Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đặt một sinh vật dài chỉ vài milimet vào bồn nitơ lỏng ở nhiệt độ âm 196 độ C. Toàn thân nó đông cứng trong vài giây. Mọi chuyển động dừng lại. Nước trong cơ thể biến thành một khối băng trong suốt. Vậy mà khi được đưa trở lại môi trường ấm hơn, lớp băng tan dần và sinh vật ấy… ngọ nguậy rồi sống dậy.
Sinh vật nhỏ đó là ấu trùng của loài ruồi Chymomyza costata, một loài sống ở vùng ôn đới lạnh của Cộng hòa Séc, Slovakia, Nga và nhiều khu vực giá rét của Nhật Bản. Điều khiến nó khác biệt là khả năng chịu được mức nhiệt mà gần như mọi động vật đa bào khác đều không thể vượt qua. Từ năm 2011, thí nghiệm đăng trên Journal of Experimental Biology đã ghi nhận rằng ấu trùng của loài này có thể sống sót sau khi được nhúng vào nitơ lỏng, một môi trường lạnh đến mức thép cũng trở nên giòn.
Kết quả này được mở rộng hơn trong nghiên cứu đăng trên Scientific Reports năm 2018. Các nhà khoa học thử nhiều mức lạnh khác nhau, từ âm 10 độ C đến âm 30 độ C, rồi đến âm 196 độ C. Họ phát hiện rằng khả năng chịu lạnh không chỉ là may rủi mà là một chiến lược sinh tồn có cấu trúc rõ ràng. Ấu trùng chỉ thật sự “kháng băng” khi trải qua hai giai đoạn đặc biệt.
Giai đoạn đầu là diapause, một trạng thái ngủ đông sinh lý. Ở trạng thái này, ấu trùng gần như dừng phát triển. Hoạt động trao đổi chất giảm xuống mức thấp nhất. Việc tiết kiệm năng lượng này giúp toàn bộ cơ thể rơi vào một nhịp chậm như bị tắt tiếng, sẵn sàng chịu đựng thời gian dài trong lạnh giá.
Giai đoạn thứ hai là cold acclimation. Khi nhiệt độ môi trường hạ dần, ấu trùng bắt đầu thay đổi cấu trúc sinh hóa bên trong. Chúng tích lũy hàng loạt hợp chất cryoprotectant như proline, trehalose và glycine betaine. Báo cáo của nhóm nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa Séc cho thấy nồng độ proline trong ấu trùng có thể tăng gấp bảy lần sau quá trình thích nghi lạnh. Những hợp chất này hoạt động giống một lớp chống đông tự nhiên, giúp hạn chế sự hình thành tinh thể băng sắc nhọn có thể phá vỡ màng tế bào.
Ngay cả như vậy, cơ thể vẫn bị tổn thương sau khi rã đông. Các quan sát mô học cho thấy ti thể trong cơ bắp bị biến dạng, protein bị gấp sai, và nhiều tế bào bị stress oxy hóa nặng. Điều gây kinh ngạc không phải là việc ấu trùng không bị hư hại, mà là khả năng sửa chữa sau đó. Khi được đưa về khoảng 18 độ C, chúng kích hoạt một chuỗi quá trình giải độc, sửa protein và tái xây dựng mô. Những ấu trùng sống sót là những cá thể có thể hoàn tất quá trình sửa chữa này, rồi tiếp tục phát triển thành ruồi trưởng thành như bình thường.
Khả năng này cho thấy một nghịch lý tiến hóa. Trong thân cây mục, nơi ấu trùng Chymomyza costata trú ẩn, nhiệt độ có thể dao động mạnh giữa ngày và đêm. Mùa đông ở các vùng như Siberia hay Bắc Nhật Bản kéo dài hàng tháng. Áp lực này dường như đã buộc chúng phát triển bộ công cụ sinh học mạnh đến mức giúp vượt qua những giới hạn mà ta tưởng như tuyệt đối.
Điều bất ngờ là ấu trùng không tìm cách tránh bị đóng băng. Thay vào đó, chúng cho phép cơ thể bị đóng băng một phần, rồi chuẩn bị sẵn hệ thống sửa chữa sau khi băng tan. Nghiên cứu năm 2018 cho rằng chiến lược này hiệu quả hơn nhiều so với việc chỉ cố gắng chống lại băng giá. Mỗi khi rã đông, ấu trùng giống như một cỗ máy nhỏ kiên nhẫn ghép lại từng phần của chính mình.
Khả năng này đang thu hút sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu y sinh. Nếu hiểu được cách ấu trùng bảo vệ màng tế bào và ti thể ở mức lạnh cực hạn, con người có thể tiến gần hơn đến việc bảo quản mô, tạng hoặc thậm chí toàn bộ cơ thể trong thời gian dài mà không gây tổn thương không thể phục hồi. Một số nhà khoa học còn xem loài ruồi nhỏ này như mô hình sống cho các giả thuyết về sự sống trong môi trường ngoài Trái Đất.
Giữa cái lạnh nơi nitơ lỏng, một giọt sự sống vẫn bền bỉ tồn tại. Nó gợi cảm giác rằng sự sống có thể linh hoạt hơn ta tưởng. Và đâu đó trong bóng đêm của thế giới vi mô này, câu hỏi vẫn lặng lẽ vang lên: nếu một ấu trùng vài milimet vượt qua được âm 196 độ C, vậy giới hạn thật sự của sự sống nằm ở đâu.