7 khám phá khoa học năm 2022 sẽ dẫn tới các phát minh mới

Tuổi tác chỉ là con số mà thôi, nhưng với loài “sứa bất tử” sống dưới biển sâu, con số đó có thể điều chỉnh lại vô số lần.

Khi sứa bất tử trưởng thành (Turritopsis dohrnii) bị thương hoặc thấy căng thẳng, nó sẽ hấp thụ các xúc tu của mình vào trong cơ thể, trở thành một cục thịt trôi nổi tự do và rơi xuống đáy biển. Cục thịt này rồi sẽ biến thành một giai đoạn sống sớm hơn của loài sứa: một sinh vật đơn bào dạng ống giống như thực vật, phân nhánh, từ đó giải phóng những con sứa non vào đại dương. Một cách hiệu quả, con sứa trưởng thành biến thành nhiều sứa con mới. Tuy những kẻ săn mồi có thể giết chết các sinh vật này, nhưng sứa không chết vì tuổi già.

Để tìm hiểu xem làm thế nào loài động vật không xương sống nhỏ bé này thành công chống lại lão hóa, một nhóm các nhà khoa học đã nghiên cứu bộ gen của nó. Trong một nghiên cứu công bố vào tháng Tám trên Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà sinh vật học từ Đại học Oviedo ở Tây Ban Nha đã so sánh sứa bất tử với một trong những loài sứa họ hàng của nó, và rồi họ phát hiện ra sứa bất tử có gấp đôi số lượng gen sửa chữa và bảo vệ DNA. Với những gen này, sứa có thể tạo ra nhiều protein phục hồi hơn.

Telomere (các bit bảo vệ nhiễm sắc thể của DNA) thường ngắn lại theo tuổi tác. Nhưng loài sứa bất tử có đột biến gen làm chậm quá trình thu ngắn lại này.

Sứa sử dụng nhiều con đường di truyền để duy trì tuổi thọ của chúng – đây có thể là bài học cho các nhà nghiên cứu về sự lão hóa ở con người. “Nếu muốn tìm kiếm cách kéo dài tuổi thọ, chúng ta không thể chỉ tập trung vào một con đường. Như thế sẽ không đủ,” Jan Karlseder, nhà sinh học phân tử kiêm giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Lão hóa Sinh học Glenn tại Viện Salk, nói.

Việc kiểm tra gen của những con sứa này – gồm cả những gen liên quan tới tái tạo và sản sinh ra tế bào gốc có thể phát triển thành bất kỳ loại tế bào nào trong cơ thể - có thể mở ra hướng đi mới nhằm thay thế các tế bào, cơ quan hay mô bị hư hại ở con người. Nghiên cứu có thể “tìm ra những câu trả lời tốt hơn cho rất nhiều căn bệnh liên quan tới lão hóa đang ngày càng ảnh hưởng tới chúng ta”, Carlos López-Otín, đồng tác giả kiêm nhà sinh hóa học và sinh học phân tử tại Đại học Oviedo, cho biết.

Bọ đuôi bật có kích thước vô cùng nhỏ bé, sống trong đất, lá mục, vỏ cây và các môi trường ẩm ướt khác. Nhỏ bé là thế nhưng chúng có khả năng di chuyển cực nhanh. Để thoát khỏi nguy hiểm, chúng sẽ bật lên không trung với tốc độ gấp 280 lần chiều dài cơ thể trong mỗi giây. Khi bật nhảy giữa không trung, chúng thực hiện các động tác xoay người và lật người nhanh chóng và rồi tiếp đất bằng chân.

Các nhà khoa học từng tin rằng bọ đuôi bật không kiểm soát được cơ thể khi bay. Khi nhìn bằng mắt thường, những cú nhảy thần tốc của chúng giống như chạy trốn điên cuồng. Nhưng gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy ảnh công nghệ cao để quan sát loài bán thủy sinh, ghi lại cách những con bọ sáu chân này nhảy chính xác thế nào trong một nghiên cứu được đăng trên Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia vào tháng Mười một.

Kỹ thuật của sinh vật này đến từ hai bộ phận cơ thể đặc biệt: một bộ phận phụ gọi là xương chạc, đập vào nước để phóng người lên không trung, và một ống ở bụng được gọi là ống dính, cái ống này sẽ giữ một giọt nước để ổn định chuyến bay, và khi hạ xuống thì đóng vai trò làm neo.

Lấy cảm hứng từ các bộ phận tự nhiên kiểm soát được cú nhảy của bọ đuôi bật, các nhà nghiên cứu đã chế tạo những robot nhỏ có các cánh kéo giúp chúng hạ cánh theo chiều thẳng đứng. Trong các cuộc thử nghiệm, những robot nhảy cơ học nhỏ cỡ đồng xu đã hạ cánh chính xác khoảng 75% lần.

“Kiểm soát được hướng trong không trung để hạ cánh và nhảy là một thách thức lớn đối với các robot nhảy, nhất là khi chúng có kích cỡ nhỏ bé. Phát hiện trong nghiên cứu này sẽ truyền cảm hứng để tạo ra các con robot nhỏ cỡ côn trùng có khả năng hạ cánh an toàn, đồng thời mở rộng khả năng sử dụng chúng ở các địa hình mới, chẳng hạn như bề mặt nước trên các hồ và đại dương ở hành tinh của chúng ta”, đồng tác giả nghiên cứu Je-sung Koh, kỹ sư cơ khí thuộc nhóm tại Đại học Ajou ở Hàn Quốc đã giúp chế tạo robot, cho biết.

Bạc hà mèo và lá nho bạc chứa một hợp chất hóa học là iridoids, có tác dụng khiến endorphin của mèo tăng cao khi đùa nghịch với chúng. Nhưng chất iridoids này cũng có thể đuổi muỗi. Sau khi mèo cọ xát hay lăn trong bụi cây, lông của chúng sẽ dính các hóa chất này và xua đuổi các con côn trùng hút máu. Tuy nhiên, điều khiến các nhà nghiên cứu băn khoăn, trăn trở là mèo cũng liếm và nhai lá, họ không biết việc này có lợi gì cho những con mèo.

Trong một thí nghiệm, nhóm nghiên cứu từ Đại học Iwate ở Nhật Bản đã cho mèo chơi hai loại lá nho bạc: một loại đã được vò nát lá và một lại còn nguyên lá. Các con mèo dành nhiều thời gian để chơi với loại lá bị vò nát hơn.

Khi phân tích kỹ hơn, họ nhận thấy những chiếc lá bị vò nát tiết ra nhiều iridoid hơn, hỗn hợp hóa chất trong những chiếc lá như thế đa dạng hơn, trên đó phân bố đồng đều năm loại hóa chất khác nhau hơn. Còn ở những chiếc lá còn nguyên, hỗn hợp hóa học chủ yếu nổi trội một iridoid mà thôi.

Hơn nữa, loại hỗn hợp phức tạp được mèo ưa thích ấy lại chẳng mấy hấp dẫn với muỗi. Các nhà khoa học đặt một chiếc đĩa dẹt vào chiếc hộp trong suốt chứa đầy côn trùng. Khi cho hóa chất từ những chiếc lá nát vào đĩa, lũ muỗi phân tán nhanh hơn so với khi các nhà khoa học cho vào hỗn hợp từ những chiếc lá còn nguyên.

Công bố trên iScience vào tháng Sáu, những phát hiện này sẽ giúp con người xua muỗi. Loại muỗi trong nghiên cứu có thể truyền virus như sốt xuất huyết và chikungunya cho người. Kết quả cho thấy mọi người có thể sử dụng lá bạc hà mèo hay hỗn hợp iridoid để làm thuốc xịt côn trùng — miễn là họ không ngại việc thu hút mèo tới quấn quýt.

Từ buổi bình minh của khoa học tinh trùng — khi nhà phát minh ra kính hiển vi phức hợp Antonie van Leeuwenhoek quan sát tinh dịch của chính mình vào năm 1677 — các nhà khoa học vất vả tìm cách quan sát tinh trùng trong một môi trường mà giúp họ nắm bắt được tinh trùng hoạt động thế nào một cách tự nhiên. Khi bị kẹp giữa hai mảnh kính dưới một thấu kính, tinh trùng không thể hiện chúng hoạt động thế nào trong đường sinh sản.

Nhưng trong một nghiên cứu về tinh trùng bò công bố trên tạp chí Frontiers in Cell and Developmental Biology vào tháng Chín, các nhà nghiên cứu từ Đại học Bang A&T North Carolina và Cornell đã tạo ra một môi trường chứa đầy chất lỏng mô phỏng các điều kiện của cổ tử cung, tử cung và ống dẫn trứng của bò. Khi phân tích họ thấy rằng tinh trùng bò bơi theo nhóm có khả năng điều hướng tốt hơn tới hệ thống sinh sản của bò so với tinh trùng di chuyển một mình.

Cụm tinh trùng không bơi nhanh hơn, nhưng chúng có thể di chuyển dọc theo một con đường trực tiếp hơn trong đường sinh sản. Khi các nhà nghiên cứu thêm dòng chảy vào trong môi trường chất lỏng, tương tự như dòng chảy mà tinh trùng sẽ đối mặt bên trong con bò, những con tinh trùng tụ lại với nhau có khả năng định hướng tốt hơn để bơi ngược dòng. Các nhóm tinh trùng thậm chí có thể chống chịu được dòng chảy mạnh nhất, khiến chúng ít có khả năng bị cuốn trôi xuống hạ lưu.

Nghiên cứu này mở đường cho những khám phá trong tương lai có thể áp dụng cho người. Tinh trùng bò có điểm tương đồng với tinh trùng người — cả hai đều có kích thước tương tự nhau, bơi qua âm đạo và cổ tử cung để đến tử cung.

Chính vì thế, các nhà nghiên cứu cho rằng việc đi theo nhóm có thể mang lại lợi ích cho tinh trùng người. Hiểu biết này có thể cải thiện cả phương pháp điều trị vô sinh ở người lẫn các biện pháp ngừa thai. Ngoài ra, các nhà khoa học có thể sử dụng thiết bị mô phỏng môi trường sinh sản mà các nhà nghiên cứu phát triển cho nghiên cứu này, để chẩn đoán vô sinh và cung cấp thêm trợ giúp cho việc thụ thai.

Nhờ chiếc vòi, con voi có thể đánh hơi, giao tiếp, trữ nước, hái thức ăn và ăn. Bộ phận này có thể dùng lực xé tán lá khỏi cành hay nhanh chóng ngắt một ngọn cỏ. Theo nghiên cứu được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia vào tháng Bảy, chìa khóa nằm ở chính lớp da nhăn nheo.

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã khuyến khích hai con voi xavan châu Phi bị nhốt trong lồng vươn vòi về phía những viên cám và quả táo. Khi những con voi điều khiển chiếc mũi khéo léo, các nhà khoa học đã quay phim lại bằng máy ảnh tốc độ cao. Đoạn phim cho thấy mọi phần của chiếc vòi không vươn ra đồng đều: Phần da gấp ở chóp vòi kéo dài hơn 15% so với phần da nhăn nheo bên dưới. Nhóm nghiên cứu xác nhận phát hiện này bằng cách kiểm tra vòi của một con voi đã chết.

Đồng tác giả David Hu, kỹ sư cơ khí tại Viện Công nghệ Georgia, cho biết thiết lập da đặc biệt này là “sự sáng tạo của loài voi”. Nhưng các kỹ sư thường bỏ qua khái niệm này khi phát triển robot mềm.

Andrew Schulz, kỹ sư cơ khí tại Georgia Tech kiêm đồng tác giả nghiên cứu, nói: “Để có được những chuyển động phức tạp này, bạn cần tạo được những cấu trúc này ở bên ngoài. Các chuyên gia cho biết những người nghiên cứu robot mềm nên thử nghiệm vật liệu bọc công nghệ của họ bên trong. Nhờ thế, các nhà cải cách có thể tạo ra những cỗ máy sao chép chính xác hơn động lực học của vòi voi.

Nhà sinh vật học Dan Blumstein tại Đại học California, Los Angeles, cho biết nếu cầm con sóc đất marmot bụng vàng đang ngủ đông lên thì sẽ có cảm giác “như một tảng đá xù lông, lạnh lẽo”. Khi quá trình trao đổi chất chậm lại đáng kể, nhiệt độ cơ thể của sóc giảm xuống mức gần như đóng băng là 5 độ C.

Sóc marmot có tuổi thọ khoảng 15 năm - nhưng dành 9 tháng mỗi năm để ngủ đông. Một nghiên cứu vào tháng Ba cho thấy loài gặm nhấm có thể chìm sâu vào trạng thái lờ đờ đến mức, trong quá trình đó, quá trình lão hóa có thể chậm tới tạm dừng lại.

Tuổi thọ của sóc marmot dài hơn nhiều so với một loài động vật có vú khác cùng kích thước với nó, và thói quen ngủ đông thái quá này có thể là lời giải thích. Khi sóc marmot thức dậy từ giấc ngủ, về mặt sinh học, tuổi của chúng ngang với khi đi ngủ.

Các nhà nghiên cứu đã đo những ghi dấu ngoại di truyền, hay những thay đổi tự nhiên đối với DNA khi một sinh vật già đi, trong các mẫu máu từ những con sóc marmot ngủ đông, và công bố phát hiện trên tạp chí Nature Ecology & Evolution. Khi sóc marmot thức dậy một khoảng thời gian ngắn trong thời gian ngủ đông - chẳng hạn như để kích hoạt hệ thống miễn dịch - quá trình chuyển đổi khởi động các hoạt động tế bào liên quan đến lão hóa, bao gồm stress oxy hóa hay dư thừa một số phân tử chứa oxy liên quan đến các tình trạng như bệnh Alzheimer. Nhưng nhờ ngăn được hoạt động này khi ngủ đông, sóc marmot ngăn chặn được tình trạng lão hóa của các tế bào. Các ghi dấu ngoại di truyền của chúng hầu như không thay đổi trong quá trình ngủ đông, cho thấy tuổi sinh học của sóc marmot vẫn giữ nguyên từ lúc ngủ tới lúc thức.

Lấy sóc marmot và các loài sinh vật tương tự làm phác thảo, các nhà khoa học của NASA và Cơ quan vũ trụ châu Âu đã quan tâm tới những chiến lược cho các phi hành gia ngủ đông. Các bác sĩ cũng có thể sử dụng những ghi dấu ngoại di truyền này để bảo quản tốt hơn các mô nội tạng đang chờ để cấy ghép.

Đăng trên tạp chí Nature Communications vào tháng Mười, nghiên cứu cho biết sâu sáp (giai đoạn ấu trùng của bướm đêm) có thể tạo nên cách mạng với giải pháp phân hủy nhựa.

Trong bối cảnh hệ thống tái chế của thế giới đang gặp nhiều khó khăn để giải quyết chất thải nhựa, có lẽ “tái chế sinh học” sẽ là phương cách giúp giải quyết vấn nạn này. Một ngày nào đó, nước dãi của sâu sáp sẽ có thể được dùng để phân hủy nhựa tại các nhà máy chất thải quy mô lớn, hay dẫn tới việc phát minh ra bộ dụng cụ tái chế tại nhà, các nhà nghiên cứu cho biết.

Tuy nhiên, sâu sáp sẽ thải ra rất nhiều khí cacbonic khi chúng phân hủy vật liệu này. Đó là một trong những lí do vì sao các chuyên gia cho rằng giải pháp mạnh nhất là sản xuất ra ít đồ nhựa hơn.

Nguồn: smithsonianmag.com