- Tham gia
- 25/11/2012
- Bài viết
- 351
(kenhsinhvien.vn) Dù nhiều loài khủng long chưa từng rời mặt đất, nhưng chúng vẫn sở hữu cấu tạo cơ bản cho việc bay.
Mẫu hoá thạch của loài Rhamphorhynchus muensteri. Ảnh: Zissoudisctrucker/Wikipedia.
Bài viết là một trích đoạn từ quyển sách “Siêu lược lịch sử sự sống trên Trái Đất” của Henry Gee.
Khủng long vốn sinh ra để bay. Nó bắt đầu với giao ước đi bằng hai chân, điều đó luôn vĩ đại hơn nhiều loài họ hàng hình cá sấu của chúng.
Hầu hết động vật bốn chân thường có khối tâm ở vùng ngực, nên sẽ tốn nhiều năng lượng để bẩy cơ thể đứng lên hai chân sau. Cấu tạo đó khiến chúng khó đứng thẳng thoải mái được lâu. Ngược lại ở khủng long, khối tâm nằm trên hông. Thân hình tương đối thấp hướng về trước của hông đối trọng với một chiếc đuôi dài và chắc nịch phía sau. Có hông làm điểm tựa, khủng long có thể đứng trên hai chân sau dễ dàng. Thay vì có chi to bè và cứng cáp của phần lớn động vật có màng ối (amniote), khủng long đã phát triển hai chân sau dài và gầy. Chân dễ đi lại hơn nếu chúng mảnh khảnh hơn về cuối. Chân càng dễ đi lại, khủng long phi nước đại càng dễ hơn. Hai chi trước, không còn cần thiết cho việc chạy, bị thu nhỏ, đôi tay được để rỗi cho các hoạt động khác, như vồ mồi hoặc leo trèo.
Được cấu tạo như một cái đòn bẩy dài, cân bằng trên đôi chân dài, khủng long có một hệ thống phối hợp theo dõi tư thế của mình thường trực. Bộ não và hệ thần kinh của chúng nhạy bén không thua bất kỳ loài động vật nào từng tồn tại. Kết hợp tất cả nghĩa là khủng long không chỉ có thể đứng mà còn chạy, đi khệnh khạng, đổi hướng và xoay mình với dáng vẻ duyên dáng theo cách mà Trái Đất chưa từng chứng kiến. Chính điều đó đã minh chứng cho một công thức thắng thế.
Khủng long đã càn quét tất cả. Vào cuối kỷ Tam Điệp, chúng đã da dạng hoá để lấp đầy mọi ngách sinh thái trên đất liền, nhiều như therasid(*) ở kỷ Permi, nhưng với sự thanh nhã bậc thầy. Khủng long ăn thịt mọi kích cỡ săn lùng khủng long ăn cỏ, là những loài khủng long có cơ chế phòng thủ là phát triển tới kích thước khổng lồ hoặc tự khoác lên mình bộ giáp dày giống như xe tăng. Ở những loài sauropod (khủng long chân thằn lằn), chúng chuyển sang đi bằng bốn chân và trở thành những động vật trên cạn lớn nhất từng tồn tại, một số loài dài hơn 50 mét và, nặng hơn 70 tấn đối với Argentinosaurus(**).
(*) Bộ Cung thú.
(**) Chi khủng long chân thằn lằn ở Argentina.
Nhưng ngay cả vậy khủng long ăn cỏ cũng không hoàn toàn thoát khỏi sự săn đuổi. Chúng còn là con mồi của động vật ăn thịt khổng lồ: quái vật trên đất liền như Carcharodontosaurus và Giganotosaurus, đỉnh điểm – ở thời kỳ cuối của khủng long – là Tyrannosaurus rex.
Riêng với T. rex, cấu tạo độc đáo đầy tiềm năng của nó đã đạt đến mức cực đại. Hai chân sau của loài quái vật 5 tấn này là cặp cột gân và cơ bắp, tốc độ và vẻ duyên dáng của tổ tiên được đánh đổi bằng khả năng phi thường và sức lực gần như không địch nổi. Cân bằng trên phần hông dũng mãnh của nó là một chiếc đuôi dài, cơ thể khá thấp, hai chân trước giảm kích chỉ còn vết tích, khối lượng tập trung ở cơ cổ khoẻ và hàm khủng. Hàm nhiều răng, mỗi răng có kích thước, hình dáng và đều như một quả chuối, nếu chuối cứng hơn thép. Những chiếc răng này có thể nghiền nát xương, đâm thủng giáp của khủng long ăn cỏ kích cỡ xe buýt chậm chạp nhưng phòng thủ tốt như ankylosaur và Triceratop nhiều sừng. Tyrannosaurus và họ hàng của nó xé xác con mồi và nuốt chửng toàn bộ - thịt, xương, giáp không chừa một thứ gì.
Nhưng khủng long nhỏ cũng vượt trội. Một số loài nhỏ đến mức có thể nhảy múa trong lòng bàn tay ta. Ví dụ như Microraptor chỉ to bằng một con quạ và nặng chưa tới 1 kg; Yi hình dơi kì dị, nhỏ xíu từ tên gọi tới kích cỡ, nặng chưa tới nửa ký.
Phạm vi kích thước ở các loài therasid trải dài từ voi lớn xuống chó săn nhỏ, nhưng khủng long thậm chí còn vượt xa hai cực này. Làm thế nào khủng long trở nên quá to và quá nhỏ như vậy?
Điều đó bắt đầu từ cách thở của chúng.
Đã có một rạn nứt, tận sâu trong lịch sử của động vật có màng ối. Ở động vật có vú (loài therasid cuối cùng còn sống), những tái hiện từ kỷ Tam Điệp vẫn hiện hữu sinh động đâu đó trong cái bóng của khủng long, sự thông khí là một vấn đề của hô hấp. Nhìn nhận khách quan, đây là một cách lấy oxi vào cơ thể và thải ra cacbon dioxit không hiệu quả. Năng lượng bị phung phí khi hít không khí mới vào qua miệng, mũi rồi xuống phổi, tại đó oxi được hấp thụ vào mạch máu quanh phổi. Nhưng cũng chính những mạch máu đó phải thải cacbon dioxit vào cùng một không gian, vốn phải được thở ra qua cùng lỗ thở mà không khí mới đi vào. Nghĩa là rất khó loại bỏ không khí cũ cùng lúc hoặc để lấp đầy mọi ngóc ngách bằng không khí mới trong một lần hít vào duy nhất.
Mẫu vật A P. antiquus (AMNH 1942) cho thấy dấu vết của cơ ở ngực và màng cánh. Ảnh: Meg Stewart/Wikipedia.
Những động vật có màng ối khác – khủng long, thằn lằn và các loài khác – cũng hít vào và thở ra qua cùng lỗ thở, nhưng những gì xảy ra giữa hít vào và thở ra rất khác biệt. Chúng đã tiến hoá một hệ thống một chiều để xử lý không khí, khiến việc hít thở hiệu quả hơn nhiều. Không khí đi vào phổi nhưng không thoát ra ngoài ngay. Thay vào đó, không khí bị chuyển hướng đến các van một chiều đi qua một hệ thống túi khí rộng khắp cơ thể. Dù vẫn hiện hữu ở một số loài thằn lằn ngày nay, nhưng chính khủng long là loài đã trau chuốt hệ thống này đến mức cao nhất. Không gian chứa khí, cuối cùng là sự mở rộng của phổi, nằm xung quanh cơ quan nội tạng và thậm chí thâm nhập vào xương. Cơ thể khủng long tràn ngập không khí.
Hệ thống xử lý không khí này cũng thanh nhã như sự cần thiết của nó. Với hệ thần kinh mạnh mẽ và cuộc sống năng động đòi hỏi phải thu nạp và tiêu thụ nhiều năng lượng nên khủng long rất nóng. Hoạt động năng nổ như vậy đòi hỏi sự vận chuyển không khí hiệu quả nhất đến những mô bào đói oxi. Sự luân chuyển năng lượng này tạo ra lượng nhiệt dư thừa lớn. Các túi khí là cách hữu hiệu để loại bỏ nhiệt dư thừa. Và đây là bí mật về kích thước khổng lồ mà một số loài khủng long đạt được: Chúng làm mát bằng không khí.
Nếu cơ thể lớn lên nhưng vẫn giữ nguyên hình dáng, thể tích của nó sẽ tăng nhanh hơn diện tích bề mặt. Điều đó nghĩa là khi cơ thể ngày càng lớn, tỷ lệ giữa bên trong và bên ngoài sẽ lớn hơn. Điều này có thể trở thành một vấn đề cho việc kiếm thức ăn, nước uống và oxi mà cơ thể cần, cũng như loại bỏ chất thải và lượng nhiệt tạo ra do tiêu hoá thức ăn và sinh hoạt đơn giản. Đó là vì diện tích sẵn có cho những thứ lấy vào và thải ra sẽ thu nhỏ lại so với thể tích mô phải được đáp ứng.
Hầu hết sinh vật đều hiển vi, nên không gì trong số trên là vấn đề, nhưng đối với bất kỳ sinh vật to hơn một dấu chấm than, nó sẽ trở thành vấn đề. Thoạt đầu, vấn đề được giải quyết bằng cách tiến hoá những hệ thống vận chuyển chuyên biệt, như mạch máu, phổi, v.v… và thứ hai, bằng cách thay đổi hình dạng, tạo ra những hệ thống rộng hơn hoặc phức tạp, đóng vai trò như những bộ tản nhiệt, từ cánh buồm của pelycosaurs và đôi tai của voi cho đến sự phúc tạp bên trong phổi, nhằm phục vụ chức năng tản nhiệt quan trọng bên cạnh việc trao đổi khí.
Động vật có vú, khi cuối cùng được giải phóng khỏi thế giới bị khủng long thống trị và có thể phát triển lớn hơn một con lửng, đã giải quyết vấn đề cách nhiệt đó bằng cách rụng lông khi lớn lên và tiết mồ hôi. Mồ hôi tiết ra nước trên bề mặt da, và khi nước này bốc hơi, năng lượng cần để chuyển mồ hôi dạng lỏng thành dạng hơi được thoát ra từ các mao mạch ngay bên dưới da, tạo nên hiệu ứng làm mát. Nhưng không khí thở ra từ phổi cũng góp phần làm mất nhiệt, đây là nguyên nhân một số loài thú lông mao thở gấp, để lộ chiếc lưỡi dài ẩm ướt để không khí giúp làm bay hơi. Động vật có vú trên cạn lớn nhất là Paraceratherium, một họ hàng không sừng cao khều của tê giác, sống khoảng 30 triệu năm trước, rất lâu sau khi khủng long tuyệt chủng. Paraceratherium phát triển tới khoảng 4 m tính đến vai và nặng tới 20 tấn.
Nhưng khủng long lớn nhất lại lớn hơn rất rất nhiều. Diện tích bề mặt của một con khủng long chân thằn lằn khổng lồ như Argentinosaurus nặng 70 tấn, dài 30 m, một trong những động vật trên cạn lớn nhất từng tồn tại, là rất nhỏ bé so với thể tích của chúng. Ngay cả những thay đổi trong hình dáng, như cổ và đuôi dài ra, cũng không đủ để thoát hết lượng nhiệt tạo ra từ bên trong cơ thể đồ sộ của nó.
Dù khủng long chân thằn lằn rất lớn, nhưng theo kinh nghiệm những động vật lớn có tốc độ trao đổi chất chậm rãi hơn động vật nhỏ, nên chúng thường mát mẻ hơn một chút. Làm ấm một con khủng long kích thước đó dưới ánh mặt trời sẽ tốn thời gian rất lâu, nhưng làm mát cũng sẽ tốn thời gian tương đương, nên một con khủng long rất lớn một khi đã được làm ấm có thể duy trì nhiệt độ cơ thể khá ổn định đơn giản bởi vì nó quá to lớn.
Tuy nhiên chính di sản đó của khủng long đã cứu mạng chúng, và cho phép chúng phát triển lớn đến vậy. Vì phổi chúng, vốn đã lớn sẵn, được mở rộng thành một hệ thống túi khí phân nhánh khắp cơ thể, nên những động vật này ít to lớn hơn vẻ ngoài của chúng. Các túi khí trong xương cũng khiến bộ xương nhẹ. Bộ xương của khủng long lớn nhất là thành quả của kỹ thuật sinh học, xương tiêu giảm thành các giá đỡ rỗng chịu tải, với càng ít bộ phận không chịu tải càng tốt.
Nhưng mấu chốt là hệ thống túi khí bên trong không chỉ dẫn nhiệt từ phổi. Nó lấy nhiệt trực tiếp từ cơ quan nội tạng mà không cần phải vận chuyển đi khắp cơ thể thông qua máu trước rồi mới đến phổi và tản nhiệt một phần trên đường đi, làm phức tạp thêm vấn đề. Một cơ quan hưởng lợi to lớn là gan, vốn tạo ra nhiều nhiệt và có kích thước bằng một chiếc xe hơi ở một con khủng long lớn. Hoạt động làm mát bằng không khí bên trong khủng long hiệu quả hơn so với phiên bản làm mát bằng chất lỏng của động vật có vú. Chính điều đó đã giúp khủng long trở nên to lớn hơn rất nhiều so với động vật có vú, mà không tự luộc sống chính mình.
Argentinosaurus tuy khổng lồ nhưng ít cồng kềnh hơn một con chim nhanh nhẹn, đi bốn chân, không biết bay,… Đối với chính loài chim, những kẻ kế thừa của khủng long, có cùng cấu trúc nhẹ cân, cùng quá trình trao đổi chất diễn ra nhanh và cùng hệ thống làm mát bằng không khí, tất cả đều là lợi thế to lớn cho việc bay, vốn là một hoạt động đòi hỏi cấu tạo khung nhẹ.
Ảnh phục dựng giả định khủng long Argentinosaurus huinculensis. Ảnh: Nobu Tamura.
Việc bay cũng gắn liền với lông vũ. Một bộ cánh lông vũ là đặc điểm của khủng long từ rất sớm trong lịch sử loài này. Ban đầu lông vũ giống lông hơn, một đặc điểm tương tự pterosaurs, nhóm động vật có xương sống đầu tiên học bay ở kỷ Tam Điệp, và có họ hàng gần với khủng long. Ngay cả khi không bay, một bộ lông vũ vẫn cung cấp lớp cách nhiệt cần thiết cho những loài động vật nhỏ sinh nhiều nhiệt. Vấn đề mà khủng long nhỏ, năng động phải đối mặt trái ngược với vấn đề thử thách khủng long lớn – giữ lượng nhiệt đắt đỏ đó không tản ra môi trường. Những lông vũ giản đơn như vậy sớm đã phát triển phiến lông, lông tơ và màu sắc. Động vật thông minh và năng động như khủng long có cuộc sống xã hội tất bật, trong đó sự phô diễn xã hội đóng vai trò quan trọng.
Một mấu chốt thành công khác của khủng long là đẻ trứng. Dù động vật có xương sống nhìn chung đều luôn đẻ trứng, một tập tính cho phép những động vật có màng ối đầu tiên chinh phục đất liền. Nhiều động vật có xương sống đã quay lại tập tính đẻ con của tổ tiên, vốn xuấtt hiện ở những loài xương sống có hàm sớm nhất. Đó chỉ là vấn đề tìm ra một chiến lược bảo vệ thế hệ sau mà con mẹ không phải chịu cái giá quá đắt. Động vật có vú bắt đầu từ việc đẻ trứng. Hầu hết chúng đều trở thành loài đẻ con, nhưng với cái giá khủng khiếp. Đẻ con phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng, đặt ra giới hạn về kích thước mà động vật có vú có thể đạt tới trên đất liền. Việc đó cũng giới hạn số lượng con cái chúng có thể sinh trong một lần.
Tuy nhiên, không loài khủng long nào từng nuôi con mình theo cách này. Mọi loài khủng long đều đẻ trứng, archosaur cũng vậy. Là sinh vật thông minh và năng động, khủng long đã tối đa hoá sự thành công của thế hệ sau bằng cách ấp trứng trong tổ và chăm sóc con non sau khi nở. Nhiều loài khủng long, nhất là khủng long ăn cỏ bầy đàn như sauropod, cũng như hadrosaur đi hai chân nhỏ hơn đã thay thế phần lớn sauropod ở kỷ Creta, làm tổ ở những bãi ấp chung thống trị cảnh quan, trải dài hút mắt đến đường chân trời. Khủng long cái đã dùng xương của chính mình để cung cấp đủ canxi cho trứng, một tập tính mà chim vẫn còn giữ.
Đó là sự hy sinh xứng đáng nếu nhìn từ góc độ lợi thế của việc đẻ trứng. Trứng của động vật có màng ối là một trong những kiệt tác của tiến hoá. Nó không chỉ chứa đựng phôi thai mà còn là vỏ bọc hoàn chỉnh hỗ trợ sự sống. Trứng chứa đủ thức ăn đến lúc động vật nở, cũng như hệ thống đào thải để đảm bảo sinh cầu tự cung tự cấp này không bị nhiễm độc. Hành vi đẻ trứng đồng nghĩa khủng long đã thoát khỏi rắc rối và phí tổn từ việc nuôi con bên trong cơ thể mình.
Một số loài khủng long dành năng lượng để chăm sóc con cái sau khi nở, nhưng chúng không buộc phải làm vậy. Một số loài chôn trứng của mình trong một cái lỗ ấm áp hoặc đống phân và để con non tự nắm bắt cơ hội. Nếu không thì năng lượng tiêu tốn cho sinh sản và chăm sóc số con non ít ỏi có thể được phân bổ theo cách khác, ví dụ như đẻ nhiều trứng hơn mức được phép. Và dĩ nhiên, là bằng cách phát triển nữa. Khủng long phát triển rất nhanh. Sauropod cần lớn lên càng nhanh càng tốt, cho đến khi chúng to lớn đến mức các loài ăn thịt không thể săn đuổi. Loài ăn thịt cũng phải lớn nhanh tương ứng. Ví dụ như Tyrannosaurus rex, đạt khối lượng 5 tấn khi trưởng thành trong chưa tới 20 năm, tăng 2 kg mỗi ngày, một tốc độ phát triển nhanh hơn rất nhiều so với những họ hàng nhỏ hơn của nó.
Khủng long và họ hàng trực hệ của nó dành hàng triệu năm tích luỹ mọi thứ chúng cần cho việc bay: lông vũ, quá trình trao đổi chất nhanh, làm mát bằng không khí hiệu quả trong tầm kiểm soát, khung bay nhẹ, và sự tận tuỵ phi thường với việc đẻ trứng. Một số loài khủng long đã dùng một số đặc điểm thích nghi này để thực hiện nhiều việc rất khác với chim, như phát triển tới kích thước mà không động vật trên cạn nào vượt qua được. Nhưng cuối cùng khủng long cũng bị xoá sổ để cất cao đôi cánh. Thế thì, làm thế nào khủng long hoàn thành bước cuối cùng để bay lên không?
Chuyện bắt đầu ở kỷ Jura, khi một dòng dõi của những loài khủng long ăn thịt vốn đã nhỏ tiến hoá thậm chí còn nhỏ hơn. Chúng càng nhỏ, da chúng càng nhiều lông, vì động vật nhỏ với khả năng trao đổi chất nhanh cần tự giữ ấm. Những động vật này đôi lúc sống trên cây, tốt hơn hết là để tránh khỏi sự chú ý của người anh em lớn hơn của chúng. Một số loài đã khám phá ra cách dùng đôi cánh lông vũ để lơ lửng lâu hơn, và từ đó trở thành chim.
Mẫu hoá thạch của loài Rhamphorhynchus muensteri. Ảnh: Zissoudisctrucker/Wikipedia.
Bài viết là một trích đoạn từ quyển sách “Siêu lược lịch sử sự sống trên Trái Đất” của Henry Gee.
Khủng long vốn sinh ra để bay. Nó bắt đầu với giao ước đi bằng hai chân, điều đó luôn vĩ đại hơn nhiều loài họ hàng hình cá sấu của chúng.
Hầu hết động vật bốn chân thường có khối tâm ở vùng ngực, nên sẽ tốn nhiều năng lượng để bẩy cơ thể đứng lên hai chân sau. Cấu tạo đó khiến chúng khó đứng thẳng thoải mái được lâu. Ngược lại ở khủng long, khối tâm nằm trên hông. Thân hình tương đối thấp hướng về trước của hông đối trọng với một chiếc đuôi dài và chắc nịch phía sau. Có hông làm điểm tựa, khủng long có thể đứng trên hai chân sau dễ dàng. Thay vì có chi to bè và cứng cáp của phần lớn động vật có màng ối (amniote), khủng long đã phát triển hai chân sau dài và gầy. Chân dễ đi lại hơn nếu chúng mảnh khảnh hơn về cuối. Chân càng dễ đi lại, khủng long phi nước đại càng dễ hơn. Hai chi trước, không còn cần thiết cho việc chạy, bị thu nhỏ, đôi tay được để rỗi cho các hoạt động khác, như vồ mồi hoặc leo trèo.
Được cấu tạo như một cái đòn bẩy dài, cân bằng trên đôi chân dài, khủng long có một hệ thống phối hợp theo dõi tư thế của mình thường trực. Bộ não và hệ thần kinh của chúng nhạy bén không thua bất kỳ loài động vật nào từng tồn tại. Kết hợp tất cả nghĩa là khủng long không chỉ có thể đứng mà còn chạy, đi khệnh khạng, đổi hướng và xoay mình với dáng vẻ duyên dáng theo cách mà Trái Đất chưa từng chứng kiến. Chính điều đó đã minh chứng cho một công thức thắng thế.
Khủng long đã càn quét tất cả. Vào cuối kỷ Tam Điệp, chúng đã da dạng hoá để lấp đầy mọi ngách sinh thái trên đất liền, nhiều như therasid(*) ở kỷ Permi, nhưng với sự thanh nhã bậc thầy. Khủng long ăn thịt mọi kích cỡ săn lùng khủng long ăn cỏ, là những loài khủng long có cơ chế phòng thủ là phát triển tới kích thước khổng lồ hoặc tự khoác lên mình bộ giáp dày giống như xe tăng. Ở những loài sauropod (khủng long chân thằn lằn), chúng chuyển sang đi bằng bốn chân và trở thành những động vật trên cạn lớn nhất từng tồn tại, một số loài dài hơn 50 mét và, nặng hơn 70 tấn đối với Argentinosaurus(**).
(*) Bộ Cung thú.
(**) Chi khủng long chân thằn lằn ở Argentina.
Nhưng ngay cả vậy khủng long ăn cỏ cũng không hoàn toàn thoát khỏi sự săn đuổi. Chúng còn là con mồi của động vật ăn thịt khổng lồ: quái vật trên đất liền như Carcharodontosaurus và Giganotosaurus, đỉnh điểm – ở thời kỳ cuối của khủng long – là Tyrannosaurus rex.
Riêng với T. rex, cấu tạo độc đáo đầy tiềm năng của nó đã đạt đến mức cực đại. Hai chân sau của loài quái vật 5 tấn này là cặp cột gân và cơ bắp, tốc độ và vẻ duyên dáng của tổ tiên được đánh đổi bằng khả năng phi thường và sức lực gần như không địch nổi. Cân bằng trên phần hông dũng mãnh của nó là một chiếc đuôi dài, cơ thể khá thấp, hai chân trước giảm kích chỉ còn vết tích, khối lượng tập trung ở cơ cổ khoẻ và hàm khủng. Hàm nhiều răng, mỗi răng có kích thước, hình dáng và đều như một quả chuối, nếu chuối cứng hơn thép. Những chiếc răng này có thể nghiền nát xương, đâm thủng giáp của khủng long ăn cỏ kích cỡ xe buýt chậm chạp nhưng phòng thủ tốt như ankylosaur và Triceratop nhiều sừng. Tyrannosaurus và họ hàng của nó xé xác con mồi và nuốt chửng toàn bộ - thịt, xương, giáp không chừa một thứ gì.
Nhưng khủng long nhỏ cũng vượt trội. Một số loài nhỏ đến mức có thể nhảy múa trong lòng bàn tay ta. Ví dụ như Microraptor chỉ to bằng một con quạ và nặng chưa tới 1 kg; Yi hình dơi kì dị, nhỏ xíu từ tên gọi tới kích cỡ, nặng chưa tới nửa ký.
Phạm vi kích thước ở các loài therasid trải dài từ voi lớn xuống chó săn nhỏ, nhưng khủng long thậm chí còn vượt xa hai cực này. Làm thế nào khủng long trở nên quá to và quá nhỏ như vậy?
Điều đó bắt đầu từ cách thở của chúng.
Đã có một rạn nứt, tận sâu trong lịch sử của động vật có màng ối. Ở động vật có vú (loài therasid cuối cùng còn sống), những tái hiện từ kỷ Tam Điệp vẫn hiện hữu sinh động đâu đó trong cái bóng của khủng long, sự thông khí là một vấn đề của hô hấp. Nhìn nhận khách quan, đây là một cách lấy oxi vào cơ thể và thải ra cacbon dioxit không hiệu quả. Năng lượng bị phung phí khi hít không khí mới vào qua miệng, mũi rồi xuống phổi, tại đó oxi được hấp thụ vào mạch máu quanh phổi. Nhưng cũng chính những mạch máu đó phải thải cacbon dioxit vào cùng một không gian, vốn phải được thở ra qua cùng lỗ thở mà không khí mới đi vào. Nghĩa là rất khó loại bỏ không khí cũ cùng lúc hoặc để lấp đầy mọi ngóc ngách bằng không khí mới trong một lần hít vào duy nhất.
Mẫu vật A P. antiquus (AMNH 1942) cho thấy dấu vết của cơ ở ngực và màng cánh. Ảnh: Meg Stewart/Wikipedia.
Những động vật có màng ối khác – khủng long, thằn lằn và các loài khác – cũng hít vào và thở ra qua cùng lỗ thở, nhưng những gì xảy ra giữa hít vào và thở ra rất khác biệt. Chúng đã tiến hoá một hệ thống một chiều để xử lý không khí, khiến việc hít thở hiệu quả hơn nhiều. Không khí đi vào phổi nhưng không thoát ra ngoài ngay. Thay vào đó, không khí bị chuyển hướng đến các van một chiều đi qua một hệ thống túi khí rộng khắp cơ thể. Dù vẫn hiện hữu ở một số loài thằn lằn ngày nay, nhưng chính khủng long là loài đã trau chuốt hệ thống này đến mức cao nhất. Không gian chứa khí, cuối cùng là sự mở rộng của phổi, nằm xung quanh cơ quan nội tạng và thậm chí thâm nhập vào xương. Cơ thể khủng long tràn ngập không khí.
Hệ thống xử lý không khí này cũng thanh nhã như sự cần thiết của nó. Với hệ thần kinh mạnh mẽ và cuộc sống năng động đòi hỏi phải thu nạp và tiêu thụ nhiều năng lượng nên khủng long rất nóng. Hoạt động năng nổ như vậy đòi hỏi sự vận chuyển không khí hiệu quả nhất đến những mô bào đói oxi. Sự luân chuyển năng lượng này tạo ra lượng nhiệt dư thừa lớn. Các túi khí là cách hữu hiệu để loại bỏ nhiệt dư thừa. Và đây là bí mật về kích thước khổng lồ mà một số loài khủng long đạt được: Chúng làm mát bằng không khí.
Nếu cơ thể lớn lên nhưng vẫn giữ nguyên hình dáng, thể tích của nó sẽ tăng nhanh hơn diện tích bề mặt. Điều đó nghĩa là khi cơ thể ngày càng lớn, tỷ lệ giữa bên trong và bên ngoài sẽ lớn hơn. Điều này có thể trở thành một vấn đề cho việc kiếm thức ăn, nước uống và oxi mà cơ thể cần, cũng như loại bỏ chất thải và lượng nhiệt tạo ra do tiêu hoá thức ăn và sinh hoạt đơn giản. Đó là vì diện tích sẵn có cho những thứ lấy vào và thải ra sẽ thu nhỏ lại so với thể tích mô phải được đáp ứng.
Hầu hết sinh vật đều hiển vi, nên không gì trong số trên là vấn đề, nhưng đối với bất kỳ sinh vật to hơn một dấu chấm than, nó sẽ trở thành vấn đề. Thoạt đầu, vấn đề được giải quyết bằng cách tiến hoá những hệ thống vận chuyển chuyên biệt, như mạch máu, phổi, v.v… và thứ hai, bằng cách thay đổi hình dạng, tạo ra những hệ thống rộng hơn hoặc phức tạp, đóng vai trò như những bộ tản nhiệt, từ cánh buồm của pelycosaurs và đôi tai của voi cho đến sự phúc tạp bên trong phổi, nhằm phục vụ chức năng tản nhiệt quan trọng bên cạnh việc trao đổi khí.
Động vật có vú, khi cuối cùng được giải phóng khỏi thế giới bị khủng long thống trị và có thể phát triển lớn hơn một con lửng, đã giải quyết vấn đề cách nhiệt đó bằng cách rụng lông khi lớn lên và tiết mồ hôi. Mồ hôi tiết ra nước trên bề mặt da, và khi nước này bốc hơi, năng lượng cần để chuyển mồ hôi dạng lỏng thành dạng hơi được thoát ra từ các mao mạch ngay bên dưới da, tạo nên hiệu ứng làm mát. Nhưng không khí thở ra từ phổi cũng góp phần làm mất nhiệt, đây là nguyên nhân một số loài thú lông mao thở gấp, để lộ chiếc lưỡi dài ẩm ướt để không khí giúp làm bay hơi. Động vật có vú trên cạn lớn nhất là Paraceratherium, một họ hàng không sừng cao khều của tê giác, sống khoảng 30 triệu năm trước, rất lâu sau khi khủng long tuyệt chủng. Paraceratherium phát triển tới khoảng 4 m tính đến vai và nặng tới 20 tấn.
Nhưng khủng long lớn nhất lại lớn hơn rất rất nhiều. Diện tích bề mặt của một con khủng long chân thằn lằn khổng lồ như Argentinosaurus nặng 70 tấn, dài 30 m, một trong những động vật trên cạn lớn nhất từng tồn tại, là rất nhỏ bé so với thể tích của chúng. Ngay cả những thay đổi trong hình dáng, như cổ và đuôi dài ra, cũng không đủ để thoát hết lượng nhiệt tạo ra từ bên trong cơ thể đồ sộ của nó.
Dù khủng long chân thằn lằn rất lớn, nhưng theo kinh nghiệm những động vật lớn có tốc độ trao đổi chất chậm rãi hơn động vật nhỏ, nên chúng thường mát mẻ hơn một chút. Làm ấm một con khủng long kích thước đó dưới ánh mặt trời sẽ tốn thời gian rất lâu, nhưng làm mát cũng sẽ tốn thời gian tương đương, nên một con khủng long rất lớn một khi đã được làm ấm có thể duy trì nhiệt độ cơ thể khá ổn định đơn giản bởi vì nó quá to lớn.
Tuy nhiên chính di sản đó của khủng long đã cứu mạng chúng, và cho phép chúng phát triển lớn đến vậy. Vì phổi chúng, vốn đã lớn sẵn, được mở rộng thành một hệ thống túi khí phân nhánh khắp cơ thể, nên những động vật này ít to lớn hơn vẻ ngoài của chúng. Các túi khí trong xương cũng khiến bộ xương nhẹ. Bộ xương của khủng long lớn nhất là thành quả của kỹ thuật sinh học, xương tiêu giảm thành các giá đỡ rỗng chịu tải, với càng ít bộ phận không chịu tải càng tốt.
Nhưng mấu chốt là hệ thống túi khí bên trong không chỉ dẫn nhiệt từ phổi. Nó lấy nhiệt trực tiếp từ cơ quan nội tạng mà không cần phải vận chuyển đi khắp cơ thể thông qua máu trước rồi mới đến phổi và tản nhiệt một phần trên đường đi, làm phức tạp thêm vấn đề. Một cơ quan hưởng lợi to lớn là gan, vốn tạo ra nhiều nhiệt và có kích thước bằng một chiếc xe hơi ở một con khủng long lớn. Hoạt động làm mát bằng không khí bên trong khủng long hiệu quả hơn so với phiên bản làm mát bằng chất lỏng của động vật có vú. Chính điều đó đã giúp khủng long trở nên to lớn hơn rất nhiều so với động vật có vú, mà không tự luộc sống chính mình.
Argentinosaurus tuy khổng lồ nhưng ít cồng kềnh hơn một con chim nhanh nhẹn, đi bốn chân, không biết bay,… Đối với chính loài chim, những kẻ kế thừa của khủng long, có cùng cấu trúc nhẹ cân, cùng quá trình trao đổi chất diễn ra nhanh và cùng hệ thống làm mát bằng không khí, tất cả đều là lợi thế to lớn cho việc bay, vốn là một hoạt động đòi hỏi cấu tạo khung nhẹ.
Ảnh phục dựng giả định khủng long Argentinosaurus huinculensis. Ảnh: Nobu Tamura.
Việc bay cũng gắn liền với lông vũ. Một bộ cánh lông vũ là đặc điểm của khủng long từ rất sớm trong lịch sử loài này. Ban đầu lông vũ giống lông hơn, một đặc điểm tương tự pterosaurs, nhóm động vật có xương sống đầu tiên học bay ở kỷ Tam Điệp, và có họ hàng gần với khủng long. Ngay cả khi không bay, một bộ lông vũ vẫn cung cấp lớp cách nhiệt cần thiết cho những loài động vật nhỏ sinh nhiều nhiệt. Vấn đề mà khủng long nhỏ, năng động phải đối mặt trái ngược với vấn đề thử thách khủng long lớn – giữ lượng nhiệt đắt đỏ đó không tản ra môi trường. Những lông vũ giản đơn như vậy sớm đã phát triển phiến lông, lông tơ và màu sắc. Động vật thông minh và năng động như khủng long có cuộc sống xã hội tất bật, trong đó sự phô diễn xã hội đóng vai trò quan trọng.
Một mấu chốt thành công khác của khủng long là đẻ trứng. Dù động vật có xương sống nhìn chung đều luôn đẻ trứng, một tập tính cho phép những động vật có màng ối đầu tiên chinh phục đất liền. Nhiều động vật có xương sống đã quay lại tập tính đẻ con của tổ tiên, vốn xuấtt hiện ở những loài xương sống có hàm sớm nhất. Đó chỉ là vấn đề tìm ra một chiến lược bảo vệ thế hệ sau mà con mẹ không phải chịu cái giá quá đắt. Động vật có vú bắt đầu từ việc đẻ trứng. Hầu hết chúng đều trở thành loài đẻ con, nhưng với cái giá khủng khiếp. Đẻ con phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng, đặt ra giới hạn về kích thước mà động vật có vú có thể đạt tới trên đất liền. Việc đó cũng giới hạn số lượng con cái chúng có thể sinh trong một lần.
Tuy nhiên, không loài khủng long nào từng nuôi con mình theo cách này. Mọi loài khủng long đều đẻ trứng, archosaur cũng vậy. Là sinh vật thông minh và năng động, khủng long đã tối đa hoá sự thành công của thế hệ sau bằng cách ấp trứng trong tổ và chăm sóc con non sau khi nở. Nhiều loài khủng long, nhất là khủng long ăn cỏ bầy đàn như sauropod, cũng như hadrosaur đi hai chân nhỏ hơn đã thay thế phần lớn sauropod ở kỷ Creta, làm tổ ở những bãi ấp chung thống trị cảnh quan, trải dài hút mắt đến đường chân trời. Khủng long cái đã dùng xương của chính mình để cung cấp đủ canxi cho trứng, một tập tính mà chim vẫn còn giữ.
Đó là sự hy sinh xứng đáng nếu nhìn từ góc độ lợi thế của việc đẻ trứng. Trứng của động vật có màng ối là một trong những kiệt tác của tiến hoá. Nó không chỉ chứa đựng phôi thai mà còn là vỏ bọc hoàn chỉnh hỗ trợ sự sống. Trứng chứa đủ thức ăn đến lúc động vật nở, cũng như hệ thống đào thải để đảm bảo sinh cầu tự cung tự cấp này không bị nhiễm độc. Hành vi đẻ trứng đồng nghĩa khủng long đã thoát khỏi rắc rối và phí tổn từ việc nuôi con bên trong cơ thể mình.
Một số loài khủng long dành năng lượng để chăm sóc con cái sau khi nở, nhưng chúng không buộc phải làm vậy. Một số loài chôn trứng của mình trong một cái lỗ ấm áp hoặc đống phân và để con non tự nắm bắt cơ hội. Nếu không thì năng lượng tiêu tốn cho sinh sản và chăm sóc số con non ít ỏi có thể được phân bổ theo cách khác, ví dụ như đẻ nhiều trứng hơn mức được phép. Và dĩ nhiên, là bằng cách phát triển nữa. Khủng long phát triển rất nhanh. Sauropod cần lớn lên càng nhanh càng tốt, cho đến khi chúng to lớn đến mức các loài ăn thịt không thể săn đuổi. Loài ăn thịt cũng phải lớn nhanh tương ứng. Ví dụ như Tyrannosaurus rex, đạt khối lượng 5 tấn khi trưởng thành trong chưa tới 20 năm, tăng 2 kg mỗi ngày, một tốc độ phát triển nhanh hơn rất nhiều so với những họ hàng nhỏ hơn của nó.
Khủng long và họ hàng trực hệ của nó dành hàng triệu năm tích luỹ mọi thứ chúng cần cho việc bay: lông vũ, quá trình trao đổi chất nhanh, làm mát bằng không khí hiệu quả trong tầm kiểm soát, khung bay nhẹ, và sự tận tuỵ phi thường với việc đẻ trứng. Một số loài khủng long đã dùng một số đặc điểm thích nghi này để thực hiện nhiều việc rất khác với chim, như phát triển tới kích thước mà không động vật trên cạn nào vượt qua được. Nhưng cuối cùng khủng long cũng bị xoá sổ để cất cao đôi cánh. Thế thì, làm thế nào khủng long hoàn thành bước cuối cùng để bay lên không?
Chuyện bắt đầu ở kỷ Jura, khi một dòng dõi của những loài khủng long ăn thịt vốn đã nhỏ tiến hoá thậm chí còn nhỏ hơn. Chúng càng nhỏ, da chúng càng nhiều lông, vì động vật nhỏ với khả năng trao đổi chất nhanh cần tự giữ ấm. Những động vật này đôi lúc sống trên cây, tốt hơn hết là để tránh khỏi sự chú ý của người anh em lớn hơn của chúng. Một số loài đã khám phá ra cách dùng đôi cánh lông vũ để lơ lửng lâu hơn, và từ đó trở thành chim.
Dịch bởi Kenhsinhvien.vn
(Theo Bigthink)
(Theo Bigthink)
