Tiến hóa thích nghi chuyển vận của động vật trên cạn

Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN ĐẶT VẤN ĐỀ Chuyển vận khả đặc trưng động vật Mỗi lồi động vật có quan chuyển vận riêng giúp vật di chuyển không gian sống chúng Các loại quan di chuyển động vật có nguồn gốc, cấu trúc hoạt động khác nhau, từ hình thành kiểu di chuyển khác thích nghi với mơi trường sống khác nhóm động vật Khi chuyển từ mơi trường nước lên cạn, thấy vật phải kéo theo trọng lượng thể lớn thể chúng nước (do khơng sức nâng Archimede khối lượng thể tích nước bị chiếm chỗ) Mặt khác tỉ trọng độ qnh khơng khí thấp nước nhiều lần nên sức cản khơng khí vật di chuyển thấp nước nhiều lần Chính mà khơng khí, động vật có tiềm di chuyển nhanh nước Mặt khác, nước mơi trường hòa tan chất khống, nước có nhiều nhóm sinh vật sống lơ lửng, nguồn thức ăn dồi cho loài động vật sống nước Do có khơng động vật hồn thành tất vòng đời nước Trái lại cạn, khơng khí môi trường phát tán, hầu hết động vật gắn với đáy (nền đất thảm thực vật) Đây nơi cư trú, kiếm ăn sinh sản chúng Từ sai khác mơi trường sống, hình dung chiều hướng thích ứng liên quan đến di chuyển động vật lên cạn hình thành quan di chuyển cải tiến quan di chuyển có theo hướng nâng thể xa dần đáy, giúp tăng tốc độ di chuyển Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN NỘI DUNG Nhằm thích ứng với mơi trường cạn, giúp động vật có khả di chuyển nhanh cứng để kiếm ăn, lẩn trốn kẻ thù…cơ quan di chuyển chúng tiến hóa theo hai hướng sau: Cải tiến quan di chuyển có Nhiều giả thuyết cho rằng, phần phụ chân khớp xuất trước chuyển lên cạn Các nhóm chân khớp cổ trùng ba thùy (xuất vào đầu kỉ Cambri, phân bố rộng rãi kỉ Cambri Ordovic, giảm kỉ Silua Devon biến vào cuối kỉ Permi) sớm có phần phụ phân đốt, trừ đơi râu có nhánh, đơi phần phụ khác có nhánh xuất phát từ gốc chung Phần phụ giúp trùng ba thùy di chuyển đáy bơi Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Về nguốn gốc, phần phụ chân khớp quan tương đồng với chi bên giun nhiều tơ, biến đổi theo hướng phân đốt thùy lưng, thùy bụng phần gốc giúp tăng khả bò đáy khả bơi, chức khởi đầu chi bên giun nhiều tơ Nếu giả thuyết hai kiểu phần phụ chân khớp (phần phụ hai nhánh phần phụ nhánh), phần phụ hai nhánh cổ hơn, có nhánh nhánh ngồi tương đồng với thùy thùy chi bên Còn kiểu phần phụ nhánh dạng tiêu giảm (hoặc tiêu giảm nhánh tiêu giảm nhánh trong) phần phụ hai nhánh (h.1) (h.2) Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Hình Sự tương đồng thùy thùy chi bên Giun nhiều tơ (A-C) với nhánh nhánh phần phụ Chân khớp (D-G) A - Nereis; B - Phyllodoce; C - Eunice; D,E - Giáp xác Calanus: D - Chân Calanus, E - Hàm Calanus; G – Gián; Thùy nhánh ngoài; Thùy nhánh trong; Sợi lưng; Sợi bụng; Mang; Gai trụ; Háng; Chuyển; Đùi; 10 Ống; 11 Bàn Tương tự với chi động vật Bốn chi, cấu trúc sở phần phụ hai nhánh Chân khớp tạo khả biến đổi thích nghi lớn với kiểu di chuyển khác nhau, kể nước sau di chuyển lên cạn, bơi, bò, đào bới (h.3) Mặt khác, phần phụ chân khớp thích ứng với chức khác ngồi di chuyển biến đổi thành quan hô hấp, quan giao phối, quan cảm giác, quan phát âm Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Hình Di chuyển nhờ phần phụ chân khớp A-D: Bò cạn đáy: A Cơn trùng; B Nhiều chân; C Tôm gõ mõ; D Cua biển E,G,L – Nhảy: E Bọ chét; G Bọ đuôi bật; L Dế mèn; H,I,K – Bơi: H Tôm; I Bọ gạo Notonecta; K Giáp xác chân kiếm; M,N – Đào hang: M Ấu trùng bọ hung; N Dế chũi Hình thành quan di chuyển a Hình thành chi Khi chuyển từ mơi trường nước lên cạn, nhiều nhóm động vật có xu hướng hình thành quan di chuyển Ở ngành động vật có dây sống quan di chuyển gồm vây bơi (động vật nước), chi (động vật cạn) số có thêm cánh (chim, dơi, bò sát bay bị tuyệt chủng) Các nghiên cứu chi động vật có dây sống tổ chức đổi từ vây chẵn cá động vật có dây sống chuyển từ nước lên cạn Điều chứng minh phương pháp so sánh cấu trúc xương vây chẵn Cá vây thùy hóa thạch với cấu trúc xương chi Bốn chi hóa thạch để lại từ kỉ Devon Carbon (thời điểm xuất Bốn chi cách từ 400 đến 340 triệu năm) Chi Bốn chi giai đoạn chưa có số ngón ổn định Sơ đồ chi năm ngón ổn định sau Giải phẫu so sánh Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN chứng minh tiềm thích ứng lớn sơ đồ cấu trúc đáp ứng chức khác đi, chạy, nhảy, đào bới, bơi (chuyển thứ sinh vào sống nước) bay Cụ thể, nhóm động vật cấu trúc xương chi trước (h.4.A-H) giữ đặc điểm cấu tạo theo kiểu chi năm ngón điển hình, thích nghi với cách chuyển vận khác mà cấu trúc chi có nhiều biến đổi cho phù hợp Hình Sự biến đổi xương chi trước (A-H) ngón chân (I-L) Bốn chi Chi bò: A – Kì giơng; B – Cá sấu; Chi Bay: C – Chim; D – Dơi; Chi bơi: E – Cá voi; Chi đào: G – Chuột chũi; Chi cầm nắm: H – Người; I – Chim: a Đà điểu Bắc phi (Struthia); b Đà điểu châu Mĩ (Rhea); c Diều ăn rắn (Sagittarius); d Chim cu châu Mĩ; K – Thú: a Tổ tiên thú; b Báo Acionyx; c Hươu Pudu; d Ngựa Equus; L – Bò sát: a Bò sát cổ Captorhinus; b Bò sát hơng thú Allosaurus; c Bò sát hơng chim Ornithomimus (Các cặp số (1-5) (I-V) ngòn tương ứng hình.) Khi so sánh phát triển xương ngón thú chim thấy số ngón tiêu giảm nhóm chạy nhanh, tức tăng tốc độ di Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN chuyển có liên quan tới việc giảm diện thích tiếp xúc chi với cứng (h.4.I-L) Ví dụ: Ở thú móng guốc cấu trúc xương chi thay đổi đáng kể: chi cao, xương ống, xương bàn xương ngón gần thẳng hàng, số lượng ngón tiêu giảm, có đốt cuối ngón có sừng bao bọc tạo thành guốc chạm đất, tốc độ di chuyển chúng nhanh Ngựa Hươu có tốc độ di chuyển nhanh Tê giác Hà mã số lượng ngón tiếp xúc với cứng Ngựa Hươu ngón hai ngón, số lượng ngón Tê giác Hà mã tiếp xúc với ba ngón bốn ngón (h.5) Hình Xương bàn chân thú móng guốc Khi chi hình thành, đai vai đai hơng chưa xuất hiện, sau xuất yếu Các Bốn chi buổi đầu phải vừa bò vừa trườn cứng, đai vai đai hông chưa đủ sức để nâng thể khỏi cứng, tốc độ di chuyển cạn động vật nhiều hạn chế Khi đai vai, đai hông xuất phát triển trở thành bước tiến việc di chuyển Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN động vật cạn, giúp vật nâng thể khỏi cứng, tốc độ di chuyển nhanh nhiều Cách di chuyển “vừa bò vừa trườn” để lại dấu vết lưỡng cư có đại, tiến dần bò sát để cuối chuyển sang tư đứng thú chim (h.6) Hình Thay đổi tư chi bò sát mặt đất (A - Kì giơng) di chuyển nâng cao thể (B - Thú nhau) tạo điều kiện cho tăng tốc độ di chuyển Có thể thấy lên cạn, để thích nghi với điều kiện mơi trường mới, giúp vật di chuyển nhanh, tìm kiếm thức ăn, trú ẩn…việc hành thành chi bước tiến quan trọng Tuy nhiên, hình thái cấu trúc chi phân hóa theo nhiều hướng khác để phù hợp với chức khác nhau, từ hình thành nên nhiều kiểu di chuyển khác nhóm động vật leo trèo, nhảy, bốn chân, hai chân, bơi…(h.7) Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Hình Di chuyển nhờ chi động vật có xương sống A – Leo treo; B – Nhảy; C – Đi hai chân chim; D – Đi hai chân linh trưởng; E – Đi bốn chân; G – Chui rúc đào hang; H - Bơi b Hình thành cánh Trong giới động vật có trùng, chim, dơi bò sát bay bị tuyệt chủng có cánh sử dụng khoảng khơng để di chuyển, số săn mồi bay Khả bay động vật tách hẳn thể khỏi cứng di chuyển, nên tốc độ bay vượt xa nhóm di chuyển cứng Tuy gọi “cánh” cánh trùng cánh nhóm động vật bốn chi khác xa cấu trúc nguồn gốc Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Ở trùng, cánh hình thành độc lập với đôi chân Chúng vốn nếp gấp bên lưng đốt ngực đốt ngực sau Quá trình hình thành cánh từ nhộng trưởng thành phát sinh cá thể bướm cho thấy nếp gấp mở rộng mỏng dần để tầng cuticun phía lưng phía bụng ép sát vào tạo thành phiến cánh (h.8) Khung nâng đỡ cánh vốn bắt nguồn từ ống khí chức hô hấp Như cánh côn trùng khởi đầu có hai đơi, giúp trùng lướt khơng trung bay vụng chỗ khớp nối với đốt ngực lớn, cánh giúp lướt nâng lên hạ xuống mặt phẳng thẳng đứng bay Trong tiến hóa theo hướng hồn khả bay thích ứng tỏa tia côn trùng, hai đôi cánh biến đổi nhiều Phần khớp cánh với đốt ngực thu nhỏ với gốc gân tinh tế giúp cánh vận động nhanh theo nhiều hướng Giữa hai đơi cánh có phân hóa chức cấu trúc Ví dụ đơi cánh trước cánh cứng chuyển sang chức bảo vệ đôi cánh sau, dấu đôi cánh sau gập phía đứng n xòe rộng để đôi cánh sau hoạt động bay; Hai cánh (ruồi, muỗi) đôi cánh sau tiêu giảm chuyển thành quan giữ thăng bằng, hoạt động bay đôi 10 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN cánh trước đảm nhiệm; số trùng cánh khơng nhu cầu bay (chấy, rận, bọ chét, bọ ăn lơng kí sinh) khơng khả bay (vài lồi trùng sống đảo thường xun có gió lớn) Do hình thái cánh đặc điểm quan trọng dùng phân loại Côn trùng (h.9) Cần lưu ý thêm cánh hình thành độc lập với ba đơi chân, xuất cánh bổ sung phương tiện vận chuyển cho côn trùng mà không xáo trộn khả di chuyển giá thể chân chúng Hình Một số hình thái cánh trùng Khác với cánh Cơn trùng, cánh chim, dơi bò sát bay cổ (đã tuyệt diệt) có nguồn gốc từ chi trước động vật Bốn chi biến đổi thành Khung xương nâng đỡ cánh giữ đặc điểm cấu trúc xương chi điển hình Bốn chi, có thay đổi nhóm (h.10) Do đơi chi trước biến đổi thành cánh nên khả di chuyển cứng chúng đôi chi sau, gây xáo trộn cách di chuyển bốn chi truyền thống Tuy nhiên nhóm khác đặc điểm cánh chi sau 11 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN khác nhằm phù hợp với đặc điểm di chuyển chúng Ví dụ chim: nhóm chạy có cánh ngắn yếu, khơng có khả bay, chúng thích nghi với tập tính chạy nhanh nên chân cao, to, khỏe, có hai ba ngón; nhóm bơi cánh biến đổi thành mái chèo, bơi giỏi, bay, chân ngắn, bốn ngón, có màng bơi, lại cứng vụng về; nhóm bay có cánh phát triển, khả bay khác nhóm, chân ngón Dơi (có thể bò sát bay) thực tế khả (di chuyển cứng), đơi chi sau (và móc bờ trước cánh) giúp chúng đu trên vách đá (h.11) 12 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Hình 11 Dơi bay đu Căn vào khả lướt đoạn ngắn từ tầng cao xuống tầng thấp tán rừng số loài thú bò sát đại, dự đốn khả lướt bước mở đầu làm xuất khả bay động vật (h.12) 13 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Hình 12 Động vật lướt khơng khí A Sóc bay; B Thằn lằn bay; C-D Cầy bay bám cành cầy bay lướt Hệ vận động Các quan chuyển vận dù hình thành hay cải tiến từ quan sẵn có khơng thể hoạt động khơng có tham gia Các phần khớp với chi động vật Bốn chi phần phụ chân khớp nhìn chung có co duỗi hoạt động, tạo linh động kì diệu phối hợp hoạt động đơn vị khớp nối Ở giun dẹt, giun vòi giun đốt, tế bào xếp thành bao gồm nhiều lớp bọc thể Khi xuất chi bên, quan chuyển vận chuyên hóa giun nhiều tơ, bao phân hóa thành chùm để vận hành chi bên (h.13B) 14 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Hình 13 Sự phân hóa thành chùm số nhóm động vật A-Cắt ngang thân giun vòi; B-Chùm vận động chi bên giun nhiều tơ; C-Chùm vận động chân móc Có móc; D-Cắt ngang thân giun tròn; E-Lớp bắp bề ngồi ngựa; G-Cơ gân người; 1-3: Cơ vận hành chi bên (giun nhiều tơ) chân móc (Có móc): Cơ bám lưng; 2,3 Cơ bám bụng; Chùm dọc; Cơ dọc; Cơ vòng Q trình phân hóa bao thành chùm bắt đầu sớm hơn, gặp giun dẹt, giun vòi giun đốt Nhằm tăng hiệu suất hoạt động bao nên bó nằm bao Mặt khác, lên cạn động vật phải kéo theo trọng lượng thể lớn nước nên đơn vị phân loại, nhóm có hệ chuyển vận phát triển có nhiều tiềm lên cạn Vắt nhóm đỉa sống cạn có chung tổ tiên với họ đỉa trâu họ có bao phân hóa thành chùm hồn chỉnh Có móc nhóm cổ giữ nhiều đặc điểm chuyển tiếp giun đốt chân khớp, nhóm thể phân hóa chùm điều khiển chi từ bao cơ, mở đầu cho bước biệt hóa xa vận động chi chân khớp (h.13C) 15 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Ngoài vận động dạng nhú lồi khới nối (gặp chi động vật có xương sống phần phụ chân khớp), nhiều nhóm động vật cạn khác chuyển vận dựa ngun lí hoạt động xương nước, vốn phổ biến động vật nước Vắt kế thừa kiểu vận chuyển sâu đo đỉa cách dùng bao dồn dịch thể vị trí thích hợp, tức điều chỉnh xương nước Cũng theo nguyên lí này, giun đất đào hang di chuyển đất, ốc bò nhờ đáy chân ốc uốn sóng (h.14) Khi lên cạn động vật có hai loại xương làm điểm tựa cho quan di chuyển hoạt động Trong xương nước giữ lại số nhóm, thường có kích thước thể bé, gắn với đất (giun đất, sán lông cạn, ốc cạn) sống nước vụn đất (giun tròn, giun bụng lông, trùng 16 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN bánh xe) Hai nhóm phát triển phong phú cạn Chân khớp Động vật có xương sống có hệ nâng đỡ thể xương cứng Tuy nhiên Chân khớp xương Động vật có xương sống xương Bộ xương cứng ngồi có lợi hạn chế riêng nhóm động vật sở hữu Bộ xương ngồi có ưu bảo vệ thể cho phép vật lớn lên sau lần lột xác Mặt khác khối lượng lớn xương ngồi hạn chế kích thước thể nhóm động vật Phần lớn chân khớp động vật có kích thước nhỏ bé, nhờ kích thước nhỏ bé mà chúng dễ khai thác vi cảnh sống đa dạng tự nhiên Do chân khớp cạn có số lồi phong phú vượt xa nhóm động vật cạn khác Bộ xương lớn lên với thể, cho phép thể có kích thước lớn (voi, hươu cao cổ, khủng long), cho phép não vượt qua ngưỡng kích thước để phát triển hoạt động hệ thần kinh cao cấp, cho phép xuất Linh trưởng lồi Người Tuy nhiên có kích thước tương đối lớn nên chúng khai thác cảnh sống lớn, số loài hạn chế nhiều so với Chân khớp 17 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN KẾT LUẬN Môi trường sống động vật có mối quan hệ lớn đến tốc độ di chuyển chúng Do tốc độ di chuyển động vật thay đổi theo trạng thái hoạt động Ví dụ Báo gấm chạy bình thường với tốc độ 90km/giờ, săn mồi lên tới 110km/giờ, cá heo Delphinus bình thường di chuyển với tốc độ 30-40km/giờ tăng tốc lên tới 64km/giờ So sánh có ý nghĩa dùng tốc độ tuyệt đối cực đại di chuyển số loài nước, cạn khơng khí Nhìn tổng thể di chuyển khơng khí đạt tốc độ lớn (hàng trăm km/giờ), di chuyển nước đạt tốc độ hàng chục km/giờ, di chuyển cạn, cứng đạt tốc độ trung gian (bảng 1) Điều phù hợp với khác đặc trưng vật lí nước khơng khí Do khác nhiều yếu tố vật lý nước khơng khí, lên cạn động vật di chuyển phải kéo theo trọng lượng thể lớn di chuyển nước (vì khơng sức nâng nước) Do đó, động vật nước có hệ chuyển vận hồn chỉnh có tiềm lên cạn lớn Mặt khác chiếm lĩnh môi trường cạn, hàm lượng oxi phong phú, độ quánh thấp sức cản thấp không khí giúp động vật cạn có tiềm di chuyển nhanh nước Sự tiến hóa thích nghi thể hai hướng khác nhau, số nhóm động vật cải tiến quan di chuyển có từ trước, nhóm khác lại hình thành quan di chuyển chi Bốn chi cánh Côn trùng Chim Dù theo hướng cấu tạo, hình thái quan di chuyển nhằm mục đích thích nghi cao với điều kiện môi trường sống, điều kiện kiếm ăn, cư trú, hình thức di chuyển khác nhóm động vật khác 18 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN Bảng Tốc độ di chuyển cực đại số động vật môi trường nước, cạn khơng khí Động vật Tốc độ di chuyển (km/h) Bơi Chạy Bay Mòng két THÚ Cá heo Delphinus Cá heo Orcinus Cá voi Sư tử biển Báo hoa Sóc Sơn dương Sư tử Hươu 64 55 48 40 Chim mò sò Thiên nga Vịt Gà gơ Cơng Sếu Mòng biển Quạ 110 98 95 80 78 70 69 65 60 50 45 40 Thỏ rừng Ngựa Ngựa vằn Chó săn Hươu cao cổ Chó sói Voi Dơi BÒ SÁT Rùa luth Cá sấu Rắn Chim cắt lao từ xuống Đại bàng lao từ xuống Én 35 13 11 CÁ 20-50 CHIM Chim cánh cụt Đà điểu Động vật Tốc độ di chuyển (km/h) Bơi Chạy Bay 120 100 90 85 84 60 50 40 40 40 Cá kiếm Cá mập xanh Cá ngừ Cá hồi Cá hồi sơng Cá chó Cá chuồn 50 90 70 70 40 37 33 90 360 CÔN TRÙNG 300 Chuồn chuồn 75 200 Bướm nắc nẻ 50 19 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Vũ Khơi, 2007 Động vật học có xương sống Nxb Giáo dục Thái Trần Bái, 2007 Động vật học không xương sống Nxb Giáo dục Thái Trần Bái, 2012 Giáo trình hoạt động sống tiến hóa hệ quan động vật Nxb Giáo dục Việt Nam Thái Trần Bái, 2015 Tiến hóa thích nghi động vật nước, cạn kí sinh Nxb Đại học sư phạm 20 Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ NỘI DUNG Cải tiến quan di chuyển có 2 Hình thành quan di chuyển .4 Hệ vận động 12 KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 21 ... trường cạn, hàm lượng oxi phong phú, độ quánh thấp sức cản thấp khơng khí giúp động vật cạn có tiềm di chuyển nhanh nước Sự tiến hóa thích nghi thể hai hướng khác nhau, số nhóm động vật cải tiến. .. di chuyển cạn động vật nhiều hạn chế Khi đai vai, đai hông xuất phát triển trở thành bước tiến việc di chuyển Vũ Thị Thúy Khoa sinh - KTNN động vật cạn, giúp vật nâng thể khỏi cứng, tốc độ di chuyển. .. khớp), nhiều nhóm động vật cạn khác chuyển vận dựa nguyên lí hoạt động xương nước, vốn phổ biến động vật nước Vắt kế thừa kiểu vận chuyển sâu đo đỉa cách dùng bao dồn dịch thể vị trí thích hợp, tức