Tác giả: Ji Qiaoqiao (Viện Địa lý và Nông sinh thái Đông Bắc, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc)
Bài viết được trích từ tài khoản chính thức của Viện Hàn lâm Khoa học (ID: kexuedayuan)
——
Bọ cánh cứng (Coleoptera) là thuật ngữ chung chỉ các loài côn trùng thuộc bộ Coleoptera. Chúng được phân biệt với các loài côn trùng khác bằng "lớp giáp cứng" bên ngoài cơ thể. Là bộ lớn nhất trong lớp Insecta, hiện có 183 họ bọ cánh cứng trên toàn thế giới, với hơn 400.000 loài được mô tả, chiếm 25% tổng số loài trên thế giới. "Bộ giáp cứng" là bộ xương ngoài của bọ cánh cứng, có thể chịu được một lượng áp suất nhất định và bảo vệ các mô bên trong.
Nó khó đến mức nào?
Hình 1 Một hòn đá nặng hơn 15,2kg có thể làm vỡ ngực (mà không cần bất kỳ lực bên ngoài nào khác ngoài chính trọng lượng) (Nguồn: video Youku)
Hình 2 Các xúc tu ngọ nguậy vẫn còn nguyên vẹn ngay cả sau khi bị ô tô cán qua (Nguồn: Nature)
Gần đây, các nhà khoa học phát hiện ra rằng cánh cứng của một loài bọ cánh cứng có tên là Bọ sắt (còn gọi là "Bọ thỏi sắt", một loài thuộc họ Tenebrionidae, tên tiếng Latin: Phloeodes diabolicus) có thể chịu được áp suất tối đa lên tới 149N (khoảng 15,2 kg, gấp khoảng 39.000 lần trọng lượng của nó) và vẫn có thể không hề hấn gì ngay cả khi bị ô tô cán qua! Các nhà khoa học đã nghiên cứu và tạo ra các loại ốc vít bằng sợi carbon tổng hợp có độ bền cao hơn các loại ốc vít tiêu chuẩn của ngành hàng không.
Hình 3 Cấu trúc vị trí hợp nhất của cánh cứng của bọ sắt (Nguồn: Tài liệu tham khảo [2])
Vậy câu hỏi đặt ra là, thành phần của lớp vỏ cứng như vậy là gì?
Bọ cánh cứng có lớp vỏ cứng như thế nào?
Chất hỗ trợ hình dạng cơ bản của cơ thể con người là xương canxi. Chúng ta có thể bổ sung canxi cần thiết cho cơ thể bằng cách ăn nhiều sữa, sản phẩm từ đậu nành, tảo bẹ, tôm khô và tắm nắng. Nếu côn trùng cũng có bộ xương canxi, sẽ rất khó để hình dung chúng cần lấy nguyên tố vi lượng này từ thiên nhiên như thế nào. Rốt cuộc, chúng dành phần lớn thời gian để tìm kiếm thức ăn bổ sung chất dinh dưỡng nhằm duy trì các chức năng cơ bản của cơ thể. Nếu chúng dành nhiều thời gian để tìm kiếm canxi, chúng thực sự sẽ không thể sống sót được.
Thành phần chính của bộ xương trong và ngoài của bọ cánh cứng là kitin (còn gọi là chitin), một loại polysaccharide có cấu trúc lớn được biến đổi bởi các chuỗi glucose. Chất này được tìm thấy rộng rãi trong thành tế bào nấm và một số cấu trúc cứng của động vật không xương sống và cá. Khi bọ cánh cứng được đẻ dưới dạng trứng, chúng đã có sẵn một lượng nhỏ polysaccharides để duy trì quá trình nở và hình thành kitin. Ở giai đoạn sau, các chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể chủ yếu thu được thông qua việc ăn uống tích cực.
Chitin tương tự như cellulose và keratin (cellulose là mô hỗ trợ hình thái thực vật và vận chuyển vật chất; keratin là thành phần chính của móng động vật). Đây là một loại polyme cấu trúc được tạo thành từ các monome hoặc monosacarit nhỏ hơn để tạo thành sợi chắc. Khi các mô được tiết ra bên ngoài hoặc bên trong tế bào, các mô này sẽ hình thành liên kết hóa học và kết nối với nhau, làm tăng sức mạnh của toàn bộ cấu trúc.
Chitin được tổng hợp ở bọ cánh cứng như thế nào?
Quá trình tổng hợp polysaccharide của chitin chủ yếu có sự tham gia của nhiều enzyme bao gồm trehalase (TRE) và chitin synthase (CHS), chủ yếu được chia thành các bước sau:
(PS: Nội dung sau đây được thêm vào để giả vờ rất chuyên nghiệp. Chỉ cần biết rằng polysaccharides hình thành kitin dưới sự xúc tác của nhiều loại enzyme là đủ. Bạn có thể thử hiểu. Những sinh viên thực sự không hiểu có thể chuyển thẳng sang phần tiếp theo ╮(￣▽ ￣)╭)
1) Tổng hợp trehalose:
Glucose-6-phosphate kết hợp với uridine diphosphate (UPD)-glucose dưới sự xúc tác của trehalose synthase (TPS) để tạo thành trehalose-6-phosphate, sau đó tiếp tục được khử phosphoryl hóa để tạo thành trehalose và phosphate dưới tác động của trehalose phosphorylase (TPP).
2) Tổng hợp glucose:
Trehalose được tạo ra tiếp tục được thủy phân bởi trehalose hydrolase (TRE) để tạo ra glucose. TRE có thể được chia thành trehalase hòa tan (TRE1) và trehalase liên kết màng (TRE2). Chất trước đây tồn tại tự do trong tế bào chất và chịu trách nhiệm phân hủy trehalose nội sinh (như trong hệ tuần hoàn và hệ tiêu hóa); loại sau là một loại enzyme ngoại bào liên kết với ty thể trong cơ và chịu trách nhiệm hấp thụ và đồng hóa trehalose ngoại sinh. Một phân tử trehalose có thể được thủy phân thành hai phân tử glucose, được sử dụng trong nhiều hoạt động sinh lý và sống khác nhau, bao gồm khả năng chống chịu và thích nghi với căng thẳng của côn trùng, những chức năng này cũng đạt được bằng cách kiểm soát hàm lượng trehalose.
Hình 4 Con đường tổng hợp chitin (Nguồn: chuyển thể từ tài liệu tham khảo [3])
3) Tổng hợp kitin:
Glucose phải đi qua hexokinase (HK), glucose-6-phosphate isomerase (G6PI), fructose-6-phosphate aminotransferase (GFAT), glucosamine-6-phosphate-N-acetyl aminotransferase (GNPNA), phosphoacetamido-glucose mutase (PGM) và UDP-N-acetylglucosamine pyrophosphorylase (UAP) để tổng hợp UDP-N-acetylglucosamine và cuối cùng hình thành chitin thông qua xúc tác CHS. CHS cũng được chia thành hai loại: CHS1 và CHS2. Loại trước chủ yếu chịu trách nhiệm tổng hợp chitin trong lớp biểu bì và khí quản của côn trùng, trong khi loại sau chỉ chịu trách nhiệm tổng hợp chitin trên màng quanh ruột giữa (gần thành trong của ruột giữa, có thể bao bọc thức ăn, bảo vệ tế bào biểu mô ruột giữa và tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ và tiêu hóa thức ăn).
Hiểu biết về chitin có tác dụng gì?
Sau khi hiểu được con đường tổng hợp chitin, chúng ta có thể giải thích rõ hơn một số hiện tượng xảy ra trong quá trình phát triển vỏ cứng của bọ cánh cứng và chúng ta cũng có thể can thiệp vào bọ cánh cứng bằng cách tác động vào con đường tổng hợp chitin.
Ví dụ, khi TRE bị ức chế, trehalose không thể thủy phân thành glucose và quá trình chuyển hóa bị chặn lại. Vào thời điểm này, quá trình tổng hợp kitin của hầu hết các loài côn trùng đều giảm, dẫn đến cánh bị dị dạng, khó lột xác, sụt cân, còi cọc và thậm chí tử vong. Do đó, khi cây trồng hoặc rừng bị côn trùng tấn công, chúng ta có thể cân nhắc kiểm soát thảm họa bằng cách ức chế TRE (tương tự như ức chế nhiều vi sinh vật gây bệnh); hoặc nếu côn trùng chúng ta nuôi có biểu hiện các triệu chứng trên, chúng ta sẽ biết được nguyên nhân gây bệnh, từ đó có thể kê đơn thuốc phù hợp.
Ngoài ra, chitin còn được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống của chúng ta: 1) Có chức năng sửa chữa tế bào, khả năng chống oxy hóa, ngăn ngừa lão hóa tế bào, thúc đẩy quá trình tái tạo tế bào, v.v., được sử dụng rộng rãi trong ngành làm đẹp và chăm sóc da; 2) Có tác dụng kháng khuẩn tự nhiên, có thể kết hợp với bông nguyên chất và các sản phẩm sợi khác để sản xuất quần áo và đồ lót trẻ em; 3) Sản phẩm của công ty cứng, không độc hại, có khả năng tương thích sinh học tốt, có thể dùng làm vật liệu điều trị y tế như gan nhân tạo, thận nhân tạo, xương nhân tạo, mạch máu nhân tạo, v.v.; 4) Nó cũng được sử dụng ở nhiều nơi trong công nghiệp, chẳng hạn như lọc nước máy và nước thải, chất kết dính cho thuốc nhuộm và vải, v.v.
Tài liệu tham khảo:
[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9E%98%E7%BF%85%E7%9B%AE
[2] Rivera J, Hosseini M và cộng sự. Cơ chế làm cứng lớp vỏ cứng của loài bọ cánh cứng bọc sắt hung dữ. Thiên nhiên https://doi.org/10.1038/s41586-020-2813-8 (2020).
[3] Tang Bin, Zhang Lu, Xiong Xuping, Wang Huijuan, Wang Shigui. Tiến trình nghiên cứu về quá trình chuyển hóa trehalose và quá trình điều hòa tổng hợp chitin ở côn trùng[J]. Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc, 2018, 51(04): 697-707.
