Sức mạnh của cơ bắp côn trùng thường khiến chúng ta cảm thấy ngạc nhiên. Ví dụ, kiến thợ có thể “cắn” vật nặng gấp 100 lần trọng lượng cơ thể của nó; bọ chét có thể nhảy lên cao hơn 100 lần chiều cao của nó; và con bò phân (còn gọi là “bọ phân”) có thể đẩy quả phân nặng gấp 1140 lần trọng lượng cơ thể nó!
Tại sao côn trùng lại mạnh mẽ như vậy? Có phải chúng sở hữu những cơ bắp đặc biệt? Để tìm hiểu câu hỏi này, các nhà khoa học đã quan sát cấu trúc vi mô của cơ bắp côn trùng (chẳng hạn như cơ bắp bay và cơ bắp chân) và phát hiện rằng các cơ bắp này tương tự như cơ vân của con người, đều là “cơ vân”, với đơn vị cấu trúc cơ bản (sarcomere) và các vân bên trong cũng rất giống với của con người. Nếu chỉ nhìn vào hình ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử, rất khó để xác định đây là cơ vân của con người hay của côn trùng.
Liệu cơ bắp côn trùng có chỉ nhìn giống cơ bắp của con người mà thành phần lại khác nhau không? Để trả lời câu hỏi này, các nhà khoa học từ Áo và Đức đã hợp tác để kiểm tra gen của các côn trùng này. Họ phát hiện rằng chúng chứa những “thành phần cốt lõi” giống như cơ bắp con người, bao gồm myosin II, actin, myosin light chain (bao gồm “chuỗi nhẹ cần thiết” và “chuỗi điều hòa”), tropomyosin và calmodulin, cho thấy thành phần cốt lõi của cơ bắp côn trùng không khác gì so với con người.
Cấu trúc và thành phần của cơ vân côn trùng tương đồng với của con người, vậy khi đo sức mạnh của cơ bắp côn trùng (sức kéo trên mỗi đơn vị diện tích), rồi so sánh với cơ vân của động vật có xương sống, kết quả sẽ ra sao? Kết quả thực tế cho thấy, cơ vân của động vật có xương sống có thể tạo ra khoảng 25 Newton trên mỗi cm vuông, tương đương khoảng 2,5 kg sức kéo. Sức mạnh của cơ bắp côn trùng tương tự như vậy, hoặc hơi nhỏ hơn. Ví dụ, khi con gián lật lại, nó chủ yếu sử dụng chân sau, một chân sau có thể tạo ra 0,14 Newton, tương đương khoảng 14 gram sức kéo. Diện tích cắt ngang của cơ bắp chân sau của gián khoảng 0,6 mm vuông, tính theo cm vuông thì có khả năng tạo ra sức kéo 2,3 kg.
Vì vậy, nếu cơ bắp côn trùng và cơ bắp con người không khác biệt căn bản, tại sao sức mạnh tương đối của con người lại có vẻ nhỏ bé như vậy? Ví dụ, kỷ lục thế giới cử tạ hạng 62 kg của nam giới được thiết lập bởi Shi Zhiyong của Trung Quốc vào năm 2002 với 153 kg, chỉ gần gấp 2,5 lần trọng lượng cơ thể của anh. Tại sao con người không thể như côn trùng, nâng vật nặng gấp 100 lần trọng lượng cơ thể của mình? Bạn có thể tự suy nghĩ về câu hỏi này, chúng ta sẽ cùng thảo luận vào cuối bài viết. Bây giờ, chúng ta hãy cùng nói về một chủ đề liên quan đến cơ bắp. Thực ra, nguyên lý co cơ mà con người và côn trùng sử dụng để co giãn đã tồn tại từ trước khi động vật xuất hiện. Nguyên lý này không chỉ được áp dụng trong co cơ, mà còn được sử dụng trong nhiều quá trình vận động cần thiết bên trong tế bào.
Cơ bắp “đơn bào” đã xuất hiện
Khi nhắc đến cơ bắp, dường như chỉ liên quan đến động vật, nhưng thực ra các sinh vật đơn bào eukaryota (như nấm men và động vật nguyên sinh) đã sở hữu hai thành phần chính trong cơ vân của động vật có xương sống, bao gồm myosin và actin. Actin có thể ngưng tụ lại, tạo thành sợi dài và có “đầu dương” và “đầu âm”; trong khi myosin sử dụng năng lượng từ sự phân giải ATP để “đi bộ” dọc theo sợi actin. Đây là một loại “tàu vận chuyển mini” bên trong tế bào có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ.
Tại sao các sinh vật đơn bào eukaryota lại cần “tàu vận chuyển” như vậy? Bởi vì tế bào của sinh vật eukaryota (thường có kích thước hàng chục micromet) lớn gấp hàng ngàn lần so với tế bào của sinh vật prokaryota (như vi khuẩn, thường khoảng 1 micromet). Chúng còn có nhiều bào quan khác nhau như ti thể, lysosome, golgi, lưới nội chất, túi tiết và nhiều thứ khác. Các phân tử nhỏ (như phân tử oxy, glucose) có thể di chuyển đến vị trí cần thiết bên trong tế bào bằng khuếch tán, nhưng di chuyển bào quan bằng khuếch tán là không hiệu quả, vì vậy cần có “người vận chuyển” để di chuyển chúng. Ngoài ra, di chuyển tế bào (phần đầu duỗi ra, phần đuôi co lại) và phân chia tế bào (phần giữa tế bào co lại, rồi chia thành hai) cũng cần có lực cơ học.
Myosin có khả năng “chuyển động” như vậy. Myosin có ba phần: “đầu”, “cổ” và “đuôi”, có hình dạng giống như một cái gậy golf. “Đầu” phình ra có thể kết hợp với sợi actin. Nó có một điểm kết hợp ATP. Khi một phân tử ATP kết hợp với “đầu”, đầu sẽ thay đổi hình dạng, tách rời khỏi actin. Phân giải ATP giải phóng năng lượng khiến đầu “bẻ cong” từ “cổ”, kết hợp với một vị trí xa hơn trên sợi actin. Đầu đã “bẻ cong” giống như một cái lò xo bị nén, muốn trở về vị trí ban đầu, từ đó tạo ra sức kéo trên sợi actin. Nếu vị trí của sợi actin cố định, đầu của myosin có thể di chuyển theo hướng đầu dương. Nếu vị trí của myosin cố định, nó có thể kéo sợi actin di chuyển về đầu âm. ATP tiếp tục kết hợp và phân giải, quá trình di chuyển này có thể tiếp tục kéo dài.
Cơ chế tinh vi này xuất hiện lúc nào thì hiện nay không còn chắc chắn, vì tất cả các sinh vật eukaryota trên Trái đất đều có actin và myosin, chắc chắn nó đã phát triển từ một thời điểm nào đó sau khi tế bào eukaryota xuất hiện. Thậm chí trong giai đoạn đơn bào eukaryota, cơ chế tạo ra sức kéo này đã phát triển đến mức hoàn thiện, ít thay đổi trong hàng tỷ năm sau đó. Myosin trên cơ bắp của thỏ thậm chí có thể kết hợp với actin của động vật nguyên sinh; actin của thực vật và động vật cũng rất tương tự, khiến cho tốc độ mà đầu myosin trên đường ray của thực vật di chuyển gần như giống như trên đường ray của động vật.
Cơ chế tạo ra sức kéo này là vô cùng quý giá, vì vậy trong quá trình tiến hóa, các sinh vật liên tục sao chép gen của hai loại protein này và điều chỉnh chúng, mà không thay đổi cơ chế và hiệu suất hình thành sức kéo, để cho chúng thực hiện nhiều nhiệm vụ kéo khác nhau. Ví dụ, nấm men đã có 5 gen myosin. Chúng tạo ra những protein với “đầu” tương tự nhau, nhưng “đuôi” khác nhau, từ đó thực hiện những nhiệm vụ khác nhau. Con người có hơn 40 gen myosin.
Myosin loại I và loại V đều có “đuôi” có thể kết hợp với màng sinh học, do đó có thể “vác” các bào quan được bao bọc trong màng sinh học (như ti thể, lưới nội chất, golgi, túi tiết) và di chuyển dọc theo “đường ray” actin. Myosin loại I hoạt động dưới dạng đơn phân, trong khi myosin loại V hoạt động dưới dạng đồng phân.
Trong cơ bắp động vật, myosin loại II trước tiên tạo ra đồng phân, hai myosin có “đuôi” xoắn chặt vào nhau, hai “đầu” ở một đầu của đồng phân. Nhiều đồng phân như vậy kết hợp lại, một nửa trong số chúng có hướng ngược lại với nửa còn lại, hình thành cấu trúc như “cái chùy hai đầu”. Các sợi actin được “cắm” một cách ngăn nắp tại một đĩa, các sợi chạy song song với nhau. Hai cấu trúc như vậy đối diện nhau, giống như hai đầu của bàn chải đánh răng đối diện với nhau, cách nhau một khoảng. Cái “chùy hai đầu” của myosin được chèn vào giữa các sợi actin, hai đầu sẽ kết hợp với sợi. Khi ATP kết hợp vào “đầu” của myosin và phân giải, “đầu” sẽ kéo các sợi actin về hướng đầu âm. Bởi vì hai đầu của cái “chùy hai đầu” kéo các sợi actin theo hướng ngược nhau, hai “đầu bàn chải” sẽ đều di chuyển về phía giữa “cái chùy”, tức là hai “đầu bàn chải” tiến lại gần nhau, làm cơ bắp co lại.
Khi động vật nguyên sinh tiến lên, trong “chân giả” được duỗi ra, các sợi actin được hình thành có hướng song song với hướng vận động, đầu dương hướng ra ngoài, tạo thành “đường ray”. Myosin loại I kết hợp ở màng tế bào, “đầu” di chuyển dọc theo “đường ray” actin, kéo màng tế bào về phía trước. Phần đuôi tế bào, “chuỗi co” được tạo thành từ myosin loại II và actin (tương tự như đơn vị co trong cơ vân) sẽ kéo màng tế bào dính vào bề mặt rắn ra xa, giúp phần đuôi tế bào thu lại.
Trong quá trình phân chia tế bào của nấm men, một “vòng co” được hình thành từ myosin loại II và actin ở trung tâm tế bào. Vòng “co” này sẽ liên tục siết chặt để phân chia tế bào thành hai tế bào. Tế bào thiếu myosin loại II không thể phân chia và sẽ tạo thành tế bào khổng lồ chứa nhiều nhân.
Vậy nên, ngay cả trong các sinh vật đơn bào eukaryota, “protein cơ” đã bắt đầu đóng vai trò quan trọng. Cơ bắp của sinh vật đa bào chỉ là phát triển dựa trên nền tảng đó mà thôi.
Thế giới thực vật cũng có “protein cơ”?
Thực vật thường không có chuyển động, có vẻ như không cần cơ bắp. Nhưng tế bào thực vật cũng chứa actin và myosin, và không chỉ có một loại. Ví dụ, myosin loại VIII, XI và XIII là đặc trưng cho thực vật. Chúng liên quan đến việc vận chuyển các “hàng hóa” bên trong tế bào thực vật, như myosin loại XIII có thể vận chuyển lục lạp đến đỉnh của tổ chức mới.
Một chức năng khác của myosin thực vật là kích thích “dòng chảy tế bào” trong tế bào thực vật. Nếu quan sát tảo xanh (Nitella) dưới kính hiển vi, bạn có thể thấy tế bào chất chảy quanh một không bào trung tâm, và tốc độ chảy nhanh hơn ở gần màng tế bào, chậm hơn ở gần không bào. Nghiên cứu cho thấy, tế bào tảo tạo thành các “đường ray” actin song song bên dưới màng tế bào. Đuôi của myosin loại XI kết hợp ở các bào quan của thực vật (như lục lạp), “đầu” di chuyển dọc theo “đường ray” actin, kéo theo sự chuyển động của tế bào chất. Ở tảo xanh, tốc độ chảy của tế bào chất có thể đạt tới 7 micromet mỗi giây.
Do đó, ở cấp độ tế bào, thực vật và động vật có nhiều điểm tương đồng hơn, vì cả hai đều cần lực kéo để thực hiện một số hoạt động, đặc biệt là trong việc vận chuyển “hàng hóa” bên trong tế bào.
Cận cảnh về “tàu vận chuyển” bên trong tế bào không chỉ đơn thuần là hệ thống actin-myosin
Có rất nhiều nhiệm vụ vận chuyển bên trong tế bào, chẳng hạn như trong quá trình phân chia tế bào, cần có lực để “kéo” hai bộ nhiễm sắc vào trong hai tế bào. “Trục” của tế bào thần kinh (sợi thần kinh truyền tín hiệu) có thể dài hơn 1 mét, nhưng protein của tế bào thần kinh chủ yếu được tổng hợp ở thể tế bào (phần phình ra chứa nhân tế bào). Các “hóa chất thần kinh” (molecules truyền thông tin giữa các tế bào thần kinh) sẽ được bao bọc trong màng thành các túi tiết và sau đó được vận chuyển đến các đầu tận cùng của tế bào thần kinh. Những nhiệm vụ vận chuyển này không còn được thực hiện bởi actin và myosin, mà bởi một loại “tàu vận chuyển” khác.
Loại “tàu vận chuyển” này có “đường ray” không phải được tạo thành từ sợi actin mà được cấu thành từ vi ống (tubulin), có hình ống rỗng và cũng có đầu dương và đầu âm như sợi actin. Có hai loại protein có thể mang “hàng hóa” dọc theo “đường ray” này. Chúng đều sử dụng năng lượng từ sự phân giải ATP để vận chuyển nhưng theo hướng khác nhau. “Protein động” (Dynein) di chuyển về phía đầu âm của vi ống, mang “hàng hóa” từ xa về trung tâm tế bào. Loại protein khác gọi là “protein điều khiển” (kinesin), mang “hàng hóa” về phía đầu dương của vi ống, tức từ trung tâm tế bào ra phía xa.
Ngoài “vận chuyển hàng hóa”, loại protein này cũng liên quan đến sự phân chia nhiễm sắc vào các tế bào con trong quá trình phân chia tế bào. Hai bộ nhiễm sắc sao chép sẽ được nối với nhau qua “vi ống” và “trung thể” ở hai cực của tế bào, sau đó được “protein động” kéo vào trong hai tế bào con.
Cũng giống như actin và myosin, vi ống, protein động và protein điều khiển đã xuất hiện trong các sinh vật đơn bào eukaryota (như nấm men) từ rất lâu, cho thấy loại “tàu vận chuyển” này có lịch sử tiến hóa rất dài. Điều này lưu ý rằng ngay từ khi các sinh vật eukaryota xuất hiện, đã có một loạt các hoạt động tế bào cần lực kéo, trong khi hệ thống actin-myosin sau đó đã phát triển thành cơ bắp.
Sinht ra eukaryota có thể đã xuất hiện vào khoảng 2,1 tỷ năm trước. Vào thời gian đó, hóa thạch “tảo cuộn” (Grypania) dường như đã là một sinh vật đa bào có kích thước vài cm. Chúng ta ngày nay có thể có nhịp tim và hô hấp, có thể đi bộ, nấu ăn, ăn uống, vận động, lái xe, viết, vẽ, thêu, khiêu vũ, hát, chơi nhạc cụ, v.v., đều phải cảm ơn tổ tiên đơn bào đã phát minh ra hệ thống actin-myosin.
Sức mạnh tương đối “mạnh mẽ” của cơ bắp kiến thực ra chỉ do những yếu tố hình học đơn giản
Đến đây, chúng ta có thể thấy rằng tất cả các sinh vật eukaryota, bao gồm kiến và con người, đều có thể sử dụng sự tương tác giữa myosin và actin để tạo ra lực kéo cần thiết cho chuyển động của động vật, và cơ chế này đã hoàn thiện và hiệu quả rất cao. Mỗi gram phân tử ATP phân giải thành ADP và photphat có thể giải phóng 38,5 kJ năng lượng, tương đương với mỗi phân tử ATP phân giải sẽ giải phóng khoảng 6,4 x 10-13 erg năng lượng, có thể kéo 16 nm với lực 4 pN (piconewton). Năng lượng thực tế từ một phân tử ATP khi bị myosin phân giải có thể kéo sợi actin khoảng 11 đến 15 nm với lực từ 3 đến 4 pN! Vì vậy, nếu kiến và con người sử dụng cùng một hệ thống actin-myosin, thì kiến không thể có “cơ bắp kỳ diệu”.
Vậy tại sao kiến có thể nâng vật nặng gấp 100 lần trọng lượng cơ thể mà con người không thể? Điều này đơn giản là do kích thước cơ thể của kiến nhỏ. Nếu kiến được “phóng đại” đến kích thước của con người, mà cấu trúc cơ bắp không thay đổi, kiến sẽ không thể nâng vật nặng gấp 100 lần trọng lượng cơ thể của nó, thậm chí không thể nâng đầu lên (hầu hết đầu và cơ thể của kiến có tỷ lệ lớn hơn đáng kể so với con người). Ngược lại, nếu con người thu nhỏ xuống kích thước của kiến, mà cấu trúc cơ thể không thay đổi, con người cũng sẽ trở thành một “kẻ mạnh”.
Có thể bạn sẽ thắc mắc tại sao lại như vậy? Là bởi vì khi kích thước của một vật thay đổi, chiều dài tăng tỉ lệ, diện tích tăng theo bình phương, và thể tích tăng theo lập phương. Ví dụ, một vật có hình dạng giống nhau, khi tỷ lệ thu nhỏ 10 lần, diện tích sẽ thu nhỏ 100 lần, trong khi thể tích sẽ thu nhỏ 1000 lần. Đối với những động vật nhỏ, cùng tỷ lệ của vật sẽ có trọng lượng nhẹ hơn nhiều.
Giả sử chiều cao của người là 1,6 mét, chiều cao của kiến là 6,4 mm, tức là chiều cao của kiến bằng 1/250 chiều cao của người. Giả sử cấu trúc cơ thể của kiến giống như của người, thì diện tích cắt ngang cơ bắp chân của kiến sẽ là 1/62500 diện tích cắt ngang của người (1/250 bình phương) , trong khi trọng lượng cơ thể kiến sẽ bằng 1/15625000 (1/250 lập phương). Nếu trọng lượng của người là 60 kg, thì trọng lượng của kiến sẽ là 3,84 mg.
Vì diện tích cắt ngang của cơ bắp chân của kiến bằng 1/62500 diện tích cắt ngang của người, và sức mạnh cơ bắp khoảng tương ứng với diện tích cắt ngang, trong khi con người thường có thể nâng lên khoảng trọng lượng tương đương với trọng lượng cơ thể của mình, thì lý thuyết cho thấy kiến có thể nâng lên trọng lượng của 1/62500 trọng lượng cơ thể người, tức là 960 mg, gấp 250 lần trọng lượng của kiến! Vì vậy, kiến có thể sử dụng chân tương đối mỏng để nâng vật nặng gấp 100 lần trọng lượng cơ thể.
Điều này cũng giúp giải thích tại sao nhiều côn trùng như kiến và muỗi có thể có chân tương đối mảnh, trong khi động vật lớn như voi cần chân rất to. Bởi vì khi kích thước động vật tăng lên, trọng lượng tăng nhanh hơn nhiều. Nếu voi không có chân to như thế, chúng sẽ không thể nâng được trọng lượng lớn như vậy và cũng không thể di chuyển. Trong bộ phim “Tarzan”, con khỉ khổng lồ cao hàng chục tầng lại nhanh nhẹn như thực tế. Thực ra, điều này là không thể, nếu con khỉ khổng lồ được phóng to đến chiều cao 10 tầng, nó không chỉ không thể nhảy, mà có thể ngay cả đi lại cũng gặp khó khăn.
Tác động sâu rộng của nguyên lý hình học đơn giản
Không chỉ có sinh vật, nguyên lý hình học này còn có ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều điều khác.
Chẳng hạn, bụi là điều phiền phức trong cuộc sống của chúng ta. Không chỉ cần thường xuyên “dọn dẹp”, lau bụi khỏi bàn, mà PM2.5 cũng có thể xâm nhập vào phổi, ảnh hưởng đến sức khỏe của chúng ta. Các hạt bụi này có thể bay trong không khí, nghe có vẻ “nhẹ”, nhưng thực ra mỗi hạt bụi nặng hơn nhiều so với không khí ở cùng thể tích. Ví dụ, mật độ không khí dưới áp suất khí quyển khoảng 1,21-1,25 kg mỗi mét khối, tức là mỗi cm khối khoảng 1,21-1,25 mg. Trong khi đó, mật độ bụi thường đạt khoảng 2-3 gram mỗi cm khối, các sợi bông rơi ra từ quần áo cũng có mật độ khoảng 1,5 gram mỗi cm khối, gấp hơn 1000 lần trọng lượng của cùng một thể tích không khí. Chính vì lý do chúng có kích thước nhỏ, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng lên, nên lực ma sát do không khí tạo ra đủ để đưa chúng lên không trung.
Khi vật thể nhỏ đến mức nhất định, nó có thể “bay” trong không khí, còn nếu lớn đến mức nhất định thì sẽ từ từ trở thành hình cầu, giống như Trái đất (bán kính trung bình 6364 km) và Mặt trăng (bán kính trung bình 1737 km). Hình dạng hình cầu không phải là do ai đó “tạo ra”, mà là hệ quả của mối quan hệ hình học đơn giản. Bởi vì khi một vật lớn đến mức nhất định, tỷ lệ giữa thể tích (tương ứng với trọng lượng) và diện tích bề mặt sẽ trở nên cực lớn, trọng lực trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt cũng sẽ trở nên rất lớn, trong khi độ bền của đá không thay đổi, vì vậy bất kỳ sự nhô lên nào quá cao cũng sẽ bị sập. Ví dụ, trên Trái đất chỉ có thể có những ngọn núi cao vài ngàn mét, nhưng không thể có những đỉnh cao hàng chục km. Đối với các hành tinh nhỏ hơn, những đỉnh cao hàng chục km là có thể. Chẳng hạn, tiểu hành tinh “Eros”, mặc dù nặng 70 ngàn tỷ tấn, nhưng hình dạng vẫn không đều (13 x 13 x 33 km). Trong khi “Ceres” là tiểu hành tinh lớn nhất được biết đến trong hệ mặt trời, bán kính trung bình 471 km, hình dạng đã rất gần hình cầu.
Tóm tắt
Kích thước lớn của tế bào eukaryota so với tế bào prokaryota và sự hình thành của nhiều bào quan đều cần có hệ thống “động lực” bên trong tế bào để hoàn thành các nhiệm vụ vận chuyển và các công việc cần lực cơ học khác. Hệ thống actin-myosin đã phát triển từ thời kỳ đơn bào eukaryota, nguyên lý cơ bản và thành phần vẫn được sử dụng đến ngày nay, vì vậy cơ bắp của côn trùng và động vật có vú rất giống nhau. Do sự thay đổi kích thước của vật, chiều dài, diện tích và thể tích thay đổi với tốc độ khác nhau, vì vậy các vật được phóng đại hoặc thu nhỏ tỷ lệ sẽ không còn các thuộc tính vật lý tương tự như vật ban đầu. Trong khi sức mạnh cơ bắp không thay đổi, sự giảm kích thước của cơ thể sinh vật có thể tạo ra lực kéo cho kiến. Khi mật độ và độ bền không thay đổi, đá có thể vừa trở thành bụi có thể “bay” trong không khí (khi kích thước nhỏ) và tự động chuyển thành hình cầu (khi kích thước rất lớn). Vì vậy, một nguyên lý hình học đơn giản lại có thể có tác động sâu rộng đến “hành vi” của vật thể.
Thẻ động vật: Kiến, Côn trùng, Kiến thợ châu Á, Bọ chét, Bò phân
