Đà điểu mất khả năng bay hay tổ tiên của chúng chưa từng biết bay?

Trong thế giới hiện đại, đà điểu thường được xem là biểu tượng của các loài chim không biết bay. Thân hình đồ sộ, đôi cánh nhỏ và lối sống hoàn toàn trên mặt đất khiến nhiều người tin rằng tổ tiên của chúng vốn dĩ chưa bao giờ rời khỏi mặt đất. Tuy nhiên, khoa học tiến hóa lại đưa ra một câu trả lời hoàn toàn khác, dựa trên những bằng chứng hóa thạch trực tiếp và các phân tích hình thái, hệ thống học ngày càng tinh vi.

Bằng chứng quan trọng nhất đến từ một loài chim cổ đại có tên Calciavis grandei, sống vào đầu kỷ Eocene, khoảng 52 triệu năm trước. Hóa thạch của loài này được phát hiện trong các trầm tích đá vôi thuộc Hệ tầng Green River ở Bắc Mỹ. Mẫu vật được bảo tồn đặc biệt tốt, cho phép các nhà khoa học quan sát chi tiết cấu trúc xương cánh cũng như dấu vết rõ ràng của lông bay không đối xứng.

Calciavis grandei được xếp vào họ Lithornithidae, một nhóm chim cổ đại giữ vị trí then chốt trong cây phát sinh chủng loài của các loài chim cổ. Các lông cánh chính của loài này có thân dày, phiến lông không đối xứng rõ rệt, những đặc điểm điển hình của kiểu bay vỗ cánh chủ động, chứ không phải chỉ lượn thụ động. Phân tích hình thái định lượng cho thấy tải trọng cánh và tỷ lệ sải cánh của nó nằm trong phạm vi phù hợp với khả năng bay bền vững.

Không chỉ dừng lại ở hình dạng lông và cánh, các nghiên cứu còn chỉ ra rằng tỷ lệ khung hình của chim đá vôi lớn tương đồng với các loài chim vỗ cánh liên tục ngày nay. Điều này củng cố giả thuyết rằng nó có thể thực hiện những chuyến bay chủ động kéo dài, thay vì chỉ bay chớp nhoáng khi bị đe dọa. Phân tích xương ức của Lithornis cũng cho thấy hình thái của nó khác biệt rõ rệt so với kiểu bay bùng nổ của các loài chim Tinamidae hiện đại, mà nằm trong không gian hình thái của các loài chim bay bền và vỗ cánh lướt.

Trong các mô hình phân biệt giữa bay bùng nổ và bay bền hiếu khí, dữ liệu cho thấy độ chính xác rất cao và luôn xếp Lithornis vào nhóm chim có khả năng bay bền. Điều này cho thấy các loài chim đá phiến không phải là những sinh vật vụng về chỉ biết vỗ cánh vài lần, mà là những loài chim di cư trên không, đã làm chủ khả năng bay đường dài nhờ sức bền hiếu khí.

Về mặt phát sinh chủng loài, họ Lithornithidae chiếm vị trí rất gần với tổ tiên chung của nhóm Paleognathae, nhóm bao gồm đà điểu, emu, kiwi và nhiều loài chim không biết bay khác ngày nay. Hóa thạch của chim đá phiến được tìm thấy ở Bắc Mỹ và châu Âu, trải dài từ kỷ Paleocen đến đầu kỷ Eocen, cho thấy các loài chim cổ biết bay này từng phân bố rộng khắp bán cầu Bắc và thậm chí trên nhiều lục địa.

Không chỉ hóa thạch, các loài còn tồn tại ngày nay cũng cung cấp bằng chứng quan trọng. Bộ Tinamiformes, sinh sống tại Nam Mỹ, là thành viên rõ ràng của nhóm chim cổ và vẫn giữ được khả năng bay. Dù cấu trúc xương ức và cột sống thấp khiến hiệu quả bay hạn chế, các loài này vẫn có thể nhanh chóng cất cánh bằng những cú vỗ cánh mạnh, hoàn toàn khác với đà điểu hay chim emu sống hoàn toàn trên mặt đất.

Các loài như Rhynchotus rufescens, thường sống ở đồng cỏ Nam Mỹ, có thể thực hiện các chuyến bay vỗ cánh liên tục ở khoảng cách ngắn đến trung bình. Loài Nothura maculosa, nhỏ hơn và phổ biến ở các vùng đất nông nghiệp, cũng có khả năng bay thực sự, dù không ở độ cao lớn hay quãng đường dài. Những đặc điểm này cho thấy khả năng bay chưa từng biến mất hoàn toàn trong toàn bộ dòng dõi chim cổ.

Các nghiên cứu phát sinh chủng loài còn chỉ ra rằng Tinamiformes không phải là một nhánh ngoại vi, mà là thành viên cốt lõi của nhóm Paleognathae. Từ đó dẫn đến một suy luận quan trọng dựa trên định luật Dollo. Theo nguyên lý này, các đặc điểm phức tạp như khả năng bay, vốn đòi hỏi sự phối hợp đồng bộ của nhiều cấu trúc giải phẫu và con đường phát triển, gần như không thể bị mất đi rồi tái tạo hoàn chỉnh một lần nữa trong quá trình tiến hóa.

Nếu tổ tiên của Paleognathae từng mất khả năng bay, thì việc một nhánh như Tinamiformes bất ngờ lấy lại khả năng này là điều gần như không thể. Bay là một chức năng cực kỳ phức tạp, phụ thuộc vào xương ức, đai ngực, hệ cơ và cả hệ hô hấp. Khi những cấu trúc này thoái hóa, chúng thường phân rã đồng thời, khiến việc tái tiến hóa trở nên gần như bất khả thi.

Từ tổng hợp các bằng chứng về thời gian địa chất, hình thái học và hệ thống phát sinh, các nhà khoa học đi đến một kết luận có độ nhất quán cao. Tổ tiên của nhóm Paleognathae, bao gồm cả đà điểu hiện đại, đã sở hữu khả năng bay thực sự từ cuối kỷ Phấn trắng. Trong các kỷ Paleocen và Eocen, những loài chim cổ này đã nhanh chóng lan rộng nhờ khả năng bay.

Các dạng chim khổng lồ không biết bay như đà điểu, chim emu hay kiwi chỉ xuất hiện sau đó, là kết quả của nhiều lần mất khả năng bay độc lập trong hàng chục triệu năm, khi chúng thích nghi với môi trường có áp lực săn mồi thấp hơn. Nói cách khác, việc không biết bay không phải là trạng thái nguyên thủy của dòng dõi này, mà là một sự đánh đổi tiến hóa diễn ra muộn, sau khi tổ tiên của chúng từng làm chủ bầu trời.