Định luật bình phương - lập phương: Kích thước tối đa của động vật

Động vật lớn nhất từng bước đi trên cạn có khả năng là khủng long Argentinosaurus sống cách đây khoảng 90 triệu năm vào cuối Kỷ Phấn trắng. Chúng có kích thước khổng lồ với khối lượng lên tới 70 tấn. Để so sánh, loài động vật nặng nhất trên đất liền hiện nay là voi châu Phi (Loxodonta), nặng chưa đến 6 tấn. Tuy nhiên, cả hai đều rất nhỏ bé khi so sánh với cá voi xanh (Balaenoptera musculus) với khối lượng trung bình 150 tấn. Sinh vật dưới biển này là loài nặng nhất mà con người biết đến trên Trái đất.

Nhưng động vật có thể lớn tới mức nào? Liệu có giới hạn về kích thước tối đa mà động vật có thể đạt được hay không?

“Chúng tôi quan sát cá voi xanh và tự hỏi liệu có loài động vật nào lớn hơn nó không”, Geerat Vermeij, giáo sư về cổ sinh vật học tại Đại học California, Davis (Mỹ), cho biết. “Tôi không chắc chắn về câu trả lời, bởi vì kích thước của động vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố”.

Tuy nhiên về mặt lý thuyết, có một giới hạn dựa trên các định luật vật lý. Đó là mức khối lượng 109 tấn đối với động vật sống trên cạn, theo Felisa Smith, giáo sư cổ sinh vật học tại Đại học New Mexico (Mỹ). “Để to lớn hơn thế, đôi chân của các loài động vật trên cạn phải đủ rộng để chống đỡ cơ thể, khiến chúng không thể di chuyển một cách hiệu quả”, Smith nhận định.

Smith đang đề cập đến định luật bình phương – lập phương, một nguyên lý toán học được nhà bác học Galileo Galilei mô tả lần đầu tiên với nội dung “tỷ lệ giữa hai thể tích lớn hơn tỷ lệ diện tích bề mặt của chúng”. Nói cách khác, khi một con vật tăng kích thước, thể tích của nó sẽ tăng nhanh hơn diện tích bề mặt. Vì vậy những con vật lớn cần các chân to hơn nhiều để nâng đỡ trọng lượng của chúng. Nếu chúng ta phóng to độ lớn của con voi lên vài lần thì con vật sẽ ngã quỵ. Bởi vì theo định luật bình phương – lập phương, khối lượng của nó sẽ tăng lên theo lũy thừa ba, trong khi kích thước các chân chỉ tăng theo lũy thừa hai.

Cách duy nhất để con voi khổng lồ trong trí tưởng tượng của chúng ta có thể vượt qua giới hạn này là nó sở hữu đôi chân lớn một cách bất thường, không cân xứng với tỷ lệ của cơ thể. Nhưng ở mức khối lượng khoảng 120 tấn, các chân cần thiết để giữ cho con voi khổng lồ đứng vững sẽ trở nên cồng kềnh đến mức phi thực tế.

“Những loài động vật trên cạn lớn nhất trong hồ sơ hóa thạch đều nặng dưới 90 tấn, góp phần chứng minh giới hạn tối đa đối với kích thước cơ thể động vật về mặt lý thuyết. Tuy nhiên, tôi không rõ liệu thế giới tự nhiên có thể tạo ra các con vật lớn hơn hay không”, Smith cho biết.

Các định luật vật lý và toán học không phải là rào cản duy nhất đối với kích thước của động vật. Nguồn tài nguyên sẵn có cũng là một yếu tố quan trọng. “Động vật sống trong mội trường giàu dưỡng chất, với các loại thực phẩm chất lượng cao có thể đạt kích thước cơ thể tối đa lớn hơn”, Jordan Okie, nhà sinh vật học tại Đại học Arizona (Mỹ), cho biết. “Điều này là do môi trường sống thuận lợi hỗ trợ tốt hơn cho sự sinh sản và phát triển của sinh vật”.

Nhu cầu về chất dinh dưỡng cũng giải thích tại sao động vật bò sát – chẳng hạn như khủng long titanosaur – phát triển lớn hơn nhiều so với các loài động vật có vú lớn nhất trên cạn. Bởi vì động vật có vú [động vật máu nóng] có quá trình trao đổi chất nhanh hơn nên chúng cần lượng thức ăn gấp khoảng 10 lần để hỗ trợ một kích thước cơ thể tương tự so với động vật bò sát, Smith giải thích. Ngược lại, động vật bò sát có nhiệt độ cơ thể thấp hơn và quá trình trao đổi chất khá chậm, vì vậy chúng ăn ít hơn và có thể phát triển bình thường với mức calo khiến động vật có vú chết đói.

“Không có gì bất ngờ khi những con khủng long titanosaur lớn nhất trên cạn có kích thước cơ thể gấp khoảng 10 lần so với các loài động vật có vú lớn nhất”, Smith nói.

Cá voi xanh – loài động vật có vú, máu nóng, khối lượng lên tới 150 tấn – dường như là trường hợp ngoại lệ đối với các quy tắc trên. Môi trường sống đặc biệt của cá voi xanh giải thích tại sao chúng có kích thước lớn và cơ thể khổng lồ. Ở đại dương, chúng có thể tận dụng khả năng nổi trong nước để tăng kích thước mà không làm biến dạng cơ và xương, cũng như phát triển theo hướng có thể khiến cho chân của động vật trên cạn bị gãy vụn. Hơn nữa, chúng có hàng nghìn km đại dương rộng bao la để tùy ý sử dụng, nơi chúng tự do di chuyển và tìm kiếm thức ăn.

“Kích thước của động vật sống dưới nước dường như ít bị giới hạn bởi các ràng buộc về cơ sinh học (biomechanical constraint) so với động vật sống trên cạn. Đại dương cũng cung cấp nguồn tài nguyên phong phú, giàu chất dinh dưỡng cho những loài sinh vật biển di chuyển linh hoạt”, Okie cho biết. “Đặc biệt, sự phát triển và tiến hóa của tấm sừng hàm cho phép cá voi săn bắt động vật phù du một cách hiệu quả để duy trì kích thước khổng lồ của chúng”.

Nhìn chung, Trái đất có nhiều môi trường thuận lợi để các loài động vật khổng lồ phát triển. Trong suốt hàng trăm triệu năm, những động vật siêu lớn đã sinh sống ở khắp mọi nơi. Tuy nhiên, trong khoảng 20.000 năm qua – một khoảng thời gian rất ngắn so với lịch sử tiến hóa – chúng gần như đã biến mất, theo nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Oxford (Anh) được công bố trên Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ (PNAS) vào tháng 12/2015. Các loài động vật có vú lớn trên cạn như voi và tê giác đang suy giảm, chỉ tồn tại ở một số khu vực cụ thể trên thế giới. Nhiều nhóm động vật cỡ lớn ở biển, chẳng hạn như cá voi, liên tục đứng trước nguy cơ bị tuyệt chủng. Vậy tất cả những sinh vật khổng lồ đã đi đâu?

“Con người đã tiêu diệt hầu hết chúng”, Vermeij cho biết. “Chúng ta đã loại bỏ 90% các loài như voi ma mút, bò rừng bison và nhiều động vật ăn thịt lớn khác. Tỷ lệ này thực tế có thể còn cao hơn”.

Con người cũng là trở ngại chính cho sự phục hồi của các loài động vật lớn.

“Cho đến nay, con người là sinh vật chiếm ưu thế và không có loài động vật nào có thể trở nên to lớn hơn trong thời đại của chúng ta, một phần là do hoạt động săn bắt trái phép và con người ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống của các loài khác. Khả năng để một loài nào đó có kích thước to lớn như khủng long sống ở Kỷ Phấn trắng xuất hiện trong tương lai là rất thấp”, Vermeij nhận định.