Cá mập là cá, cá heo là thú, ngư long là bò sát biển đã tuyệt chủng — ba nhóm cách nhau hàng trăm triệu năm tiến hoá, vậy mà đều có thân hình thoi, vây lưng, vây chèo và đuôi khoẻ. Đó là hội tụ tiến hoá: các dòng giống không họ hàng gần, sống trong cùng một kiểu môi trường, chịu cùng một bài toán vật lý, nên chọn lọc tự nhiên đưa chúng tới những lời giải giống nhau. Hội tụ cho thấy tiến hoá có những "đáp án" lặp lại, chứ không chỉ là may rủi.
Ba con vật, ba dòng dõi khác nhau
| Đặc điểm | Cá mập | Ngư long | Cá heo |
|---|---|---|---|
| Nhóm | Cá sụn | Bò sát biển (không phải khủng long) | Thú có vú |
| Thời gian | Dòng dõi hơn 400 triệu năm, còn sống | Khoảng 250 tới 90 triệu năm trước | Khoảng vài chục triệu năm, còn sống |
| Tổ tiên | Cá cổ ở biển | Bò sát trên cạn quay lại biển | Thú móng guốc trên cạn quay lại biển |
| Thở | Bằng mang | Bằng phổi, phải trồi lên thở | Bằng phổi, lỗ thở trên đỉnh đầu |
| Đuôi | Thẳng đứng, quạt sang ngang | Thẳng đứng hình lưỡi liềm, quạt sang ngang | Nằm ngang, quạt lên xuống |
| Sinh sản | Đẻ trứng hoặc đẻ con tuỳ loài | Đẻ con (có hoá thạch con non trong bụng mẹ) | Đẻ con, nuôi bằng sữa |
Nhìn vào cột "tổ tiên" mới thấy điều bất ngờ: cả ngư long lẫn cá heo đều có tổ tiên sống trên cạn, bốn chân. Chúng quay lại biển và, qua hàng triệu năm, có thân hình giống cá mập — loài chưa bao giờ rời biển.
Bài toán chung: di chuyển nhanh trong nước
Nước đặc hơn không khí khoảng tám trăm lần. Con vật muốn bơi nhanh trong nước phải giải mấy bài toán, và lời giải gần như bị vật lý quy định sẵn:
- Giảm lực cản: thân hình thoi, đầu nhọn, phần dày nhất ở khoảng một phần ba thân, thon dần về đuôi. Hình này cũng thấy ở tàu ngầm, ngư lôi.
- Tạo lực đẩy: đuôi rộng hình lưỡi liềm, gắn với cuống đuôi hẹp, quạt mạnh. Hình lưỡi liềm cho lực đẩy lớn mà ít xoáy nước.
- Giữ thăng bằng: vây lưng chống lăn, vây chèo hai bên để lái và chống chúi.
- Da trơn: không có vảy lớn hay lông cản nước.
Ba nhóm đi tới cùng một lời giải vì không có nhiều lời giải tốt khác. Đó là lý do hội tụ thường xảy ra khi môi trường đặt ra yêu cầu vật lý khắt khe.
Giống bề ngoài, khác bên trong
Nhìn kỹ, dấu vết dòng dõi vẫn còn nguyên:
- Đuôi cá heo nằm ngang, quạt lên xuống, vì tổ tiên thú trên cạn chạy bằng cách uốn cột sống lên xuống. Đuôi cá mập và ngư long thẳng đứng, quạt sang ngang như mọi loài cá và bò sát uốn mình sang hai bên.
- Vây chèo của cá heo có xương cánh tay, cẳng tay, bàn tay và năm ngón như tay người. Vây ngực cá mập là các tia sụn. Vây chèo của ngư long có rất nhiều đốt xương ngón xếp dày.
- Vây lưng và thuỳ đuôi cá heo không có xương, chỉ là mô liên kết dày — một cấu trúc "làm mới" từ đầu, không kế thừa từ vây của cá.
- Cá heo vẫn thở bằng phổi, cho con bú, như mọi loài thú.
Các nhà sinh học phân biệt hai loại giống nhau. Cơ quan tương đồng là cơ quan có cùng nguồn gốc dù chức năng khác — xương vây chèo cá heo và xương tay người. Cơ quan tương tự giống nhau về chức năng, hình dạng nhưng nguồn gốc khác — vây lưng cá heo và vây lưng cá mập. Hội tụ tiến hoá tạo ra cơ quan tương tự.
Những ví dụ hội tụ khác
Mắt kiểu máy ảnh: bạch tuộc và người
Bạch tuộc, mực và động vật có xương sống đều có mắt kiểu máy ảnh: giác mạc, thuỷ tinh thể, võng mạc. Nhưng hai kiểu mắt hình thành độc lập. Một khác biệt thú vị: ở mắt người, dây thần kinh nằm phía trước võng mạc rồi chui qua một lỗ ra sau, tạo điểm mù. Ở mắt bạch tuộc, dây thần kinh nằm phía sau nên không có điểm mù.
Định vị bằng tiếng vang: dơi và cá heo
Dơi và cá voi có răng phát âm thanh rồi nghe tiếng dội lại để "nhìn" con mồi. Hai nhóm hình thành khả năng này riêng rẽ. Các nghiên cứu di truyền còn phát hiện một số gen liên quan tới thính giác ở dơi và cá heo có những thay đổi giống nhau — hội tụ tới cả mức phân tử.
Thú ăn kiến: tê tê và những người anh em xa
Tê tê ở châu Á và châu Phi, thú ăn kiến ở Nam Mỹ, lợn đất ở châu Phi, thú lông nhím ở Úc thuộc các nhánh thú xa nhau, nhưng đều có mõm dài, lưỡi dài dính, ít hoặc không có răng, móng vuốt khoẻ để phá tổ mối, kiến.
Cây mọng nước
Xương rồng ở châu Mỹ và nhiều loài cây họ thầu dầu ở châu Phi trông giống nhau tới mức người không chuyên khó phân biệt: thân mập, lá thành gai, mặt thân có cạnh. Bài về cây sống nơi khô hạn trong danh mục này bàn kỹ hơn.
Hoá cua
Thân hình con cua — mình dẹt rộng, đuôi gập dưới bụng — đã tiến hoá độc lập ít nhất vài lần trong các nhóm giáp xác khác nhau. Các nhà sinh học đặt hẳn tên cho hiện tượng này.
Hội tụ nói gì về tiến hoá
- Chọn lọc tự nhiên có sức mạnh định hình: nếu tiến hoá chỉ là ngẫu nhiên, khó mà thấy cùng một hình dạng lặp lại nhiều lần.
- Nhưng lịch sử vẫn để lại dấu: lời giải giống nhau bên ngoài, còn bên trong mỗi dòng vẫn dùng "vật liệu" thừa hưởng từ tổ tiên.
- Cẩn thận khi xếp họ hàng: giống nhau chưa chắc là họ hàng. Người xưa xếp cá heo, cá voi vào nhóm "cá" vì hình dáng; sinh học hiện đại dựa vào nhiều đặc điểm, nhất là DNA, để tránh bị hội tụ đánh lừa.
Góc nhìn hôm nay: tự nhận ra hội tụ
- Ở các bảo tàng thiên nhiên, đặt bộ xương cá heo cạnh bộ xương một loài cá lớn: nhìn xương vây chèo là thấy ngay "bàn tay" của con thú.
- Ở Bảo tàng Hải dương học Nha Trang có bộ xương cá voi lớn — để ý xương chi trước và dấu vết xương chậu thoái hoá.
- Tự làm bảng so sánh: chọn hai con vật giống nhau mà không họ hàng (chim và dơi, xương rồng và cây xương rắn trồng ở nhà) rồi liệt kê điểm giống, điểm khác.
- Đọc thêm: phần bằng chứng tiến hoá (cơ quan tương đồng, tương tự) trong SGK Sinh học 12; sách Life's Solution của Simon Conway Morris (2003) bàn về hội tụ.
Câu hỏi thường gặp
Hội tụ tiến hoá là gì?
Là hiện tượng các loài không có quan hệ họ hàng gần, sống trong môi trường giống nhau, tiến hoá độc lập ra những đặc điểm giống nhau. Ví dụ cá mập, cá heo và ngư long đều có thân hình thoi và vây giống nhau.
Cá heo có phải là cá không?
Không. Cá heo là thú có vú: thở bằng phổi, đẻ con và nuôi con bằng sữa, thân nhiệt ổn định. Tổ tiên của cá heo là thú sống trên cạn, quay lại biển cách đây vài chục triệu năm.
Ngư long có phải là khủng long không?
Không. Ngư long là bò sát biển sống từ khoảng 250 tới 90 triệu năm trước, thuộc nhánh khác với khủng long. Chúng có thân hình giống cá heo và đẻ con dưới nước.
Cơ quan tương đồng và cơ quan tương tự khác nhau thế nào?
Cơ quan tương đồng có cùng nguồn gốc nhưng có thể khác chức năng, như tay người và vây chèo cá heo. Cơ quan tương tự có chức năng giống nhau nhưng nguồn gốc khác, như cánh chim và cánh côn trùng. Hội tụ tiến hoá tạo ra cơ quan tương tự.
Vì sao đuôi cá heo nằm ngang còn đuôi cá mập thẳng đứng?
Vì tổ tiên thú trên cạn của cá heo chạy bằng cách uốn cột sống lên xuống, nên khi xuống nước, cá heo bơi bằng cách quạt đuôi lên xuống. Cá và bò sát uốn mình sang hai bên, nên đuôi cá mập thẳng đứng và quạt sang ngang.
