Cái lưỡi định hình sự sống 

Trải qua 350 triệu năm tiến hóa, lưỡi của các sinh vật với vô số hình thái khác nhau góp phần tạo ra các ổ sinh thái mới và thúc đẩy sự đa dạng sinh học.

Tiền vệ Patrick Mahomes, người hai lần dẫn dắt đội Kansas City Chiefs vô địch giải Super Bowl, được người hâm mộ thích thú không chỉ bởi những pha ném bóng tuyệt vời mà còn bởi một điều thú vị khác, các lưỡi của anh. Hệt như ngôi sao bóng rổ Michael Jordal khi lao lên ném bóng hay người chơi phi tiêu khi đang nhắm vào hồng tâm, Mahomes lè lưỡi mỗi khi vượt lên để chuyền bóng. Theo một số nhà khoa học, đó không chỉ là một trò đùa ngớ ngẩn: hành động lè lưỡi có thể giúp cải thiện độ chính xác của các cử động tay.

Chúng ta hiếm khi nghĩ đến việc lưỡi của mình cần phải linh hoạt như thế nào để phát âm hoặc tránh bị cắn khi nhai. Tưởng chừng tầm thường, nhưng lưỡi có vai trò vô cùng quan trọng đối với sự sống của động vật, bởi nếu không có lưỡi, có lẽ hiếm loài động vật có xương sống trên cạn nào có thể tồn tại. Tổ tiên ban đầu của chúng trườn lên khỏi mặt nước khoảng 400 triệu năm trước để tìm đến một ‘bữa tiệc buffet’ với nhiều loại thực phẩm mới, nhưng cần có lưỡi để nếm thử. Phạm vi thức ăn dành cho động vật được mở rộng khi lưỡi tiến hóa đa dạng thành các dạng mới, chuyên biệt hóa — và cuối cùng đảm nhận thêm các chức năng ngoài việc ăn uống. 

Sự đa dạng hình thái đáng kinh ngạc của lưỡi các động vật có xương sống – đảm nhiệm đủ mọi chức năng ăn, nói,  hôn – tạo nên sự thích nghi gần như không thể tin nổi. Việc quản lý các chức năng này đã thúc đẩy khả năng của não bộ, khiến con người không chỉ thực hiện được các đường chuyền qua khu vực cấm địa trong thể thao mà có thể thêm cả tư duy ứng biến, bởi nó liên quan đến một vùng điều khiển trong não bộ – tác động tới cả cử động tay và lưỡi.

Nhưng làm thế nào mà lưỡi xuất hiện “là một trong những bí ẩn lớn nhất trong lịch sử tiến hóa”. 

Giống như các mô mềm khác, chúng ta hiếm khi tìm thấy lưỡi ở dạng hóa thạch. Vì lưỡi nằm trong khoang miệng nên không dễ quan sát từ bề mặt. Tuy nhiên, trong khoảng 10 năm qua, các công nghệ mới đã có thể theo dõi hoạt động của lưỡi ở các nhóm động vật khác nhau, giúp mang lại những hiểu biết mới về con đường tiến hóa của lưỡi và cách mà các đặc tính chuyên biệt hóa của từng loại càng thúc đẩy sự đa dạng sinh học. Khi càng tìm hiểu nhiều, họ càng thấy rằng “lưỡi thực sự rất kỳ diệu”.

Về định nghĩa, thật khó biết chính xác thế nào là cái lưỡi. Mặc dù các cấu trúc dạng lưỡi tồn tại ở hầu hết các loài động vật có xương sống, từ cá mút đá đến động vật có vú, nhưng không có định nghĩa rõ ràng về cái lưỡi thực sự. Chúng ta có xu hướng nghĩ rằng lưỡi mềm mại, cơ bắp và linh hoạt – giống như lưỡi của chúng ta. Lưỡi người là một máy thủy tĩnh bằng cơ bắp, giống như một quả bóng nước, duy trì cùng một thể tích trong khi biến đổi hình dạng. Vì vậy, khi cầu thủ Mahomes thè lưỡi ra, nó sẽ mỏng hơn so với khi chụm lại trong miệng; điều này cũng đúng với hươu cao cổ khi thè cái lưỡi màu tím có thể dài đến 46 cm để ngoạm những chiếc lá từ cành cây có gai.

Nhưng những trường hợp bí ẩn hơn tồn tại ở những nơi khác trong thế giới động vật. Một cơ quan trong vòm miệng của các loài cá như cá chẽm, cá chép và cá da trơn cũng có thể là một bó cơ, nhưng các nhà sinh vật học vẫn còn tranh cãi về việc liệu có nên coi nó là lưỡi hay không. Thay vì ở đáy của khoang miệng, nó lại nằm phía trên. Và mặc dù có nhiều ý kiến, nhưng không ai thực sự biết chức năng của cơ quan này.

Đó là vì cá không cần lưỡi như con người để nuốt thức ăn. Chúng hút thức ăn bằng cách há hàm, mở rộng cổ họng và bơm nước qua các khe mang để tạo ra dòng chảy cuốn theo thức ăn.

Tuy nhiên, chỉ cần ló đầu ra khỏi mặt nước, cách hút thức ăn này không còn hữu dụng. Sau khi những sinh vật từ biển di cư vào đất liền, chúng cần tìm ra cách thức mới, vì mật độ của không khí không đủ đậm đặc như nước để cuốn theo thức ăn vào thực quản. Dấu vết của một cách thức mới đã hiện diện trong giải phẫu cơ thể loài cá: một loạt các xương cong được gọi là vòm nhánh (branchial arches) kèm các cơ hỗ trợ. Ở cá, các vòm nhánh tạo thành hàm, xương móng nâng đỡ mặt sau hàm, chúng hợp lại tạo thành cổ họng và các khe mang. Khi cá ăn, các cơ hỗ trợ các cấu trúc này tạo ra lực hút bằng cách cử động xương móng và mở rộng các khe mang để hút nước vào và cuốn theo con mồi.

Nhà sinh học tiến hóa Kurt Schwenk tại Đại học Connecticut và Sam Van Wassenbergh, nhà khoa học về hình thái chức năng tại Đại học Antwerp, cho rằng ở những động vật có xương sống trên cạn sơ khai, các vòm nhánh và các cơ liên quan bắt đầu thay đổi để tạo thành một “lưỡi nguyên thủy”, có lẽ như một đệm cơ bám vào xương móng. Theo thời gian, đệm cơ dài hơn và dễ điều khiển hơn, trở nên thành thạo hơn trong việc tóm và xoay trở con mồi (xem hình).

Thuở bình minh của cái lưỡi

Cho phép động vật ăn mà không cần hút, sự tiến hóa của lưỡi vào khoảng 350 triệu năm trước là chìa khóa giúp động vật có xương sống tách khỏi biển và sống hẳn trên đất liền. Các cấu trúc xương ban đầu được sử dụng để mở các khe mang phải phát triển thành xương nâng đỡ lưỡi và hỗ trợ chuyển động của nó.

Dựa vào thực nghiệm trên loài sa giông (cá cóc, Pleurodelinae), Schwarz cho rằng một cái lưỡi nguyên mẫu đã hoạt động ngay cả trước khi chuyển sang đất liền. Giống như các loài kỳ giông khác, sa giông sống dưới nước khi còn nhỏ nhưng chủ yếu sống trên cạn khi trưởng thành. Sự biến đổi của chúng kèm theo sự thay đổi trong chiến lược kiếm ăn có thể tương hợp với sự di cư từ đại dương lên đất liền đã xảy ra hàng trăm triệu năm trước. Và nó nắm giữ manh mối về những thay đổi đó có thể đã diễn ra như thế nào.

Schwarz và nhóm của ông đã phát hiện ra rằng trước khi trưởng thành, cơ thể sa giông phát triển một phần phụ giống như lưỡi để ép thức ăn vào những cái “răng” sắc nhọn như kim trên vòm miệng. Phát hiện mà ông và các đồng nghiệp của mình đã công bố vào năm 2020, cho thấy cấu trúc dạng lưỡi có thể đã giúp động vật bốn chân sơ khai kiếm ăn, ngay cả trước khi chúng di cư hẳn vào đất liền.

Nhu cầu về thức ăn có thể đã thúc đẩy sự xuất hiện của lưỡi, nhưng chọn lọc tự nhiên sau đó đã điều chỉnh nó thích ứng cho vô số mục đích khác, đôi khi tạo ra “những chức năng chuyên biệt thật sự điên rồ,” Schwenk nói. Ví dụ, kỳ giông Hydromantes có thể bung cái lưỡi dính để tóm lấy côn trùng hoặc các loài động vật chân đốt nhỏ khác, phóng toàn bộ xương cổ họng ra khỏi miệng. Khả năng này đòi hỏi phải tái cấu trúc các cơ cổ họng, với một bộ lưu trữ năng lượng đàn hồi có thể được giải phóng ngay lập tức để bung lưỡi ra và một bộ khác cuộn lưỡi vào lại.

Các loài kỳ giông khác, ít nhất 7600 con ếch và cóc, cũng như tắc kè hoa và các loài thằn lằn khác đã tiến hóa độc lập với nhau các cách thức săn mồi “đạn đạo” nhanh chóng như thế này. Chẳng hạn, tắc kè hoa phóng lưỡi với tốc độ gần 5 mét mỗi giây, bắt dế trong chưa đầy 1/10 giây.

Phương pháp săn mồi này yêu cầu sự thích nghi của bề mặt lưỡi và lớp nhầy bao phủ lưỡi. Các nhú tiết ra lượng nước bọt dồi dào giúp lưỡi trở nên siêu dính, giúp chúng có thể tóm được con mồi nặng hơn 50% trọng lượng cơ thể. Các nhú có nước bọt bao phủ hoạt động giống như những ngón tay dính nhỏ xíu để giúp giữ chặt con mồi. 

Trong khi lưỡi của nhiều loài ếch và thằn lằn đã được biến đổi để bắt con mồi và kéo nó vào họng, thì thay vào đó, lưỡi rắn lại tiến hóa để mang lại khứu giác tinh tế, một sự thích nghi cho phép rắn phát hiện và rình bắt con mồi ở xa hoặc ẩn nấp. Sự khác biệt về nồng độ chất có mùi được cảm nhận bởi hai nhánh của cái lưỡi chẻ đôi của con rắn giúp nó tập trung vào con mồi nó không thể nhìn thấy. Đúng như hình thái của nó, lưỡi rắn rất linh hoạt. Schwenk và học trò cũ, William Ryerson, đã phát hiện những con rắn theo dấu con mồi cả trong nước và trên không, như loài rắn nước phương Bắc Nerodia sipedon điều chỉnh chuyển động của lưỡi tùy thuộc vào vị trí đầu của nó đang ở dưới nước, tên mặt đất hay trên không. Nó dường như đảo nhẹ cái lưỡi đang thè ra để tối ưu hóa việc thu thập các phân tử mùi trong các điều kiện khác nhau. 

Sau khi nghiên cứu hình thái, sinh lý học và cử động lưỡi của hàng chục loài bò sát, các nhà khoa học  kinh ngạc trước mức độ thông tin mà cái lưỡi tiết lộ về lối sống của động vật.

Sự tiến hóa của lưỡi giúp các loài bò sát và lưỡng cư bắt được con mồi là động vật, nhưng ở loài chim, một số cách thích nghi kỳ lạ nhất của lưỡi phản ánh sở thích ăn thực vật. Hầu hết lưỡi gia cầm là một mảnh cứng bằng chất sừng hoặc xương, kèm một ít mô cơ hoặc các mô khác. Chúng chỉ như một ‘băng chuyền’ thức ăn từ trước ra sau. Nhưng có những trường hợp ngoại lệ, đáng chú ý nhất là chim ruồi và các loài chim ăn mật hoa khác. Lưỡi có lẽ là thành phần quan trọng nhất để hút mật hoa ở chim.

Mật hoa giàu năng lượng và dễ tìm. Nhưng mỗi bông hoa chỉ cung cấp một giọt mật rất nhỏ, thường được nằm sâu bên trong một cuống hoa dài và hẹp. Nhiều loài chim ruồi ăn mật hoa, chim hút mật và các nhóm chim không liên quan khác đối phó với những hạn chế này bằng cách trở nên nhỏ bé – thường dưới 20 gram – kèm mỏ thon dài và cái lưỡi được chuyên biệt hóa cao.

Các nhà nghiên cứu từng cho rằng những con chim này dựa vào hiệu ứng mao dẫn – xu hướng chất lỏng chảy lên một ống hẹp – để hút mật hoa, như loài Certhionyx variegatus mà sinh viên Amanda Hewes cùng các cộng tác viên của của Rico-Guevara đã phát hiện. Ở loài này, lưỡi có một đầu giống như cọ vẽ để lấy mật rồi dẫn qua các rãnh chạy dọc theo chiều dài của lưỡi.

Nhưng đối với những con chim ruồi, vốn thè lưỡi 15 lần mỗi giây khi hút từng bông hoa và nhanh chóng di chuyển, hiệu ứng mao dẫn không đủ nhanh, Rico-Guevara cho biết. Nhóm của ông đã quay các video tốc độ cao khi chim ruồi Anna Calypte anna, chim ruồi cổ trắng Florisuga mellivora, chim ruồi tai tím Colibri coruscans, chim ruồi lễ hội Lophornis chalybeus và những loài chim ruồi khác tìm đến trong những bông hoa nhân tạo trong suốt chứa đầy mật hoa tổng hợp. Các thước phim tiết lộ rằng lưỡi của chim ruồi hoạt động giống như một máy bơm nhỏ.

Hai rãnh chạy từ đầu lưỡi đến khoảng giữa cuống lưỡi có dày đặc diềm tua để giữ chất lỏng. Đầu mỏ linh hoạt của chim đóng lại, vắt mật hoa đang bám ở các diềm tua vào bên trong, sau đó, phần gốc mỏ mở ra để mật hoa di chuyển tiếp vào miệng. Nhóm của Rico-Guevara đã công bố nghiên cứu của họ trên Journal of Experimental Biology vào ngày 3/4 vừa qua.

Kể từ khi tiến hóa cách đây 22 triệu năm, chim ruồi đã ảnh hưởng đến lượng mật hoa mà đối tác thực vật của chúng tạo ra cũng như độ sâu của cuống hoa, và điều này sau đó đã ảnh hưởng ngược lại sự tiến hóa về độ dài của mỏ chim ruồi, và sự hăm hở độc chiếm nguồn mật hoa bằng cách cạnh tranh với các đối thủ, cũng như các đặc điểm khác. Đó là quá trình tiến hóa đồng điệu của chim với hoa – thông qua trung gian là lưỡi của chúng. 

Sự khéo léo của lưỡi liên quan tới tư duy 

Tuy nhiên, ở động vật có vú, lưỡi mới thể hiện được tính linh hoạt tối đa mà nó đạt đến. Lưỡi của động vật có vú đã phát triển thành một mạng lưới gồm các sợi cơ có khả năng di chuyển theo những cách phức tạp ngay cả khi không có xương, gân hoặc khớp. Nó góp phần vào cử động bú ở hầu hết các loài, giúp điều hòa thân nhiệt ở một số loài (như con chó thở hổn hển để thoát nhiệt) và thậm chí đảm nhận các nhiệm vụ chuyên biệt hơn ở một số loài, chẳng hạn như tạo ra âm thanh được sử dụng để định vị bằng tiếng vang ở loài dơi hoặc thành lời nói của con người. Và nó có các ‘nụ vị giác’ để hướng dẫn việc ăn uống ở tất cả các loài này. Lưỡi của hầu hết các loài động vật có vú thực sự là tuyệt tác của tạo hóa, như một công cụ đa năng nhưng ít được chú ý nghiên cứu vì nó khó tiếp cận hơn so với các bộ phận lộ ra bên ngoài của động vật.

Chức năng quan trọng nhất của lưỡi ở động vật có vú là định vị thức ăn để nhai và nuốt. Tùy thuộc vào loài, điều này có thể có nghĩa là chuyển thức ăn từ bên này sang bên kia trong mỗi lần cắn hoặc chỉ giữ nó ở một bên, trong khi bản thân lưỡi vẫn an toàn tránh xa răng đang nhai. Sau đó, cùng với nước bọt cũng được lưỡi hỗ trợ tiết ra, lưỡi sẽ tạo hình thức ăn đã nghiền thành một khối tròn có thể dễ dàng đưa xuống cổ họng. Cuối cùng, nó đẩy viên thức ăn ra thành sau họng để nuốt vào, đảm bảo nó không lọt vào đường thở (ở người, thực quản nằm phía sau khí quản). Theo một nghĩa nào đó, cái lưỡi đã trở thành “tay của miệng”.

Quy trình này cho phép động vật có vú tiêu hóa thức ăn nhanh và hiệu quả hơn, vì vậy chúng nhận được nhiều dinh dưỡng hơn từ chế độ ăn so với hầu hết các loài động vật khác. Phần thưởng đó đã thúc đẩy những tiến bộ khác, chẳng hạn như tốc độ và hoạt động trao đổi chất cao, thời gian mang thai kéo dài và bộ não lớn. Thật vậy, Callum Ross, nhà nghiên cứu cơ chế sinh học và sinh học thần kinh tại Đại học Chicago, coi nguồn gốc của khả năng nhai nhờ sự phát triển của lưỡi là một trong ba bước chuyển biến quan trọng của quá trình tiến hóa, hai dấu mốc còn lại sự di cư từ biển lên cạn và nguồn gốc của lời nói của con người.

Cho đến gần đây, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể quan sát chi tiết về cách lưỡi điều khiển thức ăn vì bị che khuất bởi môi, má và răng. Các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật mới gọi là tái tạo hình thái chuyển động bằng tia X (XROMM), ghi lại quá trình chuyển động của các hạt được cấy ghép vào lưỡi bằng phẫu thuật và chuyển kết quả thành hoạt ảnh 3D.

Trong các thí nghiệm trên khỉ và thú có túi Opossum, các máy ảnh ghi lại đồng thời hình ảnh từ các góc độ khác nhau khi động vật ăn hoặc uống, và hình ảnh động được tái tạo lại cho phép các nhà nghiên cứu xem lưỡi di chuyển như thế nào so với hàm và răng. Chúng tôi có thể thấy các đặc điểm của chuyển động hoàn toàn bị che giấu. Bằng cách so sánh các chuyển động của lưỡi ở các loài khác nhau, các nhà nghiên cứu hy vọng tìm hiểu xem sự chuyên biệt hóa của lưỡi có thể đã góp phần như thế nào vào sự tiến hóa của lối sống và sở thích ăn uống của mỗi loài động vật.

Gần đây hơn, Laurence-Chasen, nhà sinh học tại phòng Thí nghiệm Năng lượng tái tại Quốc gia và Ross đã kết hợp với Nicho Hatsopoulos từ Chicago và nhà sinh học thần kinh Fritzie Arce-McShane từ UW để phân tích XROMM kèm theo các bản ghi hoạt động thần kinh ở khỉ. Họ hy vọng những nghiên cứu như vậy sẽ tiết lộ cách thức bộ não điều phối các chuyển động phức tạp của lưỡi liên quan đến các hoạt động ăn, uống, thậm chí phát âm.

Trong một thí nghiệm, một dãy điện cực theo dõi một vùng vỏ não có kích thước bằng đồng xu nằm phía sau thái dương khi những con khỉ nhai trái nho. Vùng này chứa các neuron cảm giác thu nhận tín hiệu từ lưỡi và miệng lẫn các neuron vận động phát tín hiệu để kiểm soát chuyển động của lưỡi. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng kiểu kích hoạt của các tế bào thần kinh vận động đã dự đoán chính xác sự thay đổi hình dạng của lưỡi, kết quả sẽ sớm được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Nghiên cứu này đã đảo ngược quan niệm phổ biến lâu nay cho rằng hoạt động nhai, giống như đi bộ, chủ yếu nằm dưới sự kiểm soát của thân não. Laurence-Chasen giải thích về sự tham gia tích cực của vỏ não đảm bảo lưỡi “có khả năng biến dạng phức tạp, phi đối xứng” để điều chỉnh tức thì khi ăn kẹo dẻo, bít tết, thậm chí là sữa lắc.

Whishaw tự hỏi liệu sự khéo léo của lưỡi con người có thể giúp mở đường cho khả năng kiểm soát tốt đôi tay và thậm chí cả tâm trí của chúng ta hay không. Sự tò mò của ông được khơi dậy bởi một phát hiện bất ngờ cách đây vài năm. Nhóm của ông đã dạy những con chuột sử dụng bàn chân thay vì miệng để nhặt trái cây. Họ nhận thấy rằng một số con vật lè lưỡi khi chúng chạm bằng bàn chân, trong một báo cáo hồi năm 2018.

Trong các nghiên cứu tiếp theo vẫn chưa được công bố, Whishaw và nhà sinh học thần kinh Xu An tại Đại học Duke cùng các đồng nghiệp đã xác định được cái mà họ gọi là vùng “điều khiển bằng tay – oromanual” của vỏ não chuột, một khu vực chưa được khám phá trước đây, có tác dụng kiểm soát cả tay và lưỡi. Whishaw cho rằng một vùng não tương tự cũng tồn tại ở người và có thể giúp giải thích tại sao rất nhiều người huơ tay khi nói chuyện, tại sao trẻ con tuổi học viết thường uốn lưỡi khi ngón tay đang nguệch ngoạc từng chữ cái – một hiện tượng được Charles Darwin ghi nhận – và thậm chí tại sao Mahomes lè lưỡi trước mỗi pha chuyền bóng. Ông nghi ngờ rằng nhiều người sẽ cử động lưỡi khi họ chuẩn bị sử dụng tay—nhưng vì miệng của họ luôn ngậm nên tay trở nên kém chuẩn xác.

Một vùng não chung cho bàn tay và lưỡi khiến sự tiến hóa trở nên dễ hiểu. Ở những loài động vật trên cạn sơ khai, một chiếc lưỡi khéo léo là điều thiết yếu để kiếm ăn; sau này, khi một số loài động vật bắt đầu lấy thức ăn bằng các chi của chúng, quá trình tiến hóa có thể đã tạo ra cùng một mạch tín hiệu não hướng dẫn lưỡi phối hợp với các chuyển động của tay. Ông suy đoán rằng những hành vi thậm chí phức tạp hơn – chẳng hạn như suy nghĩ – có thể khởi sinh từ năng lực của não bộ vốn ban đầu phát triển để điều phối lưỡi. “Lưỡi có thể là trung tâm của [bản chất] nhân loại, dù điều đó có vẻ điên rồ đến đâu”.□

Cao Hồng Chiến lược dịch 

Nguồn bài và ảnh: https://www.science.org/content/article/how-tongue-shaped-life-on-earth