Tại sao một số loài tiến hóa để thu nhỏ kích thước?

Giả thuyết quy luật hòn đảo đưa ra rằng các loài co lại hoặc phát triển kích thước lớn để lấp đầy những hốc sinh thái trên đảo mà chúng không thể tìm thấy trên đất liền.

Mở đầu

Loài tắc kè hoa nano (Brookesia nana) là một trong những ứng viên mới nhất cho danh hiệu loài bò sát và động vật có màng ối nhỏ nhất thế giới. Được tìm thấy tại một vùng núi phía bắc Madagascar, con đực của loài nhỏ bé này có kích thước thân dài 13,5 mm, có thể đứng thoải mái trên đầu ngón tay của bạn.

Đối thủ của nó là loài tắc kè lùn Jaragua (Sphaerodactylus ariasae). Những con tắc kè nhỏ cỡ đồng xu này – giống như hình ảnh chúng thường xuất hiện bên cạnh các bức chân dung của các tổng thống quá cố – có chiều dài 16 mm từ mũi đến đuôi. Chúng được phát hiện vào năm 2001 tại Isla Beata, một hòn đảo nhỏ phủ rừng ở Caribe, nằm về phía nam của Cộng hòa Dominica.

Tuy nhiên, danh hiệu nhỏ nhất thế giới khó mà trao tặng do sự khác biệt kích thước giữa các giới tính. Như Tiến sĩ Mark Scherz, một nhà sinh vật học chuyên nghiên cứu về bò sát và tiến hóa, chỉ ra trên blog của ông, con cái của tắc kè hoa nano lớn hơn đáng kể so với con đực hoặc so với con cái của tắc kè lùn Jaragua. Do đó, việc có coi loài mới này là loài có màng ối nhỏ nhất thế giới hay không phụ thuộc vào việc chúng ta định nghĩa dựa trên kích thước cơ thể của con đực hay con cái, hoặc lấy điểm giữa của hai kích thước này. Hóa ra, vấn đề này cũng khá phổ biến ở các loài khác có sự khác biệt kích thước giới tính, như ếch, Scherz viết.

Bên cạnh kích thước bé nhỏ của chúng, những loài này và các loài thu nhỏ khác còn có một điểm chung khác: Chúng sống trên các hòn đảo. Điều này có thể giải thích tại sao tiến hóa đã thúc đẩy chúng co lại trong một thế giới đầy cạnh tranh với các loài khổng lồ.

Quy luật hòn đảo

Một giả thuyết về những thử nghiệm của tiến hóa trên các hòn đảo là quy luật hòn đảo. Quy luật này nêu rõ rằng sau khi thiết lập sự hiện diện trên một hòn đảo, các loài nhỏ hơn sẽ có xu hướng tiến hóa thành những phiên bản lớn hơn của tổ tiên trên đất liền của chúng. Trong khi đó, các loài lớn hơn sẽ có xu hướng tiến hóa thành những biến thể nhỏ hơn. Quá trình này được gọi là khổng lồ hóa đảo và lùn hóa đảo, tương ứng. Chúng làm điều này để lấp đầy những hốc sinh thái có sẵn trên đảo, thường khác biệt so với hốc sinh thái mà chúng lấp đầy trên đất liền.

Quy luật này lần đầu được đề xuất bởi nhà sinh vật học tiến hóa Leigh Van Valen và dựa trên một nghiên cứu năm 1964 của nhà động vật học J. Bristol Foster – vì vậy, nó cũng được biết đến như quy luật Foster. Kể từ đó, nhiều nghiên cứu quan sát đã củng cố quy luật hòn đảo, và thậm chí có bằng chứng cho thấy các loài mới được đưa vào các hòn đảo sẽ, trong một thời gian, tiến hóa nhanh hơn để lấp đầy các hốc sinh thái sẵn có.

Chẳng hạn, một đàn chim di cư có thể nhận thấy rằng việc thiếu các loài thú và bò sát săn mồi trên đảo mở ra hốc sinh thái sống trên mặt đất mà trước đây chúng không thể chiếm giữ. Những con chim này sau đó sẽ có khả năng phát triển lớn hơn, kiếm ăn dưới các tán cây và mất đi khả năng bay.

Đây dường như là câu chuyện nguồn gốc của các loài chim không bay ở New Zealand, bao gồm moa khổng lồ, loài chim cao nhất được ghi nhận với chiều cao 6 feet. Loài động vật lớn này hưởng lợi từ kích thước to lớn của mình với ít kẻ săn mồi hơn, phạm vi kiếm ăn rộng hơn, tiếp cận nhiều loại thức ăn phong phú hơn và khả năng sinh tồn cao hơn trong các thời kỳ khó khăn. Loài này đã sống một cuộc sống thoải mái trên đảo cho đến khoảng 600 năm trước, khi con người xuất hiện và săn chúng đến tuyệt chủng.

Ngược lại, các loài lớn có thể cảm thấy cuộc sống trên đảo hạn chế hơn do ít không gian hoặc thức ăn hơn so với môi trường trên đất liền. Vì lý do này, tiến hóa có thể chọn các cơ thể nhỏ hơn, vì các cơ thể này cần ít năng lượng hơn và do đó, ít tài nguyên hơn để tồn tại và sinh sản.

Trường hợp của loài voi ma mút lùn trên đảo Channel

Đây là lý thuyết đằng sau sự thu nhỏ của loài voi ma mút lùn trên đảo Channel. Câu chuyện diễn ra khi một đàn voi ma mút Columbia trong quá trình kiếm ăn đã di cư đến siêu đảo Santaroasae. Qua thời gian, hòn đảo bị cô lập khỏi đất liền. Thức ăn trở nên khan hiếm, và những con voi ma mút nhỏ hơn dễ sống sót và sinh sản hơn, nhờ đó truyền lại các gen thu nhỏ của mình. Do thiếu kẻ săn mồi khổng lồ, sự tiến hóa này mang lại hiệu quả, và trong chưa đầy 20.000 năm, loài voi ma mút Columbia khổng lồ đã tiến hóa thành một loài mới – voi ma mút lùn cao 6,5 feet.

Để rõ ràng, quy luật hòn đảo không nêu rằng bất kỳ loài nào dạt vào bờ đều phải trở thành tí hon hay khổng lồ. Nó chỉ nêu rằng nếu một hốc sinh thái trở nên sẵn có và cải thiện khả năng sống sót và thành công trong sinh sản, thì sự thay đổi này có khả năng xảy ra.

Sự tăng trưởng bị hạn chế này có thể là nguyên nhân dẫn đến sự tiến hóa bé nhỏ của tắc kè lùn Jaragua. Loài tắc kè này ăn côn trùng nhỏ và có thể đang lấp đầy một hốc sinh thái không có sẵn ở Bắc Mỹ với nhiều loài ăn côn trùng. Thực tế, quy luật hòn đảo có thể giải thích tại sao các hòn đảo lại phong phú với các loài đặc hữu – đặc biệt là Caribe, được coi là một điểm nóng về đa dạng sinh học.

Dĩ nhiên, các quy luật khoa học chỉ là tạm thời, và các nhà khoa học sẵn sàng sửa đổi hoặc hoàn toàn bác bỏ một giả thuyết nếu có bằng chứng mới xuất hiện. Trong một lĩnh vực mới như địa sinh học, câu hỏi liệu quy luật hòn đảo có thực sự là quy luật vẫn còn là một vấn đề mở và được tranh luận sôi nổi.

Một đánh giá hệ thống đã tìm thấy bằng chứng thực nghiệm cho quy luật hòn đảo là thấp, trong khi một phân tích khác lập luận rằng quy luật này chỉ là sự công nhận một vài mô hình đặc trưng của từng nhánh. Các tác giả của phân tích sau kết luận rằng [t]hay vì một quy luật, sự tiến hóa kích thước trên các hòn đảo có thể được điều chỉnh bởi các đặc điểm sinh học và phi sinh học của các hòn đảo khác nhau, sinh học của loài đó và tính ngẫu nhiên.

Trường hợp của loài Brookesia karchei

Điều đó đưa chúng ta trở lại với loài tắc kè hoa nano mới được phát hiện. Mặc dù dường như tuân theo quy luật hòn đảo – Madagascar là một hòn đảo nổi tiếng với sự phong phú về đa dạng sinh học – nhưng có một điểm nhấn. Họ hàng gần nhất của loài này sống ngay bên cạnh. Tắc kè hoa Brookesia karchei có kích thước gần gấp đôi tắc kè nano nhưng lại sinh sống trên cùng một dãy núi ở đất liền Madagascar.

Nếu tắc kè nano tiến hóa để lấp đầy một hốc sinh thái, tại sao những áp lực môi trường tương tự không thu nhỏ kích thước của tắc kè karchei? Nếu không phải do quy luật hòn đảo, điều gì đã dẫn đến kích thước nhỏ của tắc kè nano? Như thường xảy ra trong khoa học, bằng chứng bổ sung có thể một ngày nào đó sẽ trả lời các câu hỏi này.