Lưỡi của loài chim và bò sát tiến hóa diệu kỳ

Từ đâu lưỡi trong miệng? Kỳ trước: Từ đâu sinh ra lưỡi trong miệng?

Theo nhà sinh vật học tiến hóa Daniel Schwarz, nhà nghiên cứu tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Bang Stuttgar (Đức), "Nhu cầu ăn uống có thể đã thúc đẩy sự xuất hiện của lưỡi, nhưng chọn lọc tự nhiên sau đó đã điều chỉnh và mài dũa nó cho vô số mục đích khác, đôi khi tạo ra "những hệ thống chuyên biệt kỳ quặc một cách khó hiểu." Ví dụ, kỳ nhông ngón chân có màng (Hydromantes) khi thè chiếc lưỡi dính để ngoạm côn trùng hoặc các loài động vật chân đốt nhỏ khác đã phóng toàn bộ xương cổ họng ra ngoài qua miệng. Chế độ săn mồi này đòi hỏi phải trang bị lại các cơ cổ họng, với một bộ lưu trữ năng lượng đàn hồi có thể được giải phóng ngay lập tức để bắn lưỡi ra và một bộ phận khác cuộn lưỡi trở lại.

Các loài kỳ nhông khác, ít nhất 7.600 loài ếch và cóc, cũng như tắc kè hoa và các loài thằn lằn khác, đã tiến hóa một cách độc lập với kiểu kiếm ăn dùng lưỡi làm phi đạn siêu nhanh này. Chẳng hạn, tắc kè hoa phóng lưỡi với tốc độ gần 5 mét mỗi giây và bắt dế trong thời gian chưa đầy 1/10 giây.

Để săn mồi bằng "đạn lưỡi", bề mặt lưỡi và lớp nhổ bao phủ chúng phải thích nghi. Lượng nước bọt dồi dào mà một số loài ếch tiết ra từ những phần nhô ra hầu như không nhìn thấy được gọi là "nhú" có thể giúp lưỡi của chúng đạt độ dính đến mức chúng có thể bắt được con mồi nặng hơn 50% trọng lượng của nó. Theo nghiên cứu năm 2017 của David Hu, một nhà nghiên cứu cơ sinh học tại Viện Công nghệ Georgia, nước bọt bao phủ các nhú có thể hoạt động giống như ngón tay nhỏ xíu của con mồi và giúp kẹp chặt con mồi.

Thằn lằn có sừng (Phrynosoma) sử dụng lưỡi phủ đầy nước bọt để tóm lấy con mồi có độc và bảo vệ bản thân. Mặc dù thằn lằn đã nuốt sống chúng dễ dàng, nhưng kiến mà chúng ăn là loài cắn rất đau và còn có nọc độc. Schwenk và Wade Sherbrooke, cựu giám đốc Trạm nghiên cứu Tây Nam của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ, đã phát hiện ra rằng các chuỗi chất nhầy dày do nhú lưỡi và cổ họng tiết ra có tác dụng vô hiệu hóa con mồi. Gần đây, Schwenk đã phát hiện ra rằng ở thằn trăn có sừng, các cơ thường tạo nên hai bên lưỡi chỉ được gắn ở phía sau. Các phần tự do của cơ đã được tiến hóa thành các đường gờ dọc theo hai bên lưỡi, có thể hỗ trợ tạo ra một túi chất nhầy để xử lý kiến trước khi nuốt. Quá trình tiến hóa đã làm điều này.

Trong khi nhiều lưỡi của ếch và thằn lằn đã tiến hóa theo hướng tinh chỉnh để bắt con mồi và đưa vào miệng, thì lưỡi rắn lại tiến hóa để tạo ra khứu giác tinh tế hơn. Rắn có thể phát hiện và rình bắt con mồi ở xa hoặc ẩn nấp nơi khuất nhờ sự thích nghi này. Mỗi điểm trên lưỡi chẻ đôi của rắn phản ánh sự khác biệt về nồng độ chất tạo mùi, giúp nó tập trung vào mục tiêu mà nó không thể nhìn thấy. Năm ngoái, William Ryerson, cựu sinh viên do Schwenk hướng dẫn tốt nghiệp, đã viết một nghiên cứu về so sánh sinh học và tổng hợp. Họ dường như đang sửa đổi cách thức hoạt động của lưỡi lập lòe để tối ưu hóa việc thu thập các phân tử mùi trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Sau khi xem xét hình thái, sinh lý học và cử động lưỡi của hàng chục loài bò sát, Schwenk rất ngạc nhiên trước khả năng biểu cảm của lưỡi có thể tiết lộ lối sống của động vật. Schwenk tự tin nói: "Chỉ cần bạn cho tôi xem lưỡi loài nào đó, tôi có thể nói cho bạn biết rất nhiều về chúng."

Các loài bò sát và lưỡng cư đã phát hiện ra con mồi là động vật nhờ sự tiến hóa của lưỡi. Một số cách thích nghi kỳ lạ nhất của lưỡi đối với loài chim phản ánh sở thích ăn thực vật. Phần lớn lưỡi chim là một mảnh cứng bằng chất sừng (giống móng tay) hoặc xương, với ít cơ hoặc mô sống khác. Schwenk nói: "Chúng chỉ là một băng chuyền để di chuyển thức ăn từ trước về sau. Tuy nhiên, có một số trường hợp ngoại lệ, đặc biệt đáng chú ý nhất là ở chim ruồi và các loài chim khác hút mật hoa. Theo David Cuban, một sinh viên tốt nghiệp Đại học Washington (UW), người làm việc với nhà vật lý sinh thái hành vi Alejandro Rico-Guevara, "lưỡi có thể là thành phần quan trọng nhất để hút mật hoa ở chim ruồi."

Mật hoa chứa đầy năng lượng và có thể định vị. Nhưng mỗi bông hoa chỉ cung cấp một vài giọt, thường được cô đặc sâu trong một bông hoa dài và hẹp. Nhiều loài chim ruồi ăn mật hoa, chim hút mật và các loài chim không liên quan khác đối phó với những hạn chế này bằng tiến hóa để có mỏ dài thon và lưỡi chuyên dụng cao.

Theo nghiên cứu trước đây, những con chim này hút mật hoa bằng cách sử dụng cơ chế hoạt động của mao dẫn. Và một số trong số chúng, chẳng hạn như loài ăn mật ong (Certhionyx variegatus), đã làm được việc trộm mật kiểu này. Lưỡi của loài này có một đầu giống như cọ vẽ để cắm vào mật hoa trước khi hút mật hoa theo các rãnh chạy dọc theo chiều dài của lưỡi.

Nhưng đối với những con chim ruồi, vốn lè lưỡi 15 lần mỗi giây khi hút từng bông hoa và di chuyển nhanh chóng, hoạt động mao dẫn không đủ nhanh. Khi chim ruồi Anna (Calypte anna), chim ruồi cổ trắng (Florisuga mellivora), hoa tai tím lấp lánh (Colibri coruscans), chim ruồi lễ hội (Lophornis chalybeus) và các loài chim ruồi khác ghé thăm những bông hoa nhân tạo trong suốt chứa đầy dung dịch mật hoa, nhóm của Rico-Guevara đã quay các video tốc độ cao. Các cảnh quay tiết lộ lưỡi của chim ruồi hoạt động giống như một máy bơm mật hoa nhỏ.

Một số loài chim ăn mật hoa kỳ lạ nhất, vẹt lorikeet, gần đây đã thu hút sự chú ý của cộng sự từ Rico-Guevara và các cộng sự. Vẹt lorikeet nặng hơn hầu hết các loài chim hút mật với chiều cao 30 cm và nặng 100gr và không có khả năng bay lơ lửng giữa không trung như chim ruồi. Loài vẹt này có chiếc mỏ vẹt ngắn, mập, cong móc câu điển hình và chiếc lưỡi cơ bắp giống như lưỡi của chúng ta. Tất cả những đặc điểm này dường như khiến việc húp mật hoa từ những bông hoa dài và mỏng là không thể. Tuy nhiên, nhóm Rico-Guevara đã tìm thấy sự thích nghi giúp những con vẹt này có được những thứ ngọt ngào.

Những con vẹt ban đầu tập trung vào những bông hoa phẳng hơn, thoáng hơn. Chúng đáp xuống một cành cây gần đó và uốn éo cơ thể quanh bông hoa thay vì bay lơ lửng. Sau đó, chúng mở mỏ và thè lưỡi, lưỡi này trải qua một quá trình biến đổi đáng kinh ngạc khi vươn dài và nở ra thành hình... một bông hoa. Gần đây, Rico-Guevara đã tìm thấy một đầu lưỡi cứng có lỗ mở gần giống như một hải quỳ với sần sùi mở ra thành một mảng hình tròn. Những phần nhô ra này hút mật hoa bằng cách hoạt động giống như lông của cọ vẽ.

Trong một thí nghiệm, Rico-Guevara trộn dung dịch mật hoa thử nghiệm với hợp chất bari, một phiên bản pha loãng của chất mà các bác sĩ cho bệnh nhân uống khi tìm kiếm vật cản đường tiêu hóa. Sau đó, họ cho vẹt ăn và chụp phim x-quang. Theo các nhà nghiên cứu, đầu lưỡi của con chim sẽ ấn một giọt mật hoa lớn vào miệng khi nó thấm đẫm, ép chất lỏng ra ngoài. Sau đó, nó đóng mỏ lại, đẩy mật hoa trở lại cổ họng và lặp lại quá trình cho đến khi tất cả mật hoa chảy xuống thực quản.

Đó không phải là cách duy nhất để vẹt "thưởng thức" mật hoa. David Cuban đã quay phim việc cho những con vẹt treo nhỏ hơn ăn vào năm ngoái (được đặt tên như vậy vì chúng treo mình lộn ngược khi ngủ). Những con vẹt có đầu lưỡi có rãnh thay vì đầu lưỡi rậm rạp như lorikeet và các video của Cuban cho thấy chúng rung lưỡi rất nhanh để bơm một lượng nhỏ mật hoa trở lại thực quản và xuống cổ họng.

Cuban, Hewes và Rico-Guevara hy vọng tìm hiểu cách thức các chiến thuật kiếm ăn của chúng để giải mã quá trình tiến hóa của chúng cũng như quá trình tiến hóa của các loài thực vật cho mật. Bằng cách mô tả chi tiết cách thức mà những con chim này kiếm ăn và tính toán năng lượng mà chúng tiêu tốn trong quá trình này, họ có thể biến chúng thành những kẻ khai thác mật hoa độc quyền. Ví dụ, chim ruồi đã ảnh hưởng đến lượng mật hoa mà cây đối tác của chúng tạo ra và độ sâu của hoa kể từ khi tiến hóa cách đây 22 triệu năm. Độ dài của mỏ chim ruồi sau đó đã bị ảnh hưởng bởi điều này, điều này đến lượt nó cũng ảnh hưởng đến độ dài của mỏ của chúng. Đó là điệu nhảy đồng tiến hóa của chim và hoa, được trung gian bởi lưỡi của chúng.

Kỳ tới: Lưỡi là trung tâm của tiến hóa

Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống