Bí mật chiếc mỏ kỳ diệu ở loài chim nước

Anne Trafton

Gần 150 năm trước Charles Darwin tiết lộ mỏ chim thanh mảnh do chiến lược thích nghi với môi trường sống. Giờ đây, nhóm các nhà toán học và kỹ sư thuộc Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã đưa ra lời giải thích chính xác về cách thức một số loài chim nước sử dụng chiếc mỏ dài, mảnh để chống lại trọng lực và nuốt thức ăn vào miệng.

Theo bài báo đăng trên Tạp chí Khoa học tự nhiên ngày 16 tháng 05, nhóm các nhà nghiên cứu cho biết loài chim rẽ nước cư trú ở phía tây Bắc Mỹ lợi dụng sự tương tác bề mặt giữa mặt trong của mỏ và những giọt nước để đẩy những mẩu thức ăn nhỏ lên miệng qua chiếc mỏ dài. 

Các tương tác bề mặt phụ thuộc vào những đặc tính hóa học có liên quan đến chất lỏng, bởi vậy chim rẽ nước và khoảng 20 loài chim sử dụng cùng cơ chế này có khả năng nhạy cảm tột độ với bất kỳ tạp chất nào trên bề mặt nước, nhất là chất tẩy rửa hay dầu mỡ.

“Có một vài loài chim nhờ cậy riêng vào cơ chế này để nuốt thức ăn nên chúng rất dễ bị tổn thương trong các vụ tràn dầu”, John Bush, phó giáo sư ngành toán ứng dụng, đồng tác giả công trình nghiên cứu cho biết.

Trong một thời gian dài, nhiều nhà sinh vật chuyên nghiên cứu về động vật hoang dã đã ghi nhận hành vi ăn bất thường ở chim rẽ nước, chúng quay tròn trên mặt nước, tạo ra các vòng xoáy nước, đẩy các loài giáp xác lên lớp bề mặt trên cùng, giống như lá chè trong một chiếc cốc được xoay tròn.

Bằng cách mổ vào mặt nước, chúng sẽ vớ được con mồi nằm trong những giọt nước nhỏ (cỡ milimet khối). Bởi mỏ chim chĩa xuống phía dưới trong quá trình nuốt thức ăn nên trọng lực phải được đánh bại, tạo điều kiện cho những giọt nước có thể di chuyển xuyên suốt trong chiếc mỏ dài, từ chóp mỏ đến tận miệng. Cho đến tận bây giờ, các nhà khoa học vẫn không hiểu được cơ chế thực hiện điều này.

Các nhà khoa học suy xét rằng chiến lược nuốt thức ăn của chim nước dựa trên sức căng bề mặt của giọt nước. Sức căng bề mặt chi phối mọi chất lỏng thông thường, từ những giọt nước mưa nhỏ đến nước trong cơ thể các loài sâu bọ và côn trùng, nhưng lợi ích do nước mang lại cho những loài chim nước thì không dễ nhận biết. Nhận biết then chốt nằm ở khả năng di chuyển của giọt nước khi loài chim mở và đóng mỏ như một cái nhíp chuyển động.

Để tháo gỡ bí ẩn này, Bush đã làm việc cùng với Manu Prakash, nghiên cứu sinh tiến sỹ tại Trung tâm nghiên cứu các nguyên tử và vật chất nhỏ; đồng thời có sự tham gia của giáo sư David Quere (đến từ Trường đại học Bách khoa Paris) trong thời gian ông giảng dạy tại Khoa toán (MIT). Họ đã dựng một mô hình cơ chế của mỏ chim rẽ nước cho phép nghiên cứu các tiến trình chuyển động chậm chạp xảy ra trong đó.

Mô hình quy trình này dựa trên sự tương tác bề mặt được biết như là hiện tượng trễ góc tiếp xúc (góc tiếp xúc di chuyển), bỏ qua trở ngại tiêu biểu là chuyển động của các vật rắn. Thí dụ các giọt nước mưa bám vào các ô kính cửa sổ nhờ hiện tượng trễ góc tiếp xúc. Trong thời điểm mỏ chim nuốt thức ăn, hai cạnh mỏ chim khi mở tạo thành một góc hình học, kết hợp với hiện tượng trễ góc tiếp xúc có được do thay đổi độ mở rộng của 2 cạnh mỏ sẽ giúp đẩy những giọt nước đi lên phía trên.

Vì mỏ chim như cây kéo mở rộng và kẹp lại, mỗi cử động như thế sẽ đẩy giọt nước từng bước một tới gần với miệng chim hơn. Rõ ràng khi mỏ chim khép lại, đầu giọt nước tiến lên hướng về phía miệng trong khi đuôi giọt nước đẩy (dịch chuyển) lên phía trên, gần với miệng hơn.

Như những bậc thang trên sàn diễn thời trang, giọt nước di chuyển dọc theo chiếc mỏ với tốc độ khoảng 1 mét mỗi giây.

Quy trình này được các tác giả gọi là “bánh xe mao dẫn” (“capillary ratchet”), hiệu quả phụ thuộc vào hình dạng của mỏ chim: dài, mảnh là những yếu tố thích hợp nhất cho phương thức nuốt thức ăn nhờ nước. Điểm đáng chú ý của nghiên cứu này đó chính là cơ chế mở và đóng của góc hình thành bởi hai cạnh mỏ chim: “Thay đổi góc khép một vài độ có thể làm tốc độ di chuyển của giọt nước nhanh hơn hay chậm đi tới 10 lần”, Quere cho biết.

“Bánh xe mao dẫn” cũng phụ thuộc lớn vào trạng thái ẩm ướt của mỏ chim – tức khuynh hướng mà các giọt nước xâu thành chuỗi hoặc mức độ dấp nước trải đều khắp bề mặt mỏ chim hay không. Dầu mỡ được coi là “ẩm ướt” (nhớt) hơn nước nên nếu mỏ chim ướt đẫm dầu từ những vết dầu loang sẽ khiến chúng không thực hiện được khả năng nuốt thức ăn.

Các nhà nghiên cứu lưu ý đến những ứng dụng tiềm tàng từ các mô hình thiết kế của tự nhiên: “Hiện nay, chúng tôi đang nghiên cứu những thiết bị lỏng vi mô lợi dụng cơ chế này để đẩy những giọt nước di chuyển theo hướng mong muốn, cho phép kiểm soát mỗi bước chuyển động của các giọt nước siêu nhỏ ở cấp vi mô”, Prakash bày tỏ.
Nghiên cứu được cấp vốn bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia, Trung tâm nghiên cứu khoa học (Pháp) và Trung tâm nghiên cứu các nguyên tử và vật chất nhỏ (MIT).

Video liên quan:

Mô hình cơ chế nuốt thức ăn ở mỏ chim rẽ nước thông qua khả năng chuyên chở của giọt nước rất nhỏ, giúp các nhà nghiên cứu MIT khám phá cách thức loài chim nước đẩy thức ăn đi lên phía cổ họng. Video được ghi với tốc độ 2000 khung hình mỗi giây & làm chậm về 30 khung hình mỗi giây. (Video: Manu Prakash, MIT)

Hành vi nuốt thức ăn của chim rẽ nước cổ đỏ. Các nhà khoa học MIT chỉ ra cách mà chim rẽ nước chống lại trọng lực khi di chuyển con mồi bắt được trong nước, qua mỏ lên tới tận cổ họng. (Video: Don DesJardin)