Tương quan cấu trúc

Phục dựng loài thằn lằn bay Quetzalcoatlus, chúng có sải cánh rất lớn để tấm thân bồ tượng của nó có thể bay lên được

Việc có sự chênh nhau giữa kích thước với trọng lượng tương quan dẫn tới một chiều hướng tương đối phổ biến trong thế giới động vật là khi chiều cao cơ thể tăng gấp 2 lần thì kích thước chi sẽ phải tăng nhiều hơn 2 lần để đảm bảo khả năng di chuyển, chạy nhảy của con vật khi chân của chúng phải nâng được tổng trọng lượng cơ thể đè lên, ví dụ về một con hổ và một con mèo có thể giải thích về tương quan này, trong khi một con hổ ở châu Á trưởng thành chỉ cao hơn một con mèo mướp từ 6-8 lần khi đứng thẳng thì xương cẳng chân của con hổ lại lớn hơn xương cẳng chân của con mèo tới 12 lần.

Có thể thấy, dù chỉ cao hơn một con mèo có 6-8 lần nhưng xương chân của một con hổ có diện tích mặt cắt gấp từ 10-12 lần xương mèo, điều này giúp con hổ có thể đi lại, chạy nhảy dễ dàng như một con mèo. So sánh xương mèo và xương hổ để thấy chỉ cần to hơn vài lần kích thước xương đã phải biến đổi nhiều lần để đảm bảo sự nhanh nhẹn, chưa kể là hệ thống cơ bắp và gân cốt hỗ trợ cho xương để trụ được áp lực của trọng lượng. Những nghiên cứu cho thấy cấu trúc xương trở nên cứng rắn và chắc chắn hơn nhiều so với kích thước của cơ thể khi mà kích thước cơ thể tăng lên[15]

Một ví dụ dễ thấy khác về tác động của trọng lượng đến xương khớp của con vật là bệnh béo phì ở thú cưng (đây là một căn bệnh thời hiện đại phổ biến trên thú cưng chứ chưa nói đến là việc đột biến và những bất thường), với tình trạng tăng trọng dẫn đến béo phì, dư mỡ hoặc thừa cân quá khổ của những con thú cưng được cho ăn, vỗ béo quá mức đã làm thân thể chúng trở nên nặng nề, mệt nhọc và từ việc dư thừa cân, quá khổ này làm phát sinh các vấn đề về xương, khớp, dây chằng do phải chịu đựng sức nặng quá tải của cơ thể dẫn đến việc gây ra khó khăn trong việc đi đứng, chạy nhảy của chúng.

Phần khớp liên kết với xương sẽ chịu thêm nhiều áp lực cho mỗi cân nặng thừa ra, áp lực này đè lên các khớp lớn hơn cũng khiến dây chằng dễ bị tổn thương, đặc biệt là dây chằng khớp gối, khiến chúng di chuyển khó nhọc hơn, ước tính có trên 24% chó mèo bị béo phì có những chứng bệnh tổng hợp về xương khớp nghiêm trọng, bao gồm viêm khớp, gai cột sống, thoát vị đĩa đệm, lệch đĩa đệm ở vật nuôi do béo phì, mở thừa tạo nên ngày càng nhiều và các biến chứng nghiêm trọng về xương khớp mỗi khi chúng di chuyển, hoạt động mà có thể gãy chân, trật khớp vì nó. Điều này cũng tương tự như những người bị béo phì, thừa cân, dư mỡ.

Một mối liên quan tương tự với sải cánh và trọng lượng của những con chim. Những con chim có trọng lượng lớn mà bay được thì chúng cũng được thiết kế với sải cách phù hợp, chẵng hạn như loài chim lớn nhất và có sải cánh rộng nhất cũng như có trọng lượng lớn nhất có thể bay từng tồn tại trên Trái Đất nay đã tuyệt chủng là loài Đại bàng khổng lồ Argentavis magnificens với trọng lượng khoảng 70 kg, gần như tương tự khi so với con người, nhưng sải cánh của nó dài tới 7 mét, tương đương với một chiếc máy bay hạng nhẹ để có thể nâng được cơ thể khổng lồ của nó lên cao. Và như vậy, những con rồng châu Âu với làn da cứng như đá trong các bộ phim chỉ là một huyền thoại do vảy dày, xương cứng, sừng nhọn và những phần cơ thể gồ ghề thì tất cả đều sẽ khiến con rồng bị kéo trĩu xuống khi bay khi chúng có đôi cánh không tương xứng.

Cấu trúc bay phù hợp nhất để có hình dạng cơ thể khổng lồ là màng cánh và loài vật bay nặng nhất trong lịch sử là loài thằn lằn bay Quetzalcoatlus sống vào cuối kỷ Creta ở Bắc Mỹ. Loài dực long mang tên Quetzlcoatlus northropi sống ở thời Phấn Trắng muộn là một trong những loài động vật bay được lớn nhất từng được biết đến, chúng có sải cánh dài khoảng 11 mét và trọng lượng 200–250 kg, gần như tương đương với trọng lượng của một con Điểu sư (Gryphon) trong truyền thuyết hay nặng tương đương một con hổ ngày nay, dư sức hạ gục một người trưởng thành, hoặc một con dê. Nhưng khi loài thằn lằn bay này đứng trên mặt đất, chúng lại cao tới 8 mét, chiều cao này gần như tương đương với loài hươu cao cổ, và điều này lại hoàn toàn không phù hợp với vẻ ngoài của sinh vật trong truyền thuyết Gryphon.

Ví dụ điển hình khác là loài báo săn, loài với tốc độ có thể đạt đến 120 km/h, chúng được thiết kế sinh học để trở thành loài có vận tốc nhanh nhất, loài vật chạy nhanh nhất trên đất liền với cấu trúc cơ thể thon gọn, mảnh mai và dáng dài, cao nhỏng cho thấy là động vật có cấu trúc thân hình gần như hoàn hảo dành cho việc đua tốc độ nước rút, những thiết kế cơ thể được tinh chỉnh cho phù hợp với tốc độ cao theo những nguyên tắc động lực học. Chúng có thân hình thon dài, phần đầu nhỏ, gọn, mõm ngắn, bụng thon, chân dài, khoẻ và lưng dài uyển chuyển giúp báo có thể đạt tốc độ tối đa. Một con báo săn trưởng thành cân nặng trung bình vào khoảng 65 kg[16] cái đuôi dài 60–84 cm (24–33 in)[17][18][19][20].

Phần xương ống của nó được thiết kế hoàn hảo, bộ khung xương của báo săn nhẹ và đặc biệt là khoảng 60% khối lượng cơ bắp định vị trên xương sống, xương sống kéo dài và chụm lại bổ sung lực giúp cho sải chân của nó rộng thêm 0,7m giúp nó đạt gần 8m trong mỗi bước chạy và chỉ cần 04 bước là đạt tốc độ tối đa khi không có vật cản, đó là bí quyết cho những sải chân thần tốc, giúp nó có thể thực hiện 01 cuộc tăng tốc ngoạn mục từ 0 đến 95 km chỉ trong vòng 03 giây[21][22][23], báo săn còn có cấu tạo với một sợi giây chằng kết nối trực tiếp cổ với cột sống cho phép nó ổn định hình ảnh quang học giúp nó ngay khi ở tốc độ cao cổ và đầu hoàn toàn ổn định di chuyển thẳng về phía trước như một mũi tên làm tăng độ chính xác khi đuổi theo con mồi.

Khác với các loài mèo khác thì các móng của báo săn không co lại được nhưng để duy trì tốc độ, con báo dựa vào bộ móng vuốt quan trọng này, với bộ móng vuốt được thiết kế để bám chặt vào nền đất giúp nó tạo ra lực kéo liên tục và tạo phạm vi di chuyển rộng nhất, nó còn đóng vai trò như đinh dày của các vận động viên điền kinh khi tạo nên một lực đẩy bổ sung, với bộ vuốt cắm trên mặt đất, khi chúng chạy sẽ hoàn toàn chạy trên bộ vuốt của mình sẽ giảm đi ma sát giữa con báo với mặt đất, giúp chúng chạy nhanh hơn để săn mồi. Dù chạy ở tốc độ cao nhưng nó vẫn có thể chuyển hướng nhanh theo động tác chuyển hướng của con mồi đó là nhờ vào cái đuôi dài 76cm, đuôi của báo dài so với cơ thể và rất khỏe, giúp nó giữ thăng bằng như cái bánh lái khi đang rượt ở tốc độ cao. Khi cơ thể được thiết kế để dành riêng cho việc tăng tốc, móng vuốt và đuôi giúp nó cân bằng và sự nhanh nhẹn để có thể chuyển hướng và với bước chân dài hơn thì nó có thể áp sát, bắt kịp con mồi nhanh nhẹn như linh dương.

Nhưng mỗi sự thích nghi để đạt tốc độ cao thì có một sự đánh đổi và hi sinh, với phần đầu nhỏ, gọn, mõm ngắn giúp nó đạt được tốc độ tối đa nhưng đổi lại sẽ là bộ hàm yếu và răng nhỏ, các móng vuốt không rút hết vào tạo nên lực đẩy và sự lanh lẹ nhưng điều này có nghĩa là nó không có một vũ khí nguy hiểm nào, con báo có thể đẩy được con mồi xuống nhưng những móng vuốt của nó lại không giữ được con mồi, nó không đủ lực để xé con mồi, răng và hàm không đủ khỏe để thực hiện được một đòn cắn hoặc mồm to để ngoạm gọn mồi. Khung xương nhẹ giúp con báo di chuyển nhanh và lanh lợi, nhưng khung xương nhỏ nghĩa là cơ thể nhỏ nên nó thường nhẹ hơn các loài săn mồi, nhẹ hơn nhiều so với các loài mèo lớn, thậm chí còn nhẹ hơn cả những con mồi. Báo săn dễ bị tổn thương vì thân hình mảnh khảnh[24], nó dựa vào tốc độ để kiếm ăn nên việc dính chấn thương sẽ làm chúng chậm đi và chết dần nên chúng luôn tránh đối đầu với các loài thú khác.

Kích thước thú săn mồi

Gấu trắng Bắc Cực là thú săn mồi có kích thước lớn nhất trên cạn

Một quy tắc chung là một con vật càng nhỏ thì sẽ càng nhanh nhẹn ví dụ có thể so sánh độ linh hoạt của con chuột nhắt với một con voi sẽ thấy rõ, hoặc những con vật nhanh nhẹn như sóc. Vấn đề tỷ lệ sinh học ảnh hưởng tới mặt khác của thế giới động vật là kích thước của các loài ăn thịt. Gấu trắng Bắc Cực là loài thú săn mồi lớn nhất trên cạn với trọng lượng 700 kg, chắc chắn đó sẽ là nỗi ác mộng cho loài vật nào chạm trán một con gấu Bắc Cực giữa vùng băng giá khi chúng đang đói. Tuy nhiên, nếu so sánh gấu trắng bắc cực với loài thú ăn cỏ trên cạn lớn nhất là voi châu Phi với trọng lượng khoảng 4 tấn thì con gấu Bắc Cực có vẻ khá nhỏ thó, hoặc như là các loài săn mồi đáng sợ nhất như sư tử, hổ, báo đều có kích thước khiêm tốn so với tê giác hay hươu cao cổ.

Điều giới hạn kích thước của các loài thú săn mồi là tương quan cơ thể và sự nhanh nhẹn. Để có thể là một loài săn mồi, yếu tố quyết định là phải nhanh, dẻo dai, linh hoạt, tốc độ. Và cách duy nhất để có được một cơ thể nhanh nhẹn đó là có vóc dáng, hình thể và cấu trúc phù hơp để đảm bảo cân bằng trọng lực và các yếu tố vật lý khác như gia tốc, động lực. Nếu một con báo săn có kích thước của con voi mà chạy bộ với tốc độ 40 km/h thì coi chắc chắn nó sẽ chết đói trên thảo nguyên trong khi cả đàn linh dương tung tăng xung quanh đầy nhanh nhẹn và thoăn thoắt. So với các loài săn mồi to xác cùng họ mèo lớn như sư tử, hổ, báo đốm thì báo săn (báo bờm) có kích thước cơ thể nhỏ nhất nhưng lại có tốc độ cao nhất.

Chính sự chọn lọc tự nhiên đã thiết kế sinh học và giới hạn khiến các loài săn mồi không thể vượt quá một kích thước nhất định. Nghiên cứu về mối liên hệ giữa kích cỡ sinh vật và vận tốc của chúng cho thấy những động vật có tốc độ chậm chạm thường thì sẽ đạt kích cỡ to lớn bất thường, hai yếu tố này sẽ bù trừ cho nhau để đảm bảo cân bằng cho tự nhiên phù hợp với các nguyên lý về động lực học. Mặt khác, khi một loài thú vượt qua kích cỡ của một con gấu Bắc Cực, chúng sẽ chỉ có duy nhất một lựa chọn để sống sót là tìm ăn ở những nguồn sống dễ kiếm hơn và không cần đuổi bắt, điều đó giải thích vì sao các loài thú có tầm vóc to lớn nhất luôn là những động vật ăn cỏ (ví dụ như voi, tê giác, hà mã, bò tót, trâu rừng, hươu cao cổ).

Những loài khủng long cở nhỏ như loài Velociraptor sẽ đi săn theo đàn và dùng vận tốc nhanh để rượt đuổi bắt con mồi như đàn sói, ngược lại với loài khủng long bạo chúa to lớn chỉ có tốc độ khoảng 27 km/h thì sẽ đơn độc rình mồi như loài hổ. Cấu tạo cơ thể của T-Rex khác xa so với các sinh vật hiện đại với chiếc đuôi lớn và cái đầu khổng lồ khiến phần lớn trọng lượng cơ thể của nó bị phân phối ra xa trọng tâm của con vật. Điều này khiến mỗi lần xoay trở, chúng phải hãm một mô men quay rất lớn nên rất khó khăn, cũng giống như những khó nhọc khi một người ôm ngang 1 tấm ván thật nặng và sau đó liên tục xoay người sang trái rồi sang phải. T-Rex phải mất tới 3 giây để quay cơ thể được 45 độ trong khi con người có thể làm điều này chỉ trong 1/3 giây. Việc xoay trở chậm chạp sẽ khiến T-Rex không thể đuổi bắt hiệu quả các con mồi nhỏ và nhanh nhẹn. Bộ hàm và kích thước cơ thể của T-Rex được các nhà cổ sinh vật học xem như một sự kết hợp hoàn hảo của sinh vật ăn xác thối chứ không phải là một loài vật săn mồi thượng thặng.

Cấu trúc cơ thể

Nhiều quá trình sinh lý và sinh hóa (chẳng hạn như nhịp tim, nhịp thở hoặc sự mắn đẻ) cho thấy sự liên quan đến tỷ lệ giữa tiết diện bề mặt và khối lượng (hoặc thể vóc, tầm vóc) của loài vật. Tỷ lệ trao đổi chất của một cá thể động vật cũng tùy thuộc vào thân hình cơ thể. Định luật Kleiber làm rõ về tỷ lệ trao đổi chất và khối lượng cơ thể là các loài có thân xác lớn hơn (ví dụ như voi) có tỷ lệ trao đổi chất theo khối lượng cụ thể thấp hơn và nhịp tim thấp hơn, so với các loài có thân hình nhỏ hơn (ví dụ như chuột nhắt). Về đặc điểm cơ sinh trắc học thì các đặc điểm cơ bắp của động vật giống nhau ở nhiều loại kích thước động vật, mặc dù kích thước và hình dạng cơ bắp có thể và thường thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện môi trường sống của chúng nhưng bản thân mô cơ vẫn duy trì đặc điểm co bóp và không thay đổi theo kích thước của con vật mà yếu tố sinh lý trong cơ sẽ ảnh hưởng đến số lượng sợi cơ và độ co bóp của cơ.

Hươu cao cổ có hình thù đặc biệt nhưng không phải là bất thường về cấu trúc

Vấn đề về trọng lượng đối với một sinh vật biết bay thực sự quan trọng, bởi nó là một trong những điều kiện quyết định loài động vật đó có phù hợp với việc bay hay không, điển hình cho việc này là loài chim. Trên không trung, ảnh hưởng sức hút của Trái Đất càng rõ ràng hơn dưới mặt đất vì không khí chỉ có một lực nâng rất nhỏ cho các sinh vật. Chỉ có giống chim nhỏ mới có thể dang cánh để bay lượn vì việc này nên đòi hỏi phải có cơ bắp ở ngực khá lớn và trọng lượng nhẹ và tương đối nhẹ. Những giống chim có thân hình đồ sộ không còn chỗ để chứa những khối cơ ngực lớn nên đà điểu, một số chim lớn ở Nam Mĩ và Úc có thân thể nặng đến nỗi không bay lên nổi, một con đà điểu trưởng thành cao từ 2-2,5m, nặng từ 70–130 kg, chúng quá nặng để cất cánh. Hoặc vịt nhà, do thuần hoá và chăm bẵm béo tốt, chúng tồ đến nỗi không bay được hoặc có bay, nhưng không bay được xa[25]

Hươu cao cổ có hình thù trông như một sinh vật kỳ dị nhưng nó là một loài động vật hoàn toàn tồn tại thực ở thế giới tự nhiên, chúng không phải là một loài động vật đặc biệt phi lý dù phân tích ở bất kỳ góc độ nào. Trọng lượng của hươu cao cổ chưa đến 1 tấn, với thể trọng như vậy thì chúng vẫn chưa thể so sánh với những loài động vật to lớn trong lịch sử sự sống, chúng chưa thể so được với voi, tê giác, hà mã thậm chí không thể so với loài vật nặng nhất trong lịch sử hiện còn sống là cá voi xanh, có thể đạt tới 180 tấn, và cũng chưa thể so được với các loài vật tiền sử như Voi ma mút từng sống có thể lớn tới trọng lượng 12 tấn, hay loài Paraceratherium có thể nặng 30 tấn. Có thể thấy, ngay cả trong số các loài động vật có vú, cân nặng của hươu cao cổ cũng không quá đặc biệt.

Còn nếu xét từ góc độ chiều cao thì có lẽ chiều cao của hươu cao cổ vẫn còn khiêm tốn, hươu cao cổ không phải là loài động vật cao nhất và cũng không phải là sinh vật có cái cổ dài nhất, hươu cao cổ thường cao từ 6 đến 8 mét, nhưng loài Paraceratherium có thể cao tới hơn 9 mét, loài này cũng có điểm tương đồng với hươu cao cổ, chúng đều là những động vật ăn lá trên tán cây nên cần phải tiến hóa để phát triển chiều cao. Còn về chiếc cổ dài của nó cũng không phải là quá bất thường vì khủng long ăn cỏ Mamenchisaurus có thân hình khổng lồ và cái cổ rất dài, chúng có thể ăn lá của các loại cây hạt trần với độ cao rất lớn, toàn cơ thể chúng dài 22 mét thì độ dài của chiếc cổ đã chiếm một nửa và dài hơn nhiều khi so với hươu cao cổ, nên cái cổ dài của hươu cao cổ hoàn toàn không phải là điều gì bất thường, có thể thấy hươu cao cổ là một loài động vật bình thường và chẳng có gì kỳ lạ trong lịch sử tiến hóa của các loài động vật trên Trái Đất.