EvoThink – Tư Duy Tiến Hóa #2: Lông Vũ và Mắt Xích Thiếu Ảo Diệu

I. TIẾN HÓA (CÁI MÃ) CHIM

Có tiến hóa không?   1

Một số hóa thạch đại diện 1

Hổ phách 2

Di tích hóa thạch 2

Vì sao tiến hóa? 3

Làm sao tiến hóa? 4

Mõm 4

Răng 4

Chi trước 4

Chi sau 5

Đuôi 5

Lông vũ 5

Thảo luận 6

II. MẮT XÍCH THIẾU 6

Câu hỏi chống tiến hóa hợp lý 6

MINI GAME! 6

Trả lời câu hỏi chống tiến hóa hợp lý

Nghịch lý bà nội “sinh sau đẻ muộn” 7

Tại sao bong bóng sống cùng máy bay tàng hình? 7

Sinh vật chuyển tiếp ở đâu? 8

Vụ lừa đảo Archaeoraptor 9

III. TÓM TẮT & KẾT 10

THAM KHẢO VÀ TRÍCH DẪN 11

***

Chi sau

Đuôi

Lông vũ

Chi sau

  • Xương mác
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện một số gen, bao gồm gen trưởng thành gọi là Indian Hedgehog, ức chế sự phát triển của chân phôi gà. Bằng cách ức chế gen này, xương mác (fibula) của phôi gà thay vì ngắn, nhỏ như mảnh vụn đã mọc dài bằng xương chày (tibia), kéo tới tận mắt cá – y như chân khủng long và các loài chim xuất hiện sớm như Archaeopteryx.
  • Mắt cá
Nhóm nhà khoa học đã nghiên cứu sự phát triển cổ tay ở trên cũng phát hiện mắt cá chân của chim cũng tái hiện lịch sử tiến hóa, nhưng là từ tận thời lưỡng cư!

 

  • Ngón chân cái
Nhưng đó mới là cái xương mác với mắt cá thôi, khác biệt rõ nhất của khủng long và chim là ở cái ngón chân cái. Ngón cái của chim thường có (các) ngón nằm đối diện với các ngón còn lại (như ngón tay cái của chúng ta), cho phép chúng đậu trên cành cây hoặc quặp con mồi. Với khủng long như T-rex thì lại nằm xuôi theo các ngón khác và quá nhỏ không chạm đất giống như móng đeo ở chó. Tại sao lại có điều này, phải chăng do đột biến gen tạo ngón chân cái?
Để giải quyết bài toán này, Botelho và cộng sự (2015) nghiên cứu trứng bình thường trước. Có thể thấy, trong giai đoạn sớm (HH32), chân phôi thai chim có bàn chân khủng long, sau đó có những xoay, vặn để dần đưa các ngón vào vị trí lúc trưởng thành. Nhưng họ nhận thấy, qua màu nhuộm (xương lên màu đỏ, mô mềm và sụn lên màu xanh), ngón cái hóa xương chậm hơn các ngón còn lại nhiều (vẫn còn màu xanh ở HH38) và vì thế nên dẻo dai và dễ thay đổi hình dáng.
Họ cho rằng vị trí của ngón cái không phải do gen quy định mà do quá trình cục cựa dữ dội của phôi đã làm các cơ vặn xoắn và làm cho sụn xoay và hóa xương trong tư thế xô lệch. Làm sao kiểm tra xem ý tưởng này đúng hay không?
Tiêm chất liệt cơ. Họ làm cơ xung quanh ngón ấy không cục cựa được nữa, và thế là ta được một cái chân khủng long trên một con gà.

 

Đốt bàn của gà bình thường (trái), gà bị gây liệt (giữa) và của Allosaurus
Nhưng, tại sao lại có vụ cục cựa tác động lớn này? Không lẽ khủng long con không cục cựa trong trứng?
Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao không bao giờ thấy bồ câu nhí chưa? Trong một đàn người ta sẽ thấy em bé, nhi đồng, teen, teen vừa vừa, teen gần mãn hạn, thanh niên, trung niên, bô lão – nhưng đàn bồ câu thì con nào cũng y như con nấy, chẳng lẽ chúng đều cùng một lứa? Lũ bé nhất thì chưa bay được đi, nhưng sao không thấy bọn choai choai? Lí do thứ nhất là vì bồ câu và chim nói chung lớn rất rất nhanh, bồ câu chỉ cần 30 ngày để trông không khác gì con trưởng thành, tốc độ này bò sát và thú chỉ có hít khó. Tại sao?

 

Có lẽ là vì tốc độ chuyển hóa của chúng rất cao. Như ta đã thấy, chim có nguồn gốc từ nhóm theropod rất nhỏ, và sinh vật càng nhỏ thì có diện tích bề mặt càng lớn so với khối lượng, và càng phải có tốc độ chuyển hóa cao để duy trì cùng mức thân nhiệt với sinh vật lớn hơn.  Hơn thế nữa, cuộc sống bay lượn yêu cầu rất cao về mức năng lượng (đó là lí do các loài chim sống ở những vùng không có thú săn mồi thường tiến hóa bỏ bay). Tốc độ chuyển hóa còn có mối liên hệ với tốc độ phát triển xương và lệ thuộc sức mạnh cơ bắp để tạo ra nhiệt. Vì thế, các tác giả cho rằng có thể việc tăng tốc độ chuyển hóa để tăng hiệu suất bay đã kết nối tăng trưởng cơ bắp và xương khớp về tiến hóa, làm chim từ trong trứng đã tăng năng động hơn bò sát khác.


Vậy, sự biến đổi kiểu hình này có hai bước: tăng sự vận động của gà con trong trứng và làm chậm sự xóa hương của ngón cái. Ở thời Archaeopteryx trở về trước có thể chim trong trứng đã vận động, nhưng do ngón cái hóa xương sớm nên chưa ảnh hưởng. Tới Quiliania, có đột biến làm nó hóa xương chậm một phần và phần sụn còn lại bị chuyển dịch khi phôi vận động và cũng xoay, nhưng nhẹ hơn. Ở chim hiện đại, cả hai yếu tố hiện diện cùng lúc, nên ngón cái có độ linh hoạt cao nhất.
Tôi nghĩ có thể coi việc tăng tốc độ chuyển hóa cũng là exaptation vì nó vốn có mục đích khác, nhưng hóa ra lại hỗ trợ co quá trình tiến hóa một cơ quan khác. Cũng như việc xuất hiện ngón cái đối diện các ngón còn lại là một sự kiện trọng đại trong tiến hóa linh trưởng (ngón cái là ngón quan trọng nhất của bàn tay), ngón chân cái có thể cầm nắm được cũng đã giúp ích cho sự tồn tại của chim đến ngày nay.

 

Đuôi

  • Cơ chế chu phau câu
Nói về chân cẳng, để kiểm chứng ý tưởng cho rằng chim chu phau câu là do tâm trọng lực bị kéo về trước, các nhà khoa học chia gà làm ba nhóm, một nhóm đối chứng không làm gì hết, một nhóm đặt vật nặng ở trọng tâm và nhóm thí nghiệm được gắn một cây thông bồn cầu đuôi giả vào phao câu từ lúc còn nhỏ. Kết quả cho thấy sức nặng của cái đuôi có làm thay đổi  dáng đi của gà và làm gà đứng giống khủng long hơn. Nhóm nghiên cứu cho biết gà thí nghiệm có thể giúp ta hình dung dáng đi của khủng long như T-rex.
Các nhà nghiên cứu tận tụy và quả cảm này đã giương cao tinh thần khoa học, phải kiểm chứng mọi thứ, dù có phải trả giá bằng việc lãnh một giải Ig Nobel  :)) .

 

  • Nhưng làm thế nào mà chim mất đuôi?
Cũng như chúng ta, chim cũng có cái đuôi dài trong các giai đoạn sớm và về sau co ngắn, hấp thụ trở lại. Nghiên cứu cho thấy không chỉ một mà có tới 23 đột biến liên quan đến quá trình này, mỗi nhóm lại có một kiểu tác động, giải thích sự biến thiên độ dài đuôi của các hóa thạch.
Đuôi của chim là sự hợp nhất nhiều đốt xương.

 

Lông

Những thứ kể trên vốn dĩ đã giống khủng long rồi, vặn vẹo tí thôi, tôi chưa hết hồn.
Hỏi thiệt: Một sợi nhọn có thể biến thành lông vũ không? Có, và chúng ta còn có thể thấy nó làm điều đó trên chim hiện đại. Ai đã nuôi két sẽ thấy khi két còn non hay đang thay lông, két có những cái gì tua tủa như gai, gọi là pin feather (lông kim?). Ban đầu, lông kim này có mạch máu, nhìn như một thân ống lông chim trụi lủi không có phiến, nhưng thực ra là một lớp như sáp che phủ sợi lông ở dưới. Khi đủ lớn thì lớp phủ này sẽ bị tách bỏ và sợi lông bung ra.
Trên con két này ta có thể thấy những sợi lông kim mới nhú, còn nguyên và những sợi bắt đầu bung đầu cũng như những sợi đã bung được một nửa.

 

Nhưng đó vẫn là vùng da vốn phải sinh lông. Còn vùng da vốn phải sinh vẩy làm sao có “thông tin” tạo lông? Chẳng cần thông tin gì cả, thực nghiệm cho thấy chỉ cần có beta catenin, vùng chân gà có thể tạo ra các sợi lông.


(Chuong và cộng sự, 2001)
Nhưng… nhưng lông vũ cơ, lông có phiến đẹp đẹp cơ!
Lông bao mới chịu à? Ờ, chúng ta biết chắc chắn địa phận vẩy truyền thống có thể sinh lông bao, bởi vì ta đã tạo ra được các giống chim có lông ở chân – không phải vài sợi tơ cà lơ phất phơ – lông chính hãng, siêu mềm mượt, độ dài từ “nâng niu bàn chân Vịt” đến “WTF?”.

 

leg feather.PNG
So chân của bồ câu đưa thư và giống  bồ câu kèn Anh. Đây là hai giống chim đã được con người chọn lọc từ đời cố lũy, hoàn toàn không có can thiệp gì về ADN, chỉ làm những gì chọn lọc tự nhiên làm: cho phép một số cá thể sinh sản nhiều hơn những cá thể khác. Nghĩa là trong bộ gen của chim hoàn toàn có tiềm năng tạo lông ở chân một cách tự nhiên! Nhìn có giống đôi cánh ở chân của các loài chim cổ đại không?
Nhưng… nhưng…à há! Đó vẫn là lông mọc trên một sinh vật vốn có lông, thông tin đã có sẵn, chỉ bị dời chỗ (khung thành chống tiến hóa đã bị dời chỗ thì đúng hơn 😉 ). Ừ, thật ra tôi cũng nghĩ như vậy, nhưng cái cần thấy ở đây là các gen của các tế bào da ở chân không hề thay đổi,từ chỗ mọc vẩy đến mọc lông có thể chỉ cách nhau sự điều hòa của 2 gen – với di truyền, “thay đổi nhỏ, tác động lớn”, đồng ý hen?

 

Giờ ta cùng so sánh quá trình phát triển của chim và bò sát. Đây là lộ trình phát triển lông vũ có được nhờ nghiên cứu phôi chim (Prum và Brush 2003)

 

nature-evodevo-feather-1

 

Trên da của phôi thú và chim đều có những khối nhô lên nhỏ gọi là đĩa dày (placode), tiền thân của các lớp phủ của chúng. Gần đây, các nhà khoa học đã tìm được cách để cho thấy trên da của phôi bò sát cũng có những đĩa dày này, hơn thế nữa còn có cùng một protein quan trọng, chỉ khác là chúng không có hiện tượng kết tụ tế bào bên dưới như ở chim – chứng minh bằng thực nghiệm rằng chúng có cùng nguồn gốc, là cơ quan tương đồng.


Không dừng lại ở đó, hình dáng vẩy bò sát và lông đều chịu sự thao túng của hai protein BMP2 & Shh. Mức độ biểu hiện khác nhau của 2 protein trên ở các đĩa dày có thể tạo nên sự phát triển của vẩy, lông dạng ống, lông có nhánh, hay lông có thân ống (Harris và cộng sự 2005).
Video quá trình phát triển lông bao 
Video quá trình phát triển lông tơ
Bạn có thấy trước khi thành sợi dài (A, B, C)  nó giống giống cái gì không? ^^

 

Người ta còn biết cơ chế nào khiến dạng lông dạng chùm biến thành lông phẳng (và ngược lại), đó là ức chế hoạt động của protein (Wnt3)a (hay ngược lại), một điều đột biến gen có thể làm được. Các tác giả cho biết, điều này (cộng với điều trên) cho thấy điều chỉnh nồng độ và phân bốcác phân tử có thể tạo ra các kiểu hình đa dạng của lông vũ (Yue và cộng sự 2005)

 

N (Wu và cộng sự)

 

Vậy, ta thấy, dù nhìn bề ngoài lông vũ và vẩy bò sát có vẻ như cách nhau cỡ 50,000 đột biến, khoảng cách sinh lý của chúng thực sự ngắn hơn rất nhiều. Theo Wu và cộng sự (2015), “Dù cho chim có những đặc điểm hình thái vô cùng mới, chỉ có một ít khác biệt rõ rệt đã được tìm thấy trong bộ gen của những loài chim khác nhau.” Từ nhiều luồng dữ kiện, Prum và Brush (2003) đã có thể phát triển giả thuyết về lông vũ kết hợp giữa kiến thức Cổ sinh và Sinh học phát triển, với các cơ chếđề xuất từng bước rõ ràng, và vì rất rõ ràng nên hoan nghênh người chống tiến hóa tới dùng dữ kiện phản biện.

 

nature-evodevo-feather
Đáng chú ý là, ở các loại chim đã mất khả năng bay (ratites), lông có phiến đã biến mất; gần như lông cánh của chúng đã trở lại thành loại lông tơ giai đoạn III, có thân ống chính giữa nhưng không có tơ con (tơ nhỏ). Với những loài mới gần đây (“gần” theo niên đại địa chất ^^) mới nghỉ bay như Kakapo (một loài vẹt to ở New Zealand), lông cánh đã chuyển từ giai đoạn V về giai đoạn IV, với các phiến đối xứng giống như Anchiornis. Nếu có đủ thời gian, rất có thể những loại lông này sẽ mất luôn các sợi tơ con nếu việc lượn ngày càng có ít tầm quan trọng trong đời sống của nó, cho đến khi cánh của chúng cũng teo nhỏ và lông cũng đơn giản hóa thành dạng sợi như chim kiwi (Martyniuk, 2012).

 

Hiện nay, cánh của chim kiwi chỉ còn là một mụt nhỏ nhìn như ngón tay trẻ em
Tiềm năng tạo ra các loại lông đơn giản không chỉ có ở các ratite trưởng thành mà còn có ở chim non.
Khủng long con với lông tơ dạng sợi mỏng bên cạnh một con lớn hơn đang phát triển lông bao. Lí do #2 chúng ta không bao giờ thấy bồ câu con: không ai muốn nhìn thấy chúng, những thảm họa thẩm mỹ. Nếu tôi là tác giả của Vịt Con Xấu Xí, tôi sẽ không chọn [SPOILERS!] thiên nga con [SPOILERS!] làm nhân vật chính mà là những nhan sắc xúc phạm người nhìn này!
Thiên nga con với lớp lông tơ chùm, phủ toàn thân. Đấy, chỉ có màu xám thôi, có gì xấu đâu!

 

Bên trái: chim chukar 8 ngày tuổi với kiểu cánh 8, 10 và 20 ngày tuổi chồng lên. Bên phải: hộp nhỏ là lông qua các giai đoạn phát triển cá thể, hộp lớn là lông hóa thạch. Bảng so sánh loại lông cánh của chim non giống với các loài hóa thạch.
Sm, Similicaudipteryx; Ca, Caudipteryx; An, Anchiornis; Mi, Microraptor; Ar, Archaeopteryx.
Theo Heers và cộng sự, 2014, lộ trình phát triển kích cỡ cánh có nhiều điểm tương đồng với lộ trình tiến hóa quan sát được ở khủng long theropod. Chim non hơn và khủng long các nhóm xuất hiện sớm thường có cánh nhỏ với những sợi lông tương đối đối xứng, trong khi chim lớn hơn và các theropod xuất hiện sau thường có cánh to và lông bất đối xứng hơn. Lông của chim non cũng có cấu trúc mở hơn so với những con lớn giống như giả thuyết về các theropod sớm. Vậy, khi cho chim non leo dốc và các bài tập khác (họ chính là đám người tàn nhẫn đó) và đo đạc, ta có thể lập một mô hình về tương quan giữa hình thái cánh chim và công năng khí động học, cho phép tính toán khả năng bay của các loài theropod đã tuyệt chủng.