Cá phổi là nhóm cá nước ngọt có phổi thật, dùng để thở không khí, sống ở châu Phi, Nam Mỹ và Úc. Hiện chỉ còn sáu loài. Một số loài thở bằng phổi nhiều đến mức sẽ chết đuối nếu bị giữ dưới nước, không ngoi lên được. Cá phổi châu Phi còn có khả năng vùi mình xuống bùn khi ao hồ cạn, tiết chất nhầy tạo kén và nằm đó qua mùa khô, đôi khi nhiều tháng tới vài năm.
Cá phổi cũng là họ hàng còn sống gần nhất của tất cả động vật bốn chân trên cạn, kể cả con người, gần hơn cả cá vây tay nổi tiếng. Nghiên cứu chúng giúp hiểu cách tổ tiên ta rời nước lên bờ hàng trăm triệu năm trước. Bài này kể về sáu loài cá kỳ lạ đó, và giải thích vì sao cá lóc, cá rô đồng ở Việt Nam thở được không khí nhưng không phải cá phổi.
Sáu loài cá phổi còn sống và khác biệt giữa chúng
Sáu loài cá phổi thuộc ba nhóm, sống ở ba châu lục cách xa nhau, dấu vết của thời các lục địa còn nối liền. Chúng khác nhau khá nhiều về cách thở:
| Nhóm | Số loài và nơi sống | Phổi và cách thở | Qua mùa khô |
|---|---|---|---|
| Cá phổi Úc | Một loài, vài con sông ở bang Queensland | Một phổi; vẫn dùng mang là chính, thở khí khi nước thiếu oxy | Không làm kén; cần nước quanh năm |
| Cá phổi châu Phi | Bốn loài, sông hồ, đầm lầy châu Phi | Hai phổi; trưởng thành phải thở không khí, mang tiêu giảm | Đào hang trong bùn, làm kén nhầy, ngủ hè |
| Cá phổi Nam Mỹ | Một loài, lưu vực Amazon và Paraná | Hai phổi; phụ thuộc không khí | Vùi trong hang bùn ẩm, không tạo kén kín như loài châu Phi |
Cá phổi Úc trông giống nhất với những hoá thạch cá phổi cổ, với vây to, thân phủ vảy lớn. Cá phổi châu Phi và Nam Mỹ có thân dài như lươn, vây mảnh như sợi chỉ, dùng để "bước" dọc đáy nước.
Ngủ trong kén bùn: cá phổi châu Phi qua mùa khô thế nào
Ở những vùng có mùa khô kéo dài của châu Phi, ao hồ có thể cạn khô hoàn toàn. Cá phổi châu Phi đối phó bằng một quá trình gọi là ngủ hè, diễn ra theo các bước:
- Khi mực nước hạ thấp, cá dùng miệng đào xuống bùn mềm, tạo một hang hình bình, rồi uốn mình nằm gọn trong đó, đầu hướng lên trên.
- Khi bùn khô dần, cá tiết ra một lượng lớn chất nhầy từ da. Chất nhầy khô lại thành lớp kén mỏng bao quanh cơ thể, chỉ chừa một lỗ nhỏ ở miệng để hít không khí.
- Trao đổi chất giảm mạnh, tim đập chậm hẳn, cá ngừng ăn và sống nhờ phân giải chính cơ bắp của mình.
- Chất thải chứa nitơ không thải được ra nước, nên được chuyển thành urê, ít độc hơn, tích lại trong cơ thể.
- Khi mưa đến và nước tràn vào, kén mềm ra, cá thức dậy, bơi ra ngoài và bắt đầu ăn lại, thường chỉ sau vài giờ.
Thời gian ngủ hè trong tự nhiên thường là vài tháng, tuỳ độ dài mùa khô. Trong phòng thí nghiệm, người ta ghi nhận cá phổi châu Phi sống sót trong kén lâu hơn nhiều, có báo cáo tới vài năm. Người dân một số vùng ở châu Phi biết điều này và đào những khối bùn khô có cá bên trong để làm thực phẩm.
Cá phổi thở như thế nào
Cá phổi không hít thở liên tục như người. Chúng bơi lên mặt nước, há miệng đớp một ngụm không khí, rồi dùng cơ vùng miệng và họng ép khí xuống phổi, cách làm gọi là bơm miệng, giống cách ếch nhái thở. Sau đó chúng lặn xuống và giữ khí trong phổi một thời gian, có khi vài phút, có khi lâu hơn tuỳ nhiệt độ nước và mức độ hoạt động.
Phổi của cá phổi có vách bên trong chia thành nhiều ngăn nhỏ, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa không khí và mạch máu. Tim của chúng cũng có cấu tạo đặc biệt hơn tim cá thông thường: tâm nhĩ được chia một phần, giúp tách bớt dòng máu giàu oxy từ phổi khỏi dòng máu nghèo oxy từ cơ thể. Đây là bước trung gian thú vị giữa tim cá một vòng tuần hoàn và tim hai vòng tuần hoàn của động vật trên cạn.
Cá phổi châu Phi con khi mới nở có mang ngoài dạng lông mảnh, trông giống nòng nọc của kỳ giông, và thở bằng mang là chính. Khi lớn lên, mang ngoài tiêu đi, phổi phát triển, và cá chuyển dần sang thở không khí. Sự chuyển đổi trong một đời cá này giúp các nhà khoa học hình dung từng bước của quá trình mà tổ tiên động vật bốn chân đã trải qua trong hàng triệu năm.
Họ hàng gần nhất của chúng ta dưới nước
Khoảng 400 triệu năm trước, trong kỷ Devon, các nhóm cá vây thuỳ, có vây thịt với xương bên trong, bắt đầu phân hoá. Một nhánh trong số đó dần dần tiến lên bờ, trở thành tổ tiên của lưỡng cư, bò sát, chim và thú, tức tất cả động vật bốn chân. Hai nhánh khác vẫn ở dưới nước và còn đại diện tới ngày nay: cá vây tay và cá phổi.
Câu hỏi cá vây tay hay cá phổi gần với động vật bốn chân hơn từng được tranh luận nhiều năm. Các phân tích di truyền quy mô lớn trong những thập kỷ gần đây, đặc biệt sau khi giải mã bộ gen cả hai nhóm, ủng hộ rõ ràng rằng cá phổi là họ hàng gần hơn. Nghĩa là, về mặt tiến hoá, một con cá phổi gần con người hơn là gần một con cá chép hay cá hồi.
Điều này không có nghĩa con người "tiến hoá từ cá phổi". Cá phổi ngày nay là anh em họ, không phải tổ tiên. Chúng ta và cá phổi cùng có một tổ tiên chung đã tuyệt chủng từ lâu. Nhưng vì giữ lại nhiều đặc điểm cổ, cá phổi là mô hình quý để nghiên cứu cách phổi, chi và hệ tuần hoàn thích nghi với đời sống trên cạn đã hình thành.
Bộ gen khổng lồ: lớn gấp nhiều lần bộ gen người
Năm 2021, một nhóm nghiên cứu quốc tế công bố trên tạp chí Nature việc giải mã bộ gen cá phổi Úc. Kết quả khiến nhiều người bất ngờ: bộ gen có khoảng 43 tỷ cặp base, lớn gấp khoảng 14 lần bộ gen người, và vào thời điểm đó là bộ gen động vật lớn nhất từng được giải mã. Sau đó, các nhóm khác công bố bộ gen của cá phổi Nam Mỹ còn lớn hơn nữa.
Bộ gen lớn không có nghĩa là có nhiều gen hơn hay "tiến hoá hơn". Phần lớn kích thước đến từ những đoạn ADN lặp lại, gọi là yếu tố di động, có khả năng tự sao chép và chèn mình vào nhiều vị trí trong bộ gen qua hàng trăm triệu năm. Số gen thật sự mã hoá protein của cá phổi không khác người quá nhiều.
Điều thú vị nằm ở các gen cụ thể: nhóm nghiên cứu tìm thấy ở cá phổi những gen liên quan tới phát triển phổi và chi giống với động vật bốn chân, cho thấy một phần "bộ công cụ" để lên cạn đã có sẵn ở tổ tiên chung từ khi còn sống dưới nước. Đây là ví dụ cho thấy tiến hoá thường dùng lại những thứ đã có, thay vì tạo mới hoàn toàn.
Những con cá phổi sống lâu nổi tiếng trong thuỷ cung
Cá phổi Úc có tuổi thọ rất dài. Con cá phổi có biệt danh "Granddad" ở thuỷ cung Shedd tại Chicago, Mỹ, được đưa từ Úc về năm 1933 khi đã trưởng thành, và sống ở đó tới năm 2017 khi được cho an tử vì tuổi già. Thuỷ cung ước tính nó đã hơn 90 tuổi, khiến nó thành một trong những con cá sống lâu nhất từng được nuôi.
Một con cá phổi Úc khác, biệt danh "Methuselah", được đưa về Học viện Khoa học California ở San Francisco năm 1938 và vẫn được nhắc tới trong nhiều năm như con cá lâu năm nhất trong một thuỷ cung. Những con cá này cho thấy cá phổi có thể sống gần trăm năm, dù chưa rõ tuổi thọ tối đa trong tự nhiên.
Cá phổi Úc hiện được bảo vệ chặt chẽ ở nước này vì môi trường sống bị thu hẹp do đập thuỷ điện và thay đổi dòng chảy. Việc đánh bắt hay mua bán chúng bị kiểm soát nghiêm ngặt. Đây cũng là lời nhắc chung: nhiều loài cá cổ quý hiếm phụ thuộc vào những dòng sông còn tự nhiên.
Cá lóc, cá rô thở không khí nhưng không phải cá phổi
Cá lóc (cá quả). Cá lóc có một cơ quan hô hấp phụ nằm phía trên mang, gồm những nếp gấp có nhiều mạch máu, giúp lấy oxy từ không khí. Nhờ vậy chúng sống được ở ao đầm thiếu oxy và sống lâu khi ra khỏi nước nếu da còn ẩm. Nhưng đây không phải phổi; cá lóc thuộc nhóm cá vây tia như phần lớn cá thường gặp.
Cá rô đồng. Cá rô có cơ quan mê lộ phía trên mang, cũng là cơ quan thở khí phụ. Chuyện cá rô "leo cây" hay bò trên cạn vào mùa mưa có phần thật: chúng có thể di chuyển một quãng ngắn trên mặt đất ẩm từ ao này sang ao khác.
Cá trê. Cá trê có cơ quan hô hấp phụ dạng nhánh cây phía trên mang, thở được không khí và vùi mình trong bùn khi nước cạn, một kiểu thích nghi giống cá phổi nhưng tiến hoá độc lập.
Điểm khác biệt cốt lõi. Phổi của cá phổi có cùng nguồn gốc với phổi của động vật bốn chân và với bóng bơi của các loài cá khác. Cơ quan thở khí của cá lóc, cá rô, cá trê là những phát minh riêng của từng nhóm, cho thấy thở không khí là giải pháp đã xuất hiện nhiều lần trong tự nhiên.
Câu hỏi thường gặp
Cá phổi có sống ở Việt Nam không?
Không có loài cá phổi nào sống tự nhiên ở Việt Nam hay châu Á. Sáu loài còn lại chỉ có ở châu Phi, Nam Mỹ và Úc. Một số cá phổi châu Phi được buôn bán làm cá cảnh ở nhiều nước; việc nhập khẩu và nuôi phải tuân thủ quy định về loài ngoại lai.
Cá phổi có thể sống hoàn toàn trên cạn không?
Không. Kể cả khi ngủ hè trong kén bùn, cá phổi châu Phi vẫn cần độ ẩm và trạng thái giảm trao đổi chất. Chúng không thể bò đi kiếm ăn trên cạn. Khi tỉnh dậy và hoạt động bình thường, chúng cần nước để bơi, ăn và sinh sản.
Bóng bơi của cá và phổi có liên quan gì?
Các nhà khoa học cho rằng phổi và bóng bơi có cùng nguồn gốc. Ở tổ tiên xa, một túi khí nối với họng có thể vừa giúp nổi vừa giúp thở. Ở phần lớn cá vây tia, nó chuyển thành bóng bơi điều chỉnh độ nổi; ở dòng cá phổi và động vật bốn chân, nó thành phổi.
Cá phổi ăn gì?
Cá phổi ăn tạp: cá nhỏ, ốc, tôm tép, ấu trùng côn trùng, ếch nhái và cả thực vật. Cá phổi châu Phi có răng dạng phiến chắc khoẻ, cắn vỡ được vỏ ốc. Chúng thường săn mồi vào ban đêm.
Cá vây tay là gì, khác cá phổi thế nào?
Cá vây tay là nhóm cá vây thuỳ khác, từng bị tưởng đã tuyệt chủng cho tới khi một con được phát hiện ở Nam Phi năm 1938. Chúng sống ở biển sâu, không có phổi hoạt động để thở. Cá phổi sống ở nước ngọt và thở không khí, và được xác định gần động vật bốn chân hơn.
Vì sao có loài cá phổi chết đuối dưới nước?
Ở cá phổi châu Phi và Nam Mỹ trưởng thành, mang tiêu giảm và chỉ đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu oxy. Phần lớn oxy đến từ không khí qua phổi. Nếu bị giữ dưới nước, không ngoi lên được để hít khí, chúng sẽ thiếu oxy và chết.