GIẢ THUYẾT CÔN TRÙNG KHỔNG LỒ NHỜ NỒNG ĐỘ OXY CAO BỊ LUNG LAY MẠNH ME·

Khoảng 300 triệu năm trước, bầu trời cuối Đại Cổ sinh từng thuộc về những loài côn trùng khổng lồ. Meganeuropsis permiana, sinh vật săn mồi giống chuồn chuồn, có sải cánh hơn 70cm và nặng khoảng 100g. Trong nhiều thập niên, giới sinh học tin rằng kích thước khổng lồ này chỉ có thể tồn tại nhờ nồng độ oxy trong khí quyển thời đó cao hơn hiện nay. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới công bố trên Nature cho thấy lời giải thích quen thuộc này có thể đã sai ngay từ đầu.

Phục dựng ngoại hình của Meganeura, một côn trùng khổng lồ sống trong Kỷ Than Đá. Tranh của Emily Willoughby.

Giả thuyết "giới hạn oxy" cho rằng hệ hô hấp dạng ống khí của côn trùng kém hiệu quả hơn so với phổi của động vật có xương sống. Khi cơ thể lớn lên, oxy phải khuếch tán xa hơn để đến được các mô sâu, khiến côn trùng lớn dễ bị thiếu oxy. Vì vậy, chỉ trong môi trường giàu oxy, như trong Kỷ Than Đá nồng độ oxy khí quyển đạt khoảng 30%, những loài khổng lồ mới có thể tồn tại. Nhưng theo giáo sư Edward Snelling (Đại học Pretoria, Nam Phi), đây là "một lời giải thích đơn giản, đẹp, nhưng sai".

Để kiểm chứng, nhóm của Snelling đã khảo sát 44 loài côn trùng thuộc 10 bộ khác nhau, trải dài trên phạm vi khối lượng cơ thể chênh lệch tới 10.000 lần. Họ sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua để chụp hơn 1.300 ảnh cơ bay, nhằm đo tỷ lệ thể tích mà các ống khí siêu nhỏ (tracheole) chiếm trong mô cơ. Chỉ số này gọi là mật độ thể tích tracheole.

Nếu giả thuyết oxy đúng, mật độ tracheole phải tăng mạnh khi kích thước cơ thể tăng, tiến gần đến giới hạn cấu trúc khiến cơ bay không còn đủ chỗ để hoạt động. Nhưng kết quả cho thấy điều ngược lại: ở loài nhỏ nhất, tracheole chiếm 0,47% thể tích cơ bay; ở loài lớn nhất, con số này chỉ tăng lên 0,83%. Nghĩa là dù kích thước cơ thể tăng 10.000 lần, không gian dành cho ống khí chỉ tăng chưa đến gấp đôi.

Cơ bay của côn trùng, được ghi lại với độ chi tiết cao bằng kính hiển vi điện tử, cho thấy các ống khí nhỏ chứa đầy không khí (tracheole) đưa oxy trực tiếp đến tế bào. Nguồn: Antoinette Lensink.

Để so sánh, các mao mạch mang oxy trong cơ tim và cơ bay của chim hay động vật có vú thường chiếm khoảng 10% thể tích mô, cao hơn rất nhiều so với côn trùng. Điều này cho thấy hệ thống ống khí của côn trùng có dư địa lớn để mở rộng nếu cần mà không gây cản trở cho hoạt động cơ học của cơ bay.

Nhóm nghiên cứu tiếp tục ngoại suy dữ liệu để ước tính mật độ tracheole của Meganeuropsis permiana. Ngay cả với khối lượng 100g, tracheole của loài này cũng chỉ chiếm khoảng 1% thể tích cơ bay, và giới hạn trên về mặt thống kê cũng không vượt quá 3%. Điều đó cho thấy những "siêu chuồn chuồn" cổ đại không hề tiến gần đến giới hạn cấu trúc mà giả thuyết oxy từng dự đoán.

Phân tích độ nhạy dựa trên mô hình châu chấu 1g cũng cho thấy nếu côn trùng lớn cần nhiều oxy hơn, chúng hoàn toàn có thể tiến hóa mạng lưới tracheole dày đặc hơn mà không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cơ học. Nói cách khác, không có bằng chứng cho thấy oxy là yếu tố giới hạn kích thước côn trùng.

Tuy nhiên, câu hỏi lớn vẫn còn đó: Nếu oxy không phải nguyên nhân, điều gì đã ngăn côn trùng hiện đại tiến hóa trở lại kích thước khổng lồ? Một số giả thuyết khác được đưa ra. Sự xuất hiện của các loài động vật có xương sống biết bay như dực long, chim và dơi có thể đã tạo áp lực săn mồi mạnh mẽ, khiến những côn trùng lớn, chậm tăng tốc trở thành mục tiêu giàu năng lượng cho các loài săn mồi nhanh nhẹn hơn.

Cơ bay của côn trùng (trái) được so sánh với mô tim của động vật có vú (phải), làm nổi bật sự khác biệt về kích thước và không gian cần thiết để chứa các cấu trúc cung cấp oxy: tracheole ở côn trùng (được viền vàng) và mao mạch ở động vật có vú. Nguồn: Antoinette Lensink và Edward Snelling.

Ngoài ra, vấn đề tản nhiệt cũng có thể là rào cản. Khi kích thước tăng, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích giảm, khiến côn trùng lớn khó thoát nhiệt trong khi bay, hoạt động vốn tạo ra lượng nhiệt lớn. Một số nhà khoa học cho rằng mật độ không khí cao hơn trong quá khứ có thể giúp côn trùng tản nhiệt tốt hơn.

Bên cạnh đó, quá trình lột xác của côn trùng cũng đặt ra giới hạn. Khi lớp vỏ ngoài bị loại bỏ, cơ thể mềm và dễ tổn thương. Với kích thước lớn, lực căng bề mặt và cơ học cấu trúc có thể không đủ để giữ cơ thể ổn định trong giai đoạn này.

Hệ tuần hoàn mở của côn trùng cũng có thể là một yếu tố hạn chế. Việc vận chuyển chất dinh dưỡng và năng lượng trong cơ thể lớn hơn có thể trở nên kém hiệu quả, đặc biệt khi phải duy trì hoạt động bay.

Nhóm nghiên cứu cho biết họ mới chỉ khảo sát phần cuối của hệ thống ống khí là tracheole. Các cấu trúc "thượng nguồn" như túi khí lớn bên trong cơ thể, vốn hoạt động như bơm khí, vẫn chưa được phân tích đầy đủ. Công nghệ X-quang synchrotron trong tương lai có thể giúp làm rõ vai trò của chúng trong việc giới hạn kích thước cơ thể.

Dù vậy, Snelling cho rằng khó có khả năng những dữ liệu mới sẽ "cứu vãn" giả thuyết oxy. Theo ông, bất kỳ hạn chế nào ở phần trên của hệ thống ống khí đều có thể được bù đắp bằng việc tăng mật độ tracheole, vốn vẫn còn rất nhiều không gian để mở rộng.