Tại sao cá voi đuôi đập lên xuống, trong khi cá mập lại đuôi lắc sang hai bên?

Tại sao mặc dù là sinh vật biển, nhưng cá voi có hình dáng lớn mạnh lại bơi bằng cách đập đuôi lên xuống, trong khi cá mập và nhiều loài cá khác lại đuôi lắc sang hai bên theo chiều ngang?

Cá voi, cá heo và cá mập là những loài động vật biển có kích thước khá lớn, khi nhìn từ xa, chúng có vẻ khá giống nhau, vậy làm thế nào để biết được đó là một con cá mập trắng hung dữ hay là một con cá heo ngoan ngoãn? Để có thể phân biệt được điều này, hầu hết mọi người đều dựa theo cách bơi và hình dáng vây đuôi của chúng, nếu đuôi thẳng đứng thì đó là một con cá mập, còn vây đuôi nằm ngang thì chắc chắn đó là một con cá heo. Tương tự, khi các nhiếp ảnh gia chụp ảnh từ trên không họ sẽ phân biệt được đó là một con cá mập nếu thân thân hình của chúng bơi lắc liên tục sang bai bên còn nếu vẫy từ trên xuống dưới thì đó là cá heo hoặc cá voi. Vậy tại sao đều là sinh vật biển, chúng lại có cách bơi khác biệt như vậy?

Mặc dù cá voi và cá heo hiện có cơ thể được tiến hóa để phù hợp với đời sống thủy sinh và trông chúng rất giống các loài cá khác, nhưng về bản chất chúng vẫn là loài động vật có vú, bởi vậy cấu trúc cột sống của chúng rất khác các loài cá.

Cột sống của chúng chủ yếu di chuyển theo hướng lên xuống, trong khi cột sống của cá dao động sang hai bên. Xương ở đuôi của các loài động vật có vú thực chất là đốt sống đuôi, và là một phần của cột sống, bởi vậy hướng di chuyển của đuôi sẽ phải phù hợp với toàn bộ cột sống. Vì vậy, các loài động vật có vú, bao gồm cả cá voi, chủ yếu vung đuôi theo hướng lên xuống, trong khi cá vẫy đuôi sang hai bên.

Tại sao có sự khác biệt như vậy? Bởi vì động vật có vú sống trên cạn, mặc dù hiện tại các loài cá voi đã hoàn toàn thích nghi với đời sống thủy sinh, nhưng tổ tiên của chúng lại là động vật có vú ở trên cạn. Để có thể thích nghi với đời sống trên cạn thì điều đầu tiên là phải có khả năng di chuyển nên hầu hết các loài động vật trên cạn đều cần phải có chân. Tuy nhiên, chân của muốn di chuyển được thì cần phải có các khớp để nối chân với cơ thể và xoay theo một hướng nhất định để có thể đẩy cơ thể tiến về phía trước.

Động vật có vú phải di chuyển về phía trước nên các chi của chúng cần phải di chuyên theo hướng tiến lên theo đường thẳng. Nếu cột sống xoay sang hai bên thì chuyển động của cột sống và chuyển động của các chi sẽ không nằm trên cùng một mặt phẳng, toàn bộ cơ thể sẽ rất cứng, nhưng nếu nó được thiết kế để có thể chuyển động theo hướng lên xuống thì lúc nà các chi sẽ cực kì linh hoạt và có thể di chuyển qua nhiều địa hình khác nhau. Do đó, động vật có vú cuối cùng đã chọn cách tiến hóa để cột sống đung đưa lên xuống.

Trong 500 triệu năm qua, loài cá đã sống dưới nước và không bao giờ phải sống trên cạn. Dưới nước, chúng không cần chân và có thể dễ dàng di chuyển cột sống sang hai bên, do đó không cần thay đổi cấu trúc của cột sống như động vật có vú.

Về mặt giải phẫu, cột sống của các loài cá rất cứng khi nhìn từ bên cạnh, trong khi cột sóng của động vật có vú có độ cong nhất định và linh hoạt hơn nhiều.

Trong cấu trúc xương của động vật có vú, các xương sườn kết nối cong sang hai bên để tạo khoang của cơ thể và các gai đốt sống thay đổi để mở hướng xoay của cột sống, hỗ trợ cơ thể di chuyển lên xuống.

Tất cả các loài động vật có vú tiến hóa từ cá, nhưng khoảng 50 triệu năm trước, tổ tiên của các loài cá voi quyết định quay trở lại đại dương sau khi rời khỏi mặt nước 250 triệu năm. Cơ thể của chúng đã thích nghi với cuộc sống trên cạn và không thể thay đổi cấu trúc trở lại như những loài cá.

Kết quả là, họ phải điều chỉnh và biến đổi cấu trúc hiện có, các chi biến đổi để có hình dáng giống vây, đuôi thoái hóa để trở nên dày hơn, khỏe mạnh để hỗ trợ việc di chuyển trong môi trường thủy sinh.

Do sự khác biệt về cấu trúc xương, các loài cá di chuyển cột sống sang hai bên trong khi cá voi di chuyển bằng cách quẫy đuôi lên xuống. Ngoài ra, các động vật biển khác như hải cẩu, sư tử biển cũng có cách bơi tương tự như cá voi.

Vậy cấu trúc cột sống nào mang lại hiệu quả sinh tồn cao hơn? Trên cạn, việc di chuyển lên xuống giúp động vật di chuyển nhanh hơn và linh hoạt hơn.

Các loài cá sấu, thằn lằn và rắn di chuyển cột sống sang hai bên, trong khi các loài chim, động vật có vú di chuyển cột sống lên xuống.

Những động vật Tetrapod đầu tiên có cột sống di chuyển sang hai bên như cá sấu, nhưng đã thích nghi với cuộc sống trên cạn bằng cách thay đổi cấu trúc cột sống.

Trong hơn 200 triệu năm, các động vật thống trị Trái Đất đều có cấu trúc xương sống di chuyển lên xuống, một số cho rằng điều này là lợi thế giúp khủng long thống trị hành tinh trong một thời gian dài.

Trong môi trường nước, không có sự khác biệt rõ ràng về lợi thế giữa việc di chuyển cột sống lên xuống hay sang hai bên.

Cá đã thống trị đại dương trong 500 triệu năm và vẫn phát triển mạnh mẽ. Cá voi mới chỉ xuất hiện dưới đại dương vài chục triệu năm nhưng đã hoàn toàn thích nghi với cuộc sống thủy sinh và trở thành sinh vật lớn nhất trên hành tinh.

Hơn nữa, khả năng bơi lặn của cá voi không hề kém cạnh so với các loài cá, chứng tỏ rằng cả việc di chuyển cột sống lên xuống và sang hai bên đều phản ánh sự thích nghi xuất sắc với môi trường thủy sinh.