Quy tắc Bergmann (1847) nói rằng trong một nhóm động vật máu nóng có họ hàng gần, các loài hoặc quần thể sống ở vùng lạnh thường to con hơn. Quy tắc Allen (1877) nói rằng ở vùng lạnh, các phần nhô ra như tai, đuôi, chân, mỏ thường ngắn hơn. Cả hai cùng một lý do: thân to và chi ngắn làm giảm diện tích bề mặt so với thể tích, giúp giữ nhiệt. Đây là xu hướng thống kê, không phải định luật — có rất nhiều ngoại lệ.
Bài toán diện tích và thể tích
Động vật máu nóng (chim và thú) tự sinh nhiệt bên trong cơ thể, và mất nhiệt qua bề mặt da. Lượng nhiệt sinh ra tỉ lệ đại khái với khối lượng, tức thể tích. Lượng nhiệt mất đi tỉ lệ với diện tích bề mặt. Vậy câu hỏi là: khi con vật to lên, tỉ lệ giữa diện tích và thể tích thay đổi thế nào?
Thử với khối lập phương:
| Cạnh | Diện tích bề mặt | Thể tích | Diện tích chia thể tích |
|---|---|---|---|
| 1 cm | 6 cm² | 1 cm³ | 6 |
| 2 cm | 24 cm² | 8 cm³ | 3 |
| 4 cm | 96 cm² | 64 cm³ | 1,5 |
| 10 cm | 600 cm² | 1.000 cm³ | 0,6 |
Khi kích thước tăng gấp đôi, thể tích tăng tám lần nhưng diện tích chỉ tăng bốn lần. Con vật càng to, mỗi gam cơ thể càng ít "mặt tiếp xúc" với không khí lạnh, nên càng dễ giữ ấm. Ngược lại, con vật nhỏ mất nhiệt rất nhanh: chuột chù và chim ruồi phải ăn gần như liên tục để bù.
Tai, đuôi, chân là những phần mỏng, nhô ra, có diện tích lớn so với thể tích — giống những cánh tản nhiệt. Ở xứ lạnh chúng là chỗ thất thoát nhiệt; ở xứ nóng chúng lại là chỗ thải nhiệt rất có ích.
Quy tắc Bergmann: to con ở xứ lạnh
Nhà sinh học người Đức Carl Bergmann công bố nhận xét này năm 1847. Một số ví dụ thường được dẫn:
- Chim cánh cụt: chim cánh cụt hoàng đế ở Nam Cực là loài lớn nhất, cao hơn một mét. Chim cánh cụt Galápagos sống gần xích đạo là một trong những loài nhỏ nhất, chỉ cao khoảng nửa mét.
- Hổ: hổ ở vùng Viễn Đông nước Nga thường được mô tả là lớn nhất; các phân loài ở vùng nhiệt đới Đông Nam Á nhỏ hơn, hổ trên đảo Sumatra thuộc loại nhỏ nhất.
- Hươu nai: nhiều loài hươu ở Bắc Mỹ, châu Âu có kích thước tăng dần về phía bắc.
- Chim sẻ nhà: sau khi được đưa sang Bắc Mỹ vào thế kỷ 19, quần thể chim sẻ nhà ở các vùng lạnh hơn dần to con hơn quần thể ở vùng ấm — một ví dụ quy tắc hình thành trong vòng chưa tới một thế kỷ.
Quy tắc Allen: chi ngắn, tai nhỏ ở xứ lạnh
Nhà động vật học người Mỹ Joel Asaph Allen phát biểu quy tắc này năm 1877. Ví dụ quen thuộc nhất là ba loài cáo:
| Loài cáo | Nơi sống | Tai | Mõm, chân |
|---|---|---|---|
| Cáo Bắc Cực | Lãnh nguyên, băng giá | Nhỏ, tròn, gần như lẫn vào lông | Mõm ngắn, chân ngắn có lông dày cả gan bàn |
| Cáo đỏ | Vùng ôn đới rộng khắp | Vừa | Vừa |
| Cáo tai to (fennec) | Sa mạc Sahara | Rất to so với thân, dài khoảng 15 cm | Mõm nhọn, chân mảnh |
Tai to của cáo sa mạc vừa giúp thải nhiệt qua mạng mạch máu dày dưới da tai, vừa giúp nghe tiếng con mồi dưới cát. Thỏ rừng Bắc Cực tai ngắn; các loài thỏ rừng ở sa mạc Bắc Mỹ có tai rất dài, mỏng, thấy rõ mạch máu khi soi ngược sáng. Voi châu Phi ở xứ nóng có tai to hơn hẳn voi châu Á, và hay quạt tai để làm mát máu.
Con người cũng không ngoại lệ hoàn toàn
Nghiên cứu nhân trắc học cho thấy các cộng đồng sống lâu đời ở vùng cực như người Inuit có xu hướng thân chắc, tay chân ngắn hơn so với chiều cao; các cộng đồng ở vùng nóng khô Đông Phi thường thân mảnh, chân tay dài. Đây là xu hướng trung bình giữa các nhóm, chịu ảnh hưởng cả dinh dưỡng và nhiều yếu tố khác, không dùng để phán xét từng người.
Di truyền hay do môi trường lúc lớn?
Không phải mọi khác biệt đều do gen. Một phần đến từ mềm dẻo kiểu hình: cùng bộ gen nhưng lớn lên ở điều kiện khác thì hình dạng khác. Thí nghiệm nuôi chuột ở chuồng lạnh và chuồng ấm cho thấy chuột lớn lên trong lạnh có đuôi và tai ngắn hơn, dù cùng dòng giống. Nhiệt độ ảnh hưởng tới lượng máu đi đến sụn tăng trưởng ở đầu xương, nên xương chi mọc chậm hơn.
Trong tự nhiên, thường cả hai cơ chế cùng góp phần: chọn lọc tự nhiên giữ lại kiểu gen phù hợp, và môi trường lúc lớn uốn nắn thêm.
Ngoại lệ và tranh luận
Đây là chỗ cần nói rõ. Các nghiên cứu tổng hợp trên hàng trăm loài cho thấy quy tắc Bergmann đúng ở nhiều nhóm chim và thú nhưng không phải tất cả:
- Động vật biến nhiệt (bò sát, nhiều côn trùng) thường không theo, có khi còn ngược lại — ở chúng, lý do giữ nhiệt không áp dụng như ở thú.
- Thân to có thể vì lý do khác: vùng lạnh có mùa đói dài; con to tích được nhiều mỡ hơn, chịu đói lâu hơn. Một số nhà khoa học cho rằng đây mới là lý do chính.
- Lông, mỡ, hành vi (đào hang, tụ đàn, ngủ đông) nhiều khi quan trọng hơn kích thước để chống lạnh.
- Đảo làm kích thước biến đổi theo luật riêng — xem bài hiệu ứng đảo trong danh mục này.
Vì vậy các nhà sinh học gọi chúng là "quy tắc sinh thái", tức khái quát hoá từ quan sát, hữu ích để dự đoán và đặt câu hỏi, nhưng không thay được việc đo đếm từng trường hợp.
Khí hậu ấm lên và kích thước động vật
Nếu quy tắc Bergmann đúng, Trái Đất ấm lên có thể khiến một số loài nhỏ đi. Một số nghiên cứu dài hạn đã ghi nhận điều này: chẳng hạn một nghiên cứu năm 2019 dựa trên hàng chục nghìn mẫu chim di cư chết do va vào nhà cao tầng ở Chicago (Mỹ), thu thập trong khoảng bốn mươi năm, cho thấy kích thước cơ thể giảm dần trong khi cánh dài ra. Mức độ và nguyên nhân cụ thể còn đang nghiên cứu, nhưng đây là hướng theo dõi đáng chú ý.
Góc nhìn hôm nay: tự kiểm quy tắc
- Thí nghiệm hai cốc nước: rót nước ấm cùng nhiệt độ vào một cốc to và một chén nhỏ, đo nhiệt độ sau mỗi 5 phút. Chén nhỏ nguội nhanh hơn — đó là tỉ lệ diện tích trên thể tích.
- So sánh trong sở thú: nếu có dịp, so tai, mõm của các loài cáo, gấu, hươu đến từ vùng lạnh và vùng nóng.
- Dữ liệu mở: các bảo tàng thiên nhiên lớn công bố số đo mẫu vật; học sinh có thể thử vẽ biểu đồ kích thước theo vĩ độ của một loài.
- Đọc thêm: phần nhân tố sinh thái nhiệt độ trong SGK Sinh học 12; chương sinh thái sinh lý trong The Economy of Nature của Ricklefs.
Câu hỏi thường gặp
Quy tắc Bergmann là gì?
Là xu hướng: trong một nhóm động vật máu nóng có họ hàng gần, các loài hoặc quần thể sống ở vùng lạnh thường có kích thước cơ thể lớn hơn ở vùng nóng. Cơ thể to có tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích nhỏ, nên giữ nhiệt tốt hơn.
Quy tắc Allen là gì?
Là xu hướng: động vật máu nóng ở vùng lạnh có tai, đuôi, chân, mõm ngắn hơn họ hàng ở vùng nóng. Phần nhô ra ngắn giúp giảm mất nhiệt; ở vùng nóng, tai và chi dài giúp thải nhiệt.
Vì sao cáo sa mạc có tai to?
Tai to của cáo fennec chứa nhiều mạch máu, giúp thải nhiệt ra môi trường trong sa mạc nóng. Tai to cũng giúp nghe rõ tiếng con mồi nhỏ di chuyển dưới cát vào ban đêm.
Quy tắc Bergmann có đúng với mọi loài không?
Không. Quy tắc đúng ở nhiều nhóm chim và thú nhưng có nhiều ngoại lệ, và thường không áp dụng cho động vật biến nhiệt như bò sát, côn trùng. Kích thước còn bị chi phối bởi thức ăn, kẻ thù, nơi sống trên đảo và nhiều yếu tố khác.
Ví dụ quy tắc Bergmann ở chim cánh cụt là gì?
Chim cánh cụt hoàng đế sống ở Nam Cực cao hơn một mét, là loài lớn nhất. Chim cánh cụt Galápagos sống gần xích đạo chỉ cao khoảng nửa mét, thuộc loại nhỏ nhất.
