Làm thế nào chim định hướng?

Các tế bào định hướng hoạt động như la bàn bên trong để giúp chim điều hướng trong các chuyến bay dài.

Ngoài khơi đảo Awashima, một chú chim con thuộc loài shearwater sọc hai tháng tuổi đang co mình lại với các anh chị em của nó. Thời tiết đã bắt đầu lạnh hơn. Sớm thôi, gia đình cánh trắng và nâu này sẽ di chuyển hơn 4,000 dặm qua các vùng địa hình xa lạ và đại dương mênh mông không dấu hiệu, đến khi tới Úc. Nhưng hiện tại, kỳ nghỉ phải đợi đã.

Một nhóm các nhà thần kinh học và sinh thái học từ Đại học Doshisha và Đại học Nagoya đã tiếp cận tổ của chú chim con. Họ có những câu hỏi về kế hoạch di chuyển của chú. Điều quan trọng nhất là: làm sao chú biết được mình sẽ đi đâu?

Chim dựa vào từ trường để định hướng khoảng cách xa

Đây không phải lần đầu tiên các nhà khoa học tìm kiếm câu trả lời từ các loài chim. Năm 1942, cha mẹ của William Keeton đã tặng cậu những chú bồ câu đưa thư đầu tiên cho sinh nhật thứ chín của mình. Cậu yêu quý chú chim oai vệ và bỏ qua việc nhà và bài tập để huấn luyện nó. Tuy nhiên, trong các cuộc đua, chú chim hiếm khi giành chiến thắng. Sự xấu hổ ở độ tuổi trẻ như vậy chỉ có thể đẩy một người đến một điều: trở thành nhà khoa học.

Mọi thứ diễn ra như vậy, và vào năm 1965, Keeton – lúc này là một giáo sư sinh học tại Đại học Cornell – đã buộc nam châm lên chim bồ câu. Bởi vì các nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng một số loài động vật định hướng cơ thể của chúng theo từ trường, Keeton giả thuyết rằng điều này quan trọng cho việc định hướng. Ông đã đúng. Những chú bồ câu bị phân cực trở thành những người định hướng vụng về nhất.

Trong vài thập kỷ tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã điều tra cách mà các loài chim di cư phát hiện ra từ trường. Nói chung, hầu hết các nhà khoa học bác bỏ ý tưởng rằng loài chim giấu một chiếc la bàn dưới cánh. Điều đó, dĩ nhiên, sẽ rất ngớ ngẩn. La bàn đó, hay chính xác hơn là một loại protein nhạy cảm với từ trường, được giấu trong mắt và não của chim.

Thoạt nhìn, có vẻ như câu chuyện đã kết thúc ở đây: Chim định hướng bằng từ trường, và chúng có một loại protein đặc biệt cho phép chúng phát hiện từ trường. Tuy nhiên, một câu hỏi vẫn còn đó: Làm thế nào để chim chuyển từ trường thành hướng đi? Đây là điều mà các nhà khoa học đứng sau nghiên cứu mới hy vọng chú chim shearwater sọc có thể giải đáp.

Phát hiện không đồng nghĩa với định hướng

Hãy tưởng tượng bạn làm mất điện thoại khi đang thăm một người bạn. Người bạn gọi vào điện thoại của bạn. Bạn nghe thấy tiếng chuông nhẹ nhưng không thể ngay lập tức xác định được nó đến từ đâu. Bạn nghiêng đầu một chút sang bên trái, rồi sang bên phải. Chiếc ghế sofa!

Trong trường hợp này, tai ngay lập tức phát hiện sóng âm từ điện thoại đang reo. Tuy nhiên, vị trí của điện thoại không rõ ngay lập tức. Não bộ phân tích sự khác biệt nhỏ trong từng sóng âm đến. Khi đã thu thập đủ dữ liệu, nó cung cấp một hướng: Điện thoại ở hướng phía ghế sofa. Bạn dùng thông tin này để di chuyển về phía điện thoại. Nói cách khác, có ba bước để định hướng: phát hiện một mốc (sóng âm), chỉ định hướng cho mốc đó (hướng phía ghế sofa), và quyết định di chuyển theo hướng nào (về phía ghế sofa). Chính hướng đi định hướng chuyển động của bạn, chứ không phải âm thanh của điện thoại.

Loại protein nhạy cảm với từ trường cho phép chim phát hiện một mốc (từ trường), nhưng cần phải có một cơ chế thần kinh để chỉ định hướng đi. Các nhà khoa học đã báo cáo rằng các tế bào định hướng đầu sẽ kích hoạt khi đầu của một loài động vật chỉ về một hướng nhất định (bắc, nam, đông, tây). Hơn nữa, các tế bào định hướng đầu gần đây đã được phát hiện trong pallium trung gian của chim – một vùng tương tự như hồi hải mã hoặc vùng quanh hồi hải mã của động vật có vú, cả hai đều liên quan đến việc xác định hướng.

Dựa trên những nghiên cứu trước đó, các nhà khoa học thẩm vấn chú chim shearwater sọc đã giả thuyết rằng pallium trung gian chịu trách nhiệm xác định hướng cho các trường từ.

Từ nam châm đến thiết bị thần kinh học

Để kiểm tra giả thuyết của mình, các nhà khoa học cần theo dõi hoạt động của pallium trung gian khi chim định hướng. Vì vậy, họ đã gắn một thiết bị nhẹ gọi là neurologger vào chim. Thiết bị 6 gram này ghi lại hoạt động điện sinh lý của pallium trung gian một cách không dây khi chim hoang dã khám phá.

Trong phần đầu tiên của thí nghiệm, những chú chim bị bắt cóc khám phá một chiếc lồng nhỏ, nằm cách tổ của chúng khoảng 2.5 km (~1.5 dặm) về phía tây nam. Các nhà khoa học phát hiện rằng 20% các tế bào trong pallium trung gian phát ra tín hiệu điện nhanh khi chim quay đầu về phía bắc. Nhưng khi chim quay về hướng khác, không có mẫu hoạt động nào rõ ràng.

(Trên) Các nhà nghiên cứu gắn thiết bị neurologger lên chú chim shearwater sọc và theo dõi hoạt động trong pallium trung gian khi chim khám phá một chiếc lồng. (Dưới) Trong nửa đầu thí nghiệm, lồng nằm cách tổ chim khoảng 2.5 km (~1.5 dặm) về phía tây nam, và trong nửa sau thí nghiệm, lồng nằm cách tổ 1 km (~0.6 dặm) về phía bắc. Bất kể vị trí của lồng, hoạt động vẫn cao nhất khi chim quay đầu về phía bắc.

Tổ của những chú chim con nằm về phía đông bắc của lồng, điều này có nghĩa là pallium trung gian có thể hoạt động vì chim quay đầu về hướng tổ của chúng. Vì vậy, trong phần thứ hai của thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã di chuyển những chú chim con đến một chiếc lồng mới, cách tổ của chúng 1 km (~0.6 dặm) về phía bắc. Một lần nữa, pallium trung gian lại phát ra hoạt động khi chim chỉ về phía bắc.

Tóm lại, các protein nhạy cảm với từ trường phát hiện sóng từ trường, pallium trung gian chỉ định hướng cho những sóng từ trường đó, và chim dùng những hướng này để quyết định nơi cần đến. Dĩ nhiên, điều này gợi lên một câu hỏi mới: Làm thế nào để chim sử dụng những hướng này để quyết định nơi cần đến? Câu hỏi này sẽ cần các cuộc thẩm vấn sâu hơn.