Năm 1971, các nhà sinh học chuyển năm cặp thằn lằn tường Ý từ đảo nhỏ Pod Kopište sang đảo nhỏ bên cạnh là Pod Mrčaru, ngoài khơi Croatia. Khoảng ba mươi năm sau, nhóm nghiên cứu quay lại và thấy con cháu của chúng có đầu to hơn, cắn khoẻ hơn, ăn nhiều lá cây hơn, và trong ruột đã xuất hiện những van cơ mà loài này vốn không có. Đây là một trong những ví dụ nổi tiếng nhất về thay đổi lớn ở động vật có xương sống diễn ra trong vài chục năm.
Hai hòn đảo đá giữa biển Adriatic
Pod Kopište và Pod Mrčaru là hai đảo đá vôi rất nhỏ ở phía nam biển Adriatic, gần đảo Lastovo của Croatia. Mỗi đảo chỉ rộng vài hecta, phủ bụi thấp, cỏ và cây bụi chịu khô. Không có người ở, không có thú săn mồi lớn sống thường trực.
Loài được đem đi là thằn lằn tường Ý, tên khoa học Podarcis sicula, hay còn gọi Podarcis siculus. Đây là loài thằn lằn nhỏ, thân dài khoảng sáu bảy phân không kể đuôi, sống phổ biến quanh Địa Trung Hải và chủ yếu ăn côn trùng, nhện. Trên Pod Mrčaru lúc ấy đã có một loài họ hàng là Podarcis melisellensis. Mục đích ban đầu của việc chuyển thằn lằn là xem hai loài cạnh tranh với nhau ra sao.
Ba mươi năm sau: những gì người ta tìm thấy
Vì nhiều lý do, nhóm nghiên cứu không quay lại đều đặn. Phải tới năm 2004, một nhóm do Anthony Herrel, Duncan Irschick và Bart Vanhooydonck dẫn đầu mới khảo sát kỹ cả hai đảo. Kết quả được công bố năm 2008 trên tạp chí PNAS.
Điều đầu tiên: trên Pod Mrčaru chỉ còn thằn lằn tường Ý. Loài bản địa P. melisellensis không còn thấy nữa. Phân tích ADN ty thể cho thấy thằn lằn trên Pod Mrčaru đúng là cùng dòng với quần thể Pod Kopište, tức là con cháu của năm cặp năm 1971 chứ không phải một nhóm khác tình cờ tới.
Điều thứ hai mới gây chú ý: hai quần thể đã khác nhau rõ rệt.
| Đặc điểm | Pod Kopište (quê gốc) | Pod Mrčaru (nơi mới) |
|---|---|---|
| Thức ăn | Chủ yếu côn trùng, lá cây chỉ chiếm phần nhỏ | Lá cây chiếm phần lớn khẩu phần, nhất là mùa hè |
| Đầu | Nhỏ hơn | Dài hơn, rộng hơn, cao hơn |
| Lực cắn | Yếu hơn | Mạnh hơn rõ |
| Ruột sau | Không có van manh tràng | Có van cơ ở ruột sau |
| Mật độ | Thấp hơn | Cao hơn |
| Hành vi lãnh thổ | Con đực giữ lãnh thổ | Gần như bỏ giữ lãnh thổ |
Vì sao ăn lá lại cần đầu to và ruột mới
Lá cây là loại thức ăn khó. Nó nhiều xơ, ít năng lượng trên mỗi miếng, và thành tế bào thực vật làm bằng cellulose mà động vật tự mình không tiêu hoá được. Côn trùng thì ngược lại: giàu đạm, dễ tiêu, nhưng phải đi bắt.
Một con thằn lằn muốn sống bằng lá cần hai thứ. Thứ nhất là cắt và nghiền được lá dai. Đầu to hơn chứa được cơ hàm lớn hơn, cho lực cắn mạnh hơn. Đó là lý do đầu và lực cắn đi cùng nhau trong bảng trên.
Thứ hai là giữ thức ăn trong ruột đủ lâu để vi sinh vật lên men cellulose. Ở đây van manh tràng phát huy tác dụng. Đó là những nếp cơ chia ruột sau thành các ngăn, làm thức ăn đi chậm lại. Trong các ngăn ấy, nhóm nghiên cứu tìm thấy vi sinh vật và cả giun tròn sống cộng sinh, loại thường gặp ở bò sát ăn thực vật. Van kiểu này rất hiếm ở thằn lằn nói chung, và chưa từng được ghi nhận ở thằn lằn tường Ý trước đó.
Đánh đổi nằm ở chỗ: đầu to tốn năng lượng để nuôi, ruột dài và chậm làm con vật nặng nề hơn. Ở nơi côn trùng dồi dào, đó là cái giá vô ích. Ở một hòn đảo nhỏ, khô, mùa hè ít côn trùng mà cây bụi luôn sẵn, cái giá ấy đáng trả.
Mật độ cao và lãnh thổ biến mất
Thức ăn thực vật có một tính chất khác côn trùng: nó nằm yên một chỗ và có nhiều. Không ai giữ được cả một bụi cây cho riêng mình. Khi thức ăn chính không còn đáng tranh giành, con đực cũng ít lý do để tốn sức bảo vệ một mảnh đất. Nhóm nghiên cứu ghi nhận mật độ thằn lằn trên Pod Mrčaru cao hơn và hành vi giữ lãnh thổ gần như không còn.
Đây là chuỗi hệ quả đáng nhớ: đổi thức ăn kéo theo đổi hình dạng đầu, đổi cấu tạo ruột, rồi đổi cả cách sống chung với nhau. Thích nghi hiếm khi là một đặc điểm đơn lẻ.
Gen hay mềm dẻo: điều còn tranh luận
Câu hỏi quan trọng nhất về Pod Mrčaru là: những thay đổi này có nằm trong gen không, hay chỉ là thằn lằn lớn lên trong môi trường khác nên phát triển khác?
Lý do để nghi ngờ là có thật. Nhiều động vật có mềm dẻo kiểu hình: cá ăn thức ăn cứng từ nhỏ có thể mọc hàm khoẻ hơn, chuột ăn đồ dai có xương hàm dày hơn. Cấu tạo ruột cũng có thể đổi theo khẩu phần trong một đời con vật. Ba mươi mấy năm, ước chừng ba chục thế hệ thằn lằn, là khá ngắn cho những thay đổi lớn như van ruột.
Các tác giả ban đầu cho rằng thay đổi có cơ sở di truyền, vì van manh tràng thấy cả ở con non và cả những con có ít lá trong dạ dày. Nhưng cách kiểm chắc chắn là nuôi trứng của hai quần thể trong cùng điều kiện rồi so sánh con nở ra, và cách ấy cần thời gian dài. Các nghiên cứu sau đó trên hai đảo đã bổ sung số liệu, song mức độ đóng góp của gen và của mềm dẻo vẫn là câu hỏi mở. Nói chính xác nhất lúc này: hai quần thể đã khác nhau thật và nhanh; phần di truyền nhiều khả năng có, nhưng chưa định lượng xong.
Cũng cần nói rằng mềm dẻo kiểu hình không làm câu chuyện kém hay. Khả năng tự điều chỉnh trong một đời có thể giúp quần thể sống sót trong môi trường mới, rồi chọn lọc tự nhiên từ từ "cố định" những thay đổi có ích vào gen. Nhiều nhà sinh học xem đây là một con đường quan trọng của tiến hoá.
Dòng thời gian của thí nghiệm tình cờ
- 1971: Năm cặp Podarcis sicula được chuyển từ Pod Kopište sang Pod Mrčaru.
- Những năm sau đó: Không có khảo sát hệ thống trên đảo.
- 2004: Nhóm Herrel, Irschick, Vanhooydonck khảo sát hai đảo, đo đầu, lực cắn, phân tích thức ăn và mổ khám ruột.
- 2008: Kết quả công bố trên PNAS, được báo chí khắp nơi đưa tin.
- Sau 2008: Các nghiên cứu tiếp theo tìm hiểu vai trò của mềm dẻo kiểu hình, vi sinh vật đường ruột và mật độ quần thể.
Góc nhìn hôm nay: bài học từ một hòn đảo vài hecta
Pod Mrčaru dạy ba điều. Một: tiến hoá không nhất thiết cần hàng triệu năm để thấy được; ở quy mô một quần thể nhỏ, áp lực mạnh, vài chục năm đã đủ để đo. Hai: một thay đổi về thức ăn có thể kéo theo cả loạt thay đổi khác, từ xương hàm đến ruột đến hành vi. Ba: một kết quả gây chú ý cần được đọc kèm câu hỏi "gen hay môi trường", và người làm khoa học tốt là người nói rõ mình đã chắc tới đâu.
Câu chuyện này cũng là lời nhắc về chuyện di chuyển sinh vật giữa các nơi. Năm 1971, chuyển vài cặp thằn lằn là một thí nghiệm sinh thái bình thường. Ngày nay, việc đưa loài lạ vào một đảo được cân nhắc kỹ hơn nhiều, vì ta đã thấy loài bản địa có thể biến mất, như chính P. melisellensis trên Pod Mrčaru. Nguyên nhân chính xác loài này mất đi vẫn chưa được làm rõ.
Ở Việt Nam, các đảo đá vôi vịnh Hạ Long và quần đảo Cát Bà cũng là những "đảo nhỏ" cho bò sát, với vài loài tắc kè và thằn lằn chỉ có ở đó. Người tò mò có thể đọc bài gốc năm 2008 của Herrel và cộng sự, vốn được viết khá dễ hiểu, cùng các bài tổng quan về tiến hoá thằn lằn ăn thực vật.
Câu hỏi thường gặp
Thằn lằn Pod Mrčaru đã thay đổi những gì?
So với quần thể gốc ở Pod Kopište, thằn lằn trên Pod Mrčaru có đầu to hơn, lực cắn mạnh hơn và ăn nhiều lá cây hơn hẳn. Ruột sau của chúng có van manh tràng giúp lên men thực vật. Mật độ quần thể cao hơn và con đực gần như không còn giữ lãnh thổ.
Thí nghiệm Pod Mrčaru diễn ra năm nào?
Thằn lằn được chuyển sang đảo năm 1971. Khảo sát quan trọng nhất diễn ra năm 2004 và công bố năm 2008 trên tạp chí PNAS. Khoảng thời gian giữa hai mốc tương ứng chừng ba chục thế hệ thằn lằn.
Van manh tràng là gì?
Van manh tràng là những nếp cơ chia ruột sau thành các ngăn, làm thức ăn đi chậm lại. Nhờ vậy vi sinh vật có thời gian lên men cellulose trong lá cây. Cấu tạo này hay gặp ở bò sát ăn thực vật, nhưng hiếm ở thằn lằn nói chung.
Thay đổi ở thằn lằn Pod Mrčaru có phải do gen không?
Chưa có câu trả lời dứt khoát. Các tác giả cho rằng có phần di truyền, nhưng một phần có thể là mềm dẻo kiểu hình, tức thằn lằn lớn lên với khẩu phần khác nên phát triển khác. Muốn chắc cần nuôi con non của hai quần thể trong cùng điều kiện để so sánh.
Vì sao thằn lằn bản địa trên Pod Mrčaru biến mất?
Khi khảo sát năm 2004, người ta không còn thấy Podarcis melisellensis trên đảo. Cạnh tranh với loài mới tới là giả thuyết được nghĩ tới đầu tiên. Tuy vậy, không ai theo dõi đảo trong suốt những năm đó, nên nguyên nhân cụ thể vẫn chưa được chứng minh.