Sự tiến hóa diệu kỳ của lưỡi ở chim và bò sát

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

Daniel Schwarz, nhà sinh vật học tiến hóa tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Bang Stuttgar (Đức) đánh giá: “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 đến việc 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, bắt dế trong thời gian chưa đầy 1/10 giây.

Săn mồi bằng “đạn lưỡi” cần có sự thích nghi ở bề mặt lưỡi và lớp nhổ bao phủ chúng. Lượng nước bọt dồi dào tiết ra từ những phần nhô ra hầu như không nhìn thấy được gọi là "nhú" có thể giúp làm cho lưỡi của một số loài ếch đạt độ dính đến mức chúng có thể bẫy được con mồi nặng hơn 50%trọng lượng của nó. David Hu, một nhà nghiên cứu cơ sinh học tại Viện Công nghệ Georgia và các đồng nghiệp đã báo cáo vào năm 2017 rằng nước bọt bao phủ các nhú, có thể hoạt động giống như những ngón tay nhỏ xíu giúp kẹp chặt con mồi.

Thằn lằn có sừng (Phrynosoma) sử dụng lưỡi phủ đầy nước bọt không chỉ để tóm lấy con mồi mà còn để bảo vệ bản thân nó. Kiến mà chúng ăn là loài cắn rất đau và còn có nọc độc, nhưng thằn lằn đã nuốt sống chúng dễ dàng. Năm 2008, Schwenk và Wade Sherbrooke, cựu giám đốc Trạm nghiên cứu Tây Nam của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ, 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 có độc. Gần đây hơn, Schwenk đã phát hiện ra rằng ở loài thằn lằn có sừng, các cơ thường tạo nên hai bên lưỡi chỉ được gắn ở phía sau. Quá trình tiến hóa đã cấu trúc lại các phần tự do của cơ thành các đường gờ dọc theo hai bên lưỡi, có thể giúp tạo ra một túi chất nhầy để xử lý kiến trước khi nuốt.

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 giúp khứu giác tinh tế hơn. Đây là một sự thích nghi cho phép rắn phát hiện và rình bắt con mồi ở xa hoặc ẩn nấp nơi khuất. Sự khác biệt về nồng độ của chất tạo mùi được cảm nhận bởi mỗi điểm trên chiếc lưỡi chẻ đôi của rắn giúp tập trung vào mục tiêu mà nó không thể nhìn thấy. Schwenk và cựu sinh viên do ông hướng dẫn tốt nghiệp là William Ryerson vào năm ngoái đã báo cáo về Nghiên cứu tổng hợp và so sánh sinh học. Họ dường như điều chỉnh mô phỏng cách lưỡi lập lòe để tối ưu hóa việc thu thập các phân tử mùi trong các điều kiện khác nhau.

Sau khi nghiên cứu hình thái, sinh lý học và cử động lưỡi của hàng chục loài bò sát, Schwenk kinh ngạc trước việc biểu cảm của lưỡi có thể tiết lộ về 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”.

Sự tiến hóa của lưỡi đã giúp các loài bò sát và lưỡng cư bắt được con mồi là động vật. Còn ở loài chim, một số cách thích nghi kỳ lạ nhất của lưỡi phản ánh sở thích ăn thực vật. Hầu hết 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. Nhưng có những trường hợp ngoại lệ, đáng chú ý nhất là ở chim ruồi và các loài chim khác hút mật hoa. David Cuban, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Washington (UW), người làm việc với nhà vật lý sinh thái hành vi Alejandro Rico-Guevara, cho biết: “Lưỡi có lẽ là thành phần quan trọng nhất để hút mật hoa ở chim ruồi”.

Mật hoa chứa đầy năng lượng và dễ tìm. 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 nhóm 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.

Các nhà nghiên cứu từng cho rằng những con chim này dựa vào cơ chế hoạt động của mao dẫn để hút mật hoa. Và một số trong số chúng như loài ăn mật ong (Certhionyx variegatus) đã làm được việc trộm mật kiểu này. Ở loài này, lưỡi có một đầu giống như cọ vẽ để cắm vào mật hoa, sau đó sẽ 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 nhanh chóng di chuyển, hoạt động mao dẫn không đủ nhanh. Nhóm của Rico-Guevara đã quay các video tốc độ cao 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 những loài chim ruồi khác ghé thăm những bông hoa nhân tạo trong suốt chứa đầy dung dịch mật hoa. Các cảnh quay tiết lộ rằng lưỡi của chim ruồi hoạt động giống như một máy bơm mật hoa nhỏ.

Rico-Guevara và các cộng sự gần đây đã chuyển sự chú ý sang một số loài chim ăn mật hoa kỳ lạ nhất: vẹt lorikeet. Với chiều cao 30cm và nặng 100gr, vẹt lorikeet nặng hơn hầu hết các loài chim hút mật và hoàn toàn 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 đó tưởng như khiến việc húp mật hoa từ những bông hoa dài và mỏng là không thể. Nhưng nhóm Rico-Guevara đã xác định được sự thích nghi giúp những con vẹt này có được những thứ ngọt ngào.

Để bắt đầu, những con vẹt nhắm đến những bông hoa phẳng hơn, thoáng hơn. Và thay vì bay lơ lửng, chúng đáp xuống một cành cây gần đó và uốn éo cơ thể quanh bông hoa. 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 thành hình… một bông hoa. Rico-Guevara gần đây đã phát hiện ra đầu lưỡi cứng, sần sùi mở ra thành một mảng hình tròn nhô ra gần giống như một con hải quỳ. Những phần nhô ra này hoạt động giống như lông của cọ vẽ để hút mật hoa.

Trong một thí nghiệm, Rico-Guevara đã pha 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 trong đường tiêu hóa. Sau đó, họ cho vẹt ăn rồi chụp phim x-quang. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi đầu lưỡi đã thấm đẫm một giọt mật hoa lớn, con chim sẽ ấn nó vào miệng, 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 vẹt "thưởng thức" mật hoa. Năm ngoái, David Cuban đã quay phim việc cho những con vẹt treo nhỏ hơn ăn (được đặt tên như vậy vì chúng treo mình lộn ngược khi ngủ). Thay vì đầu lưỡi rậm rạp như của lorikeet, những con vẹt treo có đầu lưỡi có rãnh và các video của Cuban tiết lộ rằng chúng rung lưỡi rất nhanh để bơm một lượng nhỏ mật hoa trở lại thực quản và xuống cổ họng.

Bằng cách mô tả chi tiết cách những con chim này kiếm ăn và tính toán năng lượng mà chúng tiêu tốn trong quá trình này, Cuban, Hewes và Rico-Guevara hy vọng tìm hiểu cách thức các chiến lược 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. Chẳng hạn, kể từ khi tiến hóa cách đây 22 triệu năm, chim ruồi đã ảnh hưởng đến lượng mật hoa mà cây đối tác của chúng tạo ra và độ sâu của hoa. Rồi điều này đến lượt nó đã tác động đến độ dài của mỏ chim ruồi để biến chúng thành kẻ khai thác mật hoa độc quyền. 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