Thằn lằn Anolis ở vùng Caribe là ví dụ rõ nhất cho chuyện tiến hoá có thể lặp lại gần như y hệt. Trên bốn đảo lớn Cuba, Hispaniola, Jamaica và Puerto Rico, tổ tiên Anolis đã nhiều lần, độc lập với nhau, tách ra thành cùng một bộ "kiểu người ở": con chân dài sống ở gốc cây, con chân ngắn bò trên cành nhỏ, con to sống trên tán, con đuôi dài nấp trong cỏ. Thí nghiệm thả thằn lằn lên đảo nhỏ ở Bahamas còn cho thấy chân của chúng đổi chiều dài chỉ sau vài chục năm.
Anolis là ai
Anolis là một chi thằn lằn nhỏ ở châu Mỹ, thân thường dài vài phân tới hơn chục phân không kể đuôi. Chi này có hơn bốn trăm loài, thuộc loại đông loài nhất trong các chi bò sát. Chúng có hai đặc điểm dễ nhận: bàn chân có các tấm đệm ngón như tắc kè, giúp bám lên lá và thân cây trơn, và một túi da dưới cổ gọi là yếm cổ (dewlap). Con đực bung yếm cổ ra, gật đầu, nhún người để giữ lãnh thổ và gọi con cái. Màu yếm cổ khác nhau giữa các loài, nên trong một khu rừng có năm sáu loài sống chung, mỗi loài vẫn nhận ra đồng loại.
Ở Caribe, phần lớn các loài Anolis sống trên bốn đảo của quần đảo Đại Antilles. Mỗi đảo có hàng chục loài. Câu hỏi các nhà sinh học đặt ra từ giữa thế kỷ 20: những loài trên cùng một đảo có họ hàng gần với nhau, hay với những loài trông giống chúng trên đảo khác?
Sáu "kiểu nhà" của thằn lằn
Nhà sinh học Ernest Williams ở Đại học Harvard là người đầu tiên chia Anolis Đại Antilles thành các nhóm theo chỗ sống, gọi là ecomorph, tạm dịch là "dạng sinh thái". Mỗi dạng đi kèm một bộ cơ thể. Về sau Jonathan Losos và đồng nghiệp đo hàng nghìn con và hoàn thiện bảng phân loại thành sáu dạng.
| Dạng sinh thái | Sống ở đâu | Cơ thể đi kèm |
|---|---|---|
| Khổng lồ tán cây (crown-giant) | Tán cao, cành to | Thân lớn nhất, đầu to, đệm ngón rộng |
| Thân – tán (trunk-crown) | Thân cây phía trên và tán | Màu xanh lá, đệm ngón rộng, chân vừa |
| Thân – mặt đất (trunk-ground) | Gốc cây, sát mặt đất | Chân sau dài, thân chắc, màu nâu, chạy nhảy giỏi |
| Thân cây (trunk) | Giữa thân cây | Thân dẹt, chân vừa, hay bò ngang |
| Cành nhỏ (twig) | Cành mảnh, dây leo | Chân rất ngắn, đuôi ngắn, đi chậm, nguỵ trang tốt |
| Cỏ – bụi (grass-bush) | Cỏ và bụi thấp | Thân mảnh, đuôi rất dài |
Không phải đảo nào cũng có đủ cả sáu dạng, nhưng Cuba và Hispaniola có đủ, còn Jamaica và Puerto Rico có phần lớn. Điều làm người ta kinh ngạc là một con dạng "thân – mặt đất" ở Jamaica nhìn rất giống một con cùng dạng ở Puerto Rico, đến mức người không chuyên dễ tưởng là một loài.
Giống nhau nhưng không phải họ hàng gần
Nếu các dạng giống nhau là do họ hàng gần, ta sẽ đoán: tổ tiên dạng "cành nhỏ" chỉ sinh ra một lần, rồi con cháu tản ra các đảo. Nhưng khi so sánh ADN, Losos và cộng sự (công bố trên tạp chí Science năm 1998) thấy điều ngược lại. Các loài trên cùng một đảo phần lớn là họ hàng gần của nhau, bất kể dạng nào. Nghĩa là trên mỗi đảo, tổ tiên đến trước đã tự tách ra thành bộ dạng sinh thái của riêng đảo ấy.
Đây là một ca tiến hoá hội tụ rất sạch: cùng một bài toán (sống trên cành mảnh, sống ở gốc cây) được giải lại nhiều lần, và đáp án lần nào cũng gần giống nhau. Nó cho thấy chọn lọc tự nhiên không phải lúc nào cũng dẫn đi lung tung. Khi môi trường giống nhau, kết quả có thể đoán trước tới một mức nhất định.
Vẫn có những chi tiết khác nhau giữa các đảo, và vài dạng chỉ có trên một hai đảo. Giới nghiên cứu còn bàn vì sao có đảo thiếu một dạng: đảo nhỏ hơn, ít loại môi trường hơn, hay đơn giản là ngẫu nhiên lịch sử.
Vì sao chân dài, chân ngắn lại có lợi
Cơ chế ở đây khá trực quan, và đã được đo trong phòng thí nghiệm. Chân sau dài giúp chạy nhanh và nhảy xa trên mặt phẳng rộng như thân cây to hay mặt đất. Nhưng trên một cành mảnh bằng ngón tay, chân dài lại thành bất lợi: thằn lằn chân dài dễ trượt, chao đảo, phải đi chậm lại. Chân ngắn giúp trọng tâm thấp, bám chắc trên đường kính nhỏ.
Đệm ngón cũng có cái giá. Đệm rộng với nhiều tấm vảy mỏng (lamellae) bám tốt trên lá và vỏ cây trơn, nhưng tốn công tạo ra và không giúp gì khi chạy trên đất. Vì vậy dạng sống cao có đệm rộng, dạng sống sát đất có đệm hẹp hơn.
Đây là đánh đổi điển hình của thích nghi: không có bộ cơ thể nào tốt cho mọi chỗ. Mỗi dạng là một thoả hiệp hợp với một chỗ sống cụ thể.
Thí nghiệm thả thằn lằn ở Bahamas
Năm 1977, nhà sinh thái học Thomas Schoener thả một số con Anolis sagrei (một loài dạng "thân – mặt đất") lên một loạt đảo nhỏ ở Bahamas vốn chưa có loài này. Các đảo ấy chủ yếu có bụi thấp, cành mảnh, khác với nơi chúng được bắt về là chỗ có cây thân to.
Khoảng mười mấy năm sau, Losos, Schoener và Kenneth Warheit quay lại đo. Kết quả (Nature, 1997): trên những đảo có thực vật càng mảnh, con cháu của nhóm thả ban đầu có chân sau càng ngắn so với tổ tiên. Thay đổi đi đúng chiều mà dạng "cành nhỏ" đã đi qua hàng triệu năm, chỉ là ở quy mô nhỏ hơn nhiều.
Cần nói rõ chỗ còn tranh luận: một phần thay đổi có thể là mềm dẻo kiểu hình. Thằn lằn con lớn lên trên cành mảnh có thể tự phát triển chân ngắn hơn, không cần gen thay đổi. Các thí nghiệm nuôi sau đó cho thấy có hiện tượng mềm dẻo này thật, nên kết quả Bahamas có lẽ là sự pha trộn của cả hai. Điều thú vị là chính sự mềm dẻo có thể giúp quần thể "đứng vững" đủ lâu ở chỗ mới để chọn lọc kịp làm việc.
Khi có thêm kẻ săn mồi
Trong những thí nghiệm tiếp theo trên các đảo nhỏ ở Bahamas, nhóm nghiên cứu thả thêm thằn lằn đuôi xoăn, một loài lớn hơn sống trên mặt đất và bắt Anolis làm mồi. Anolis sagrei phản ứng bằng cách leo lên cao hơn để tránh. Lúc đầu, những con chân dài chạy thoát tốt hơn nên được chọn lọc. Nhưng khi đã chuyển lên sống trên cành, chiều chọn lọc đảo ngược sang có lợi cho chân ngắn. Đây là một trong những ví dụ hiếm hoi người ta thấy hướng chọn lọc đổi chiều chỉ trong vài năm.
Florida: đệm ngón to ra trong khoảng hai chục thế hệ
Ở Florida, loài bản địa Anolis carolinensis (con xanh lá) vốn sống cả ở gốc lẫn ngọn cây. Khi Anolis sagrei từ Cuba theo con người tới và chiếm phần gốc cây, loài bản địa dời lên cao. Nghiên cứu trên các đảo nhỏ trong một đầm phá ven biển Florida, công bố năm 2014, cho thấy trên những đảo có loài lạ, Anolis carolinensis có đệm ngón lớn hơn và nhiều tấm vảy hơn so với đảo không có, sau khoảng mười lăm năm, tức chừng hai chục thế hệ. Đó là dịch chuyển đặc điểm do cạnh tranh, diễn ra đủ nhanh để đo bằng thước.
Các mốc chính trong câu chuyện Anolis
- Thập niên 1970: Ernest Williams đặt ra khái niệm dạng sinh thái cho Anolis Đại Antilles.
- 1977: Thomas Schoener thả Anolis sagrei lên các đảo nhỏ ở Bahamas.
- 1997: Công bố kết quả chân sau ngắn đi theo độ mảnh của thực vật trên các đảo thả.
- 1998: Phân tích ADN cho thấy các dạng sinh thái hình thành độc lập trên từng đảo.
- 2014: Công bố đệm ngón của loài bản địa Florida lớn lên sau khi loài lạ tới.
Năm 2011, Losos tổng kết nhiều thập kỷ nghiên cứu trong cuốn Lizards in an Evolutionary Tree. Sau đó ông viết cuốn sách phổ thông Improbable Destinies (2017) bàn câu hỏi: nếu tua lại lịch sử sự sống, kết quả có lặp lại không.
Góc nhìn hôm nay: Anolis dạy ta điều gì
Bài học lớn nhất từ Anolis là tiến hoá có cả phần ngẫu nhiên lẫn phần có thể đoán. Ai tới đảo trước, đột biến nào xuất hiện là may rủi. Nhưng khi môi trường đặt cùng một bài toán, chọn lọc tự nhiên thường dẫn về những lời giải na ná nhau. Đó là lý do người ta gọi quần đảo Caribe là một "phòng thí nghiệm tự nhiên được làm lại bốn lần".
Anolis cũng nhắc rằng các loài ngoại lai không chỉ gây hại theo kiểu ăn mất loài bản địa. Chúng còn đẩy loài bản địa sang chỗ sống khác, và loài bản địa thay đổi theo. Ở nhiều thành phố miền nam nước Mỹ, Anolis sagrei giờ đã thành loài quen mặt trong vườn nhà.
Ở Việt Nam không có Anolis, nhưng có thể quan sát chuyện "chỗ sống quyết định dáng" ngay trong vườn: thạch sùng bám tường có đệm ngón, còn thằn lằn bóng chạy dưới lá khô có chân ngắn, thân dài. Muốn đọc thêm, cuốn của Losos là nơi bắt đầu tốt; các bài báo gốc về Bahamas và Florida đều có tóm tắt dễ hiểu trên trang của các trường đại học.
Câu hỏi thường gặp
Thằn lằn Anolis sống ở đâu?
Anolis sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới châu Mỹ, từ đông nam nước Mỹ qua Trung Mỹ, Caribe tới Nam Mỹ. Nhiều loài nhất tập trung trên các đảo Caribe, nhất là Cuba, Hispaniola, Jamaica và Puerto Rico. Một số loài đã theo con người tới Florida, Hawaii và vài nơi khác.
Dạng sinh thái (ecomorph) là gì?
Dạng sinh thái là nhóm các loài có cùng chỗ sống và cùng bộ cơ thể thích hợp với chỗ đó, dù không nhất thiết là họ hàng gần. Ở Anolis, sáu dạng gồm khổng lồ tán cây, thân – tán, thân – mặt đất, thân cây, cành nhỏ và cỏ – bụi. Khái niệm này giúp so sánh các đảo với nhau.
Vì sao Anolis được coi là ví dụ tiến hoá hội tụ?
Vì các dạng giống nhau trên những đảo khác nhau đã hình thành độc lập, từ tổ tiên khác nhau trên từng đảo. Phân tích ADN cho thấy loài trên cùng một đảo thường là họ hàng gần của nhau hơn là với loài trông giống mình ở đảo bên cạnh. Cùng môi trường đã dẫn tới cùng lời giải nhiều lần.
Thí nghiệm Anolis ở Bahamas chứng minh điều gì?
Thí nghiệm cho thấy chiều dài chân của thằn lằn thay đổi theo loại thực vật trên đảo chỉ sau khoảng mười mấy năm: đảo nhiều cành mảnh thì chân ngắn đi. Một phần thay đổi có thể do mềm dẻo kiểu hình chứ không hoàn toàn do gen. Dù vậy, chiều thay đổi khớp với dự đoán từ chọn lọc tự nhiên.
Yếm cổ của thằn lằn Anolis để làm gì?
Yếm cổ là túi da dưới cằm mà con đực bung ra khi giữ lãnh thổ hoặc tìm bạn tình. Màu và hoa văn yếm cổ khác nhau giữa các loài, giúp chúng nhận ra đồng loại khi nhiều loài sống chung một khu rừng. Con cái của một số loài cũng có yếm cổ nhỏ hơn.