nghiêm trọng do nhiệt độ thấp.
Để đối phó với những thách thức này, động vật đã tiến hóa theo một số cách để giữ ấm. Chẳng hạn như động vật máu nóng, cơ thể chúng đều rất to lớn. Hải cẩu và chim cánh cụt đều có thể tích cơ thể lớn, nhưng diện tích bề mặt da lại nhỏ để hạn chế mất nhiệt qua da. Chim cánh cụt còn tự làm giảm diện tích bề mặt da tiếp xúc với không khí bằng cách co cụm thành từng nhóm nhỏ.
Chim cánh cụt hoàng đế, cá voi và hải cẩu, những loài sống cả dưới nước lẫn trên cạn còn có thêm một lớp mỡ đặc biệt dưới da, có tác dụng cách nhiệt rất tốt. Dù nước biển ở đây luôn có nhiệt độ dao động từ -2 đến 2 độ C với độ dẫn nhiệt cao gấp 25 lần không khí, chúng vẫn duy trì được thân nhiệt ở mức 35-42 độ C.
Một số loài cá thì tiến hóa hệ thống mạch máu nằm sâu trong cơ thể nhằm ngăn chặn mất nhiệt, hoặc có các chất chống đóng băng trong máu. Đây là các phân tử protein gắn với các phân tử đường, có tác dụng cô lập bất kỳ tinh thể băng nào hình thành trong máu hoặc mô, trước khi các cạnh sắc nhọn của băng làm thủng màng tế bào.
Động vật giáp xác nhuyễn thể, nguồn thức ăn cơ bản tại Nam Cực. Ảnh: David Tipling/NPL
Đối với các loài cá sống dưới sâu, cơ thể chúng không bị đông cứng cho dù nhiệt độ của nước xung quanh thấp hơn nhiều so với điểm đóng băng cơ thể. Tuy nhiên, nếu đưa những con cá này lên phía trên, gần mặt nước, các tinh thể băng sẽ hình thành, làm cơ thể chúng đông cứng.
Ngoài ra, các sinh vật ở đây đa số đều ăn thịt - cách lấy năng lượng hiệu quả chống chọi với giá rét. Nguồn thực phẩm này do đại dương cung cấp. Vào mùa hè, ánh Mặt Trời tràn ngập 24 giờ, các vi sinh vật phù du có thể quang hợp liên tục. Chúng là thức ăn cho các động vật giáp xác nhuyễn thể nhỏ. Cuối cùng, các động vật nhuyễn thể này là thức ăn cho nhiều loài động vật ở Nam Cực. Vào mùa hè, một con cá voi xanh có thể ăn tới 6 tấn nhuyễn thể một ngày.
Một số loài sinh vật trên cạn cũng tìm được cách thích nghi với điều kiện khí hậu nơi đây, như loài côn trùng không cánh Belgica antarctica sống trên các mỏm đá của bán đảo Antarctica.
Phần lớn thời gian trong vòng đời 2 năm của nó sống dưới dạng ấu trùng trong băng, chỉ ngoi lên mặt đất vào các tháng hè 12 và 1 ấm áp, và sẵn sàng đi vào trạng thái ngủ nếu nhiệt độ giảm. Nó không có cánh nên gió không thể thổi bay. Kích thước nhỏ chỉ 13 mm giúp nó dễ dàng làm ấm cơ thể. Đây cũng là loài côn trùng có bộ gien ngắn nhất, với chỉ 99 triệu ADN được mã hóa, so với 3,2 tỷ của con người, và rất ít chuỗi lặp, cũng là một cách để giúp nó sống sót. Ngoài ra, chúng còn có các gien đặc biệt chống lại các chất hóa học phá hủy tế bào và ADN, có tên gọi chung là ROS. Đây là các chất sinh ra từ tế bào do các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ thấp, khô cằn và bức xạ.
Tại các thung lũng Nam Cực, những nơi lạnh lẽo và khô cằn nhất Trái Đất, chỉ có vi khuẩn sống được. Màng tế bào của vi khuẩn nơi đây có nồng độ axit béo không bão hòa cao để giữ được dịch thể ở nhiệt độ thấp. Chúng cũng tự tạo ra nhiều loại protein và enzyme có thể hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thấp, bảo vệ ADN, và cũng kích hoạt các gien chống lại ROS. Một số loài vi khuẩn cũng có khả năng tạo ra các phân tử đặc biệt, giống như loài cá, để chống lại sự đông cứng tế bào và hình thành các tinh thể băng. Một số loài khác tự tạo ra các túi khí bao bọc cơ thể để chống lạnh và di chuyển tới nơi ấm hơn, hoặc chỉ đơn giản là sống ở những nơi có nồng độ muối cao để không bị đông cứng. Khi nhiệt độ xuống quá thấp, một số loài đi vào trạng thái ngủ đông, mọi hoạt động ngừng lại.
Một loài vi khuẩn tại hồ Antarctic. Ảnh: Penn State University/SPL
Khi Trái Đất nóng dần lên như hiện nay, một số ít vi khuẩn ở Nam Cực sẽ phát triển thuận lợi hơn, nhưng với phần lớn các loài sinh vật khác thì đây là một tin xấu. Một số sẽ phải di chuyển xuống các tầng nước sâu hơn, nơi nhiệt độ tương đối ổn định hơn, trong khi số khác sẽ đi vào trạng thái ngủ đông dài, chờ kỷ băng hà mới. Số lượng chim cánh cụt hoàng đế sẽ suy giảm khoảng 19% tới năm 2100, theo một nghiên cứu năm 2014.
Nguyễn Thành Minh