Tại sao có nhiều loài bọ cánh cứng tồn tại?

Đôi mắt của Caroline Chaboo sáng lên khi cô nói về bọ rùa. Giống như đá quý, chúng tồn tại với vô số màu sắc tươi sáng: xanh sáng bóng, đỏ, cam, xanh lá cây và trong suốt lốm đốm vàng. Chúng là thành viên của một nhóm gồm 40.000 loài bọ lá, Chrysomelidae, một trong những nhánh giàu loài nhất của bộ bọ cánh cứng rộng lớn, Coleoptera. Cô nói: “Bạn có mọt, bọ sừng dài và bọ lá. “Đó thực sự là bộ ba thống trị sự đa dạng của loài bọ.”

Một nhà côn trùng học tại Đại học Nebraska-Lincoln, Chaboo từ lâu đã tự hỏi tại sao vương quốc của sự sống lại thiên về bọ cánh cứng: Những sinh vật có thân hình cứng cáp này chiếm khoảng 1/4 tổng số loài động vật. Nhiều nhà sinh vật học đã thắc mắc điều tương tự trong một thời gian dài. Chaboo lưu ý: “Darwin là một nhà sưu tập bọ cánh cứng.

Trong số khoảng 1 triệu loài côn trùng được đặt tên trên Trái đất, có khoảng 400.000 loài là bọ cánh cứng. Và đó chỉ là những con bọ được mô tả cho đến nay. Các nhà khoa học thường mô tả hàng ngàn loài mới mỗi năm. Vậy—tại sao lại có nhiều loài bọ cánh cứng đến vậy? Chaboo nói: “Chúng tôi không biết câu trả lời chính xác. Nhưng manh mối đang xuất hiện.

Một giả thuyết cho rằng có rất nhiều vì chúng đã tồn tại quá lâu. Nhà sinh vật học tiến hóa và nhà côn trùng học Duane McKenna thuộc Đại học Memphis cho biết: “Bọ cánh cứng đã 350 triệu năm tuổi. Đó là khoảng thời gian rất lớn để các loài hiện có có thể hình thành hoặc phân chia thành các dòng di truyền mới, khác biệt. Bằng cách so sánh, con người hiện đại chỉ tồn tại được khoảng 300.000 năm.

Tuy nhiên, chỉ vì một nhóm động vật già không nhất thiết có nghĩa là nó sẽ có nhiều loài hơn. Một số nhóm rất cổ có rất ít loài. Ví dụ, cá vây tay đã bơi trong đại dương khoảng 360 triệu năm, đạt tối đa khoảng 90 loài và sau đó suy giảm chỉ còn hai loài được biết đến ngày nay. Tương tự, loài bò sát giống thằn lằn tuatara là thành viên còn sống duy nhất của một loài bò sát cổ xưa đa dạng trên toàn cầu có nguồn gốc khoảng 250 triệu năm trước.

Một lời giải thích khả dĩ khác cho việc tại sao bọ cánh cứng lại có rất nhiều loài đa dạng là ngoài việc già nua, chúng còn có sức bền bất thường. Cristian Beza-Beza, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Minnesota cho biết: “Chúng đã sống sót sau ít nhất hai đợt tuyệt chủng hàng loạt”. Thật vậy, một nghiên cứu năm 2015 sử dụng bọ hóa thạch để khám phá sự tuyệt chủng từ kỷ Permi 284 triệu năm trước đã kết luận rằng việc thiếu sự tuyệt chủng có thể ít nhất cũng quan trọng như sự đa dạng hóa để giải thích sự phong phú của các loài bọ cánh cứng. Các tác giả đưa ra giả thuyết, ít nhất trong các thời đại trước đây, bọ cánh cứng đã chứng tỏ khả năng đáng kinh ngạc trong việc thay đổi phạm vi sinh sống của chúng để ứng phó với biến đổi khí hậu và điều này có thể giải thích khả năng phục hồi tuyệt chủng của chúng.

Điều làm phức tạp thêm bí ẩn về sự đa dạng của bọ cánh cứng là thực tế là một số nhánh trong cây họ bọ cánh cứng có nhiều loài hơn những nhánh khác. Ví dụ, bọ phân, loài dành cả đời để lăn những quả bóng phân được chế tạo khéo léo, chỉ đa dạng ở mức độ khiêm tốn. Nhà sinh thái học cộng đồng Jorge Ari Noriega tại Đại học El Bosque ở Bogotá, Colombia cho biết: “Họ này có khoảng 8.000 loài, vì vậy đây không phải là một nhóm lớn”.

Ngược lại, Chrysomeloidea—một siêu họ bao gồm bọ cánh cứng sừng dài và bọ lá—bao gồm 63.000 loài, trong khi Buprestidae, một nhóm bọ cánh cứng ăn gỗ và đục lá kim loại còn được gọi là bọ ngọc vì màu sắc ánh kim lấp lánh của chúng, bao gồm khoảng 15.000 loài.

Sự khác biệt lớn về độ phong phú loài giữa các dòng bọ cánh cứng có nghĩa là “không có lời giải thích nào phù hợp cho bất kỳ nhóm nào,” McKenna nói. Tuy nhiên, trong số các loài bọ ăn thực vật—chiếm khoảng 1/4 tổng số loài bọ cánh cứng—một mô hình rõ ràng đang nổi lên. Dựa trên các phân tích di truyền của các dòng bọ cánh cứng khác nhau, McKenna và các đồng nghiệp đã tìm thấy bằng chứng cho thấy yếu tố chính thúc đẩy sự đa dạng của bọ cánh cứng là sự đa dạng hóa của các loài thực vật có hoa trong kỷ Phấn trắng.

Trong kỷ Phấn trắng, bắt đầu khoảng 145 triệu năm trước, sự bùng nổ của các loài thực vật có hoa mới lan rộng khắp bề mặt Trái đất, xâm chiếm nhiều môi trường sống khác nhau. Ngày nay, thực vật chiếm khoảng 80% khối lượng sự sống trên Trái đất. Tận dụng tối đa thực vật làm thức ăn là một chiến lược sinh thái giúp cung cấp năng lượng bức xạ cho không chỉ bọ cánh cứng mà cả các loài ăn cỏ bao gồm kiến, ong, chim và động vật có vú.

Trong trường hợp của bọ cánh cứng ăn cỏ, dòng dõi giàu loài nhất của chúng mang nhiều loại gen hấp dẫn cho phép tiêu hóa thực vật, McKenna đã phát hiện. Nhiều gen trong số này mã hóa các enzyme giúp phá vỡ thành tế bào thực vật, cho phép tiếp cận với đường được lưu trữ trong các hợp chất khó tiêu hóa như cellulose, hemiaellulose và pectin. McKenna nói: “Những dòng có những gen này là những dòng cực kỳ thành công”.

Những gen này là sự thích nghi khéo léo để biến những bộ phận thực vật khó tiêu thành thức ăn. Chúng cho phép bọ cánh cứng ăn cỏ ăn nhiều loại thực vật khác nhau, từ đó cho phép côn trùng di chuyển đến môi trường sống mới và chiếm giữ các hốc sinh thái mới. Khi bọ ăn thực vật lan rộng về mặt địa lý và áp dụng chế độ ăn cũng như lối sống khác nhau, sự khác biệt về di truyền giữa chúng ngày càng tăng, dẫn đến sự hình thành các loài mới.

Vì những lý do không rõ ràng, một số loài bọ ăn thực vật đã mất đi các gen hỗ trợ tiêu hóa khi chúng tiến hóa, bao gồm cả gen mã hóa pectinase, một loại enzyme có khả năng phân hủy pectin. Nhà sinh thái học tiến hóa Hassan Salem tại Viện Sinh học Max Planck ở Tübingen, Đức, giải thích rằng để bù lại, một số loài bọ cánh cứng đã phát triển một chiến lược khác để ăn thực vật: Chúng tạo dựng mối quan hệ với các đối tác vi khuẩn—được gọi là vi khuẩn cộng sinh—cũng hỗ trợ quá trình tiêu hóa của thực vật.

Đối với một số loài bọ cánh cứng, những vi khuẩn cộng sinh đặc biệt này đã trở thành một công cụ thay thế để giữ thực vật trong thực đơn, mở rộng số lượng môi trường sống nơi các loài mới có thể tiến hóa và phát triển. Ví dụ, trong phần lớn các loài bọ rùa, nhóm nghiên cứu của Salem, không phải enzyme được mã hóa di truyền phân hủy pectin mà là vi khuẩn cộng sinh. Bọ cánh cứng lấy vi khuẩn từ mẹ của chúng: Mỗi khi con cái đẻ trứng, nó cũng để lại một viên nang chứa vi khuẩn. Phôi bọ rùa phát triển bên trong trứng, sau đó chui vào viên nang để tiêu hóa vật cộng sinh khoảng một ngày trước khi nó nở ra.

Salem nói: “Đó là điều đầu tiên nó gặp trong đời… nên đó là một sự liên kết rất mật thiết”. Khi Salem và nhóm của ông tiến hành thử nghiệm loại bỏ các viên nang vi khuẩn khỏi ấu trùng đang phát triển, những con bọ trưởng thành, không có mầm bệnh xuất hiện có tỷ lệ tử vong cao vì chúng không thể tiếp cận pectin trong tế bào thực vật.

Ngoài việc làm cho thực vật dễ tiêu hóa hơn, một số vi khuẩn liên quan đến thực vật có thể đã mở đường cho sự đa dạng hóa bọ cánh cứng vì chúng mang lại cho bọ cánh cứng khả năng bảo vệ động vật ăn thịt. Ví dụ, ở loài bọ rùa Chelymorpha alternans, một loại nấm có tên Fusarium —thường được tìm thấy trên các loại cây trồng như chuối và khoai lang—phát triển trên bề mặt nhộng của bọ cánh cứng trong quá trình biến thái. Aileen Berasategui, nhà sinh vật học tiến hóa tại Viện Đời sống và Môi trường Amsterdam ở Hà Lan, cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng nếu bạn loại bỏ nấm thì kiến ​​sẽ dễ dàng tìm thấy chúng và ăn chúng”. Nói cách khác, Fusarium có thể che chắn bọ cánh cứng khỏi những kẻ săn mồi có hại, tiếp tục mở rộng lãnh thổ bọ cánh cứng và tạo điều kiện cho sự đa dạng hóa.

Berasategui cho biết thêm rằng nhiều loài bọ vỏ cây, như bọ ambrosia, cũng được hưởng lợi từ nấm Fusarium , nhưng theo một cách khác. Bọ cánh cứng mang nấm từ cây này sang cây khác trong các túi chuyên biệt gọi là mycangia. Khi cây đang bị nhiễm nấm, bọ cánh cứng sẽ thưởng thức bữa tiệc nấm.

Việc thích nghi để tiến hành loại hình nông nghiệp này—gieo bào tử sẽ phát triển thành thức ăn—cũng đã giúp các loài bọ cánh cứng khai thác môi trường sống mới. Berasategui cho biết: “Từ tổ của mình, chúng lấy một mảnh nhỏ và sau đó… bay đến một cây mới nơi chúng bắt đầu làm tổ, gieo nấm mới và tạo ra khu vườn mới này”. Được gọi là nuôi cấy nấm, phương pháp này đã phát triển độc lập ở bọ ambrosia bảy lần. Theo một nghiên cứu, sự tiến hóa của các loài bọ cánh cứng mới được cho là đã được định hình bởi mối quan hệ cùng có lợi với các loại nấm này – một phần của lịch sử 50 triệu năm trong đó các loài côn trùng như kiến, mối và bọ cánh cứng ambrosia đã tiến hóa độc lập để trồng nấm. Bài báo năm 2005 đăng trên Tạp chí Thường niên về Sinh thái, Tiến hóa và Hệ thống học .

Bọ ăn thực vật đã phát triển những cải tiến khác có thể cho phép chúng sinh sản nhiều hơn các nhóm bọ cánh cứng khác. Ví dụ, ở loài bọ cánh cứng mà Chaboo nghiên cứu, sự xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch của lá chắn phân phòng thủ—cấu trúc được xây dựng từ chất bài tiết và da bong tróc của chính bọ cánh cứng—“trùng hợp với bức xạ lớn của loài,” cô nói. Hầu hết những người sử dụng lá chắn bọ cánh cứng là những loài sống đơn độc, nhưng một số sống theo nhóm, tự sắp xếp thành đội hình để bảo vệ chúng khỏi những kẻ săn mồi. Chaboo cho biết, việc bảo vệ lá chắn bằng phân có thể đã giúp bọ cánh cứng di chuyển đến những môi trường sống thoáng đãng hơn.

Dù ăn thực vật hay ăn các loại thức ăn khác như xác thối, bọ cánh cứng từ tất cả các nhóm đều đã phát triển một loạt công cụ ấn tượng để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau. Theo nghĩa đó, bọ cánh cứng là một mô hình thu nhỏ của cây sự sống, McKenna nói.

Tuy nhiên, loài bọ có khả năng phục hồi nhanh nên chúng ta không thể coi sự sống sót của chúng là điều hiển nhiên. Beza-Beza cho biết quần thể côn trùng đang suy giảm ở nhiều nơi – “và vâng, bọ cánh cứng là một phần trong đó”. Ông nói thêm rằng làm thế nào chúng có thể sống sót sau tác động của con người là “một trong những câu hỏi cốt lõi hiện nay”, mặc dù ông cá rằng sẽ có bọ cánh cứng trên Trái đất “lâu hơn con người”.

Đang say mê giải đáp những câu đố khoa học trên những hòn đảo trên bầu trời trong rừng mây Trung Mỹ nơi anh làm việc, Beza-Beza có mối quan hệ đặc biệt với Ogyges politus , một loài bọ cánh cứng sống và ăn những khúc gỗ mục nát. “Nó chỉ xảy ra ở vùng núi cạnh quê hương tôi,” anh nói. “Vì vậy, nó nhắc nhở tôi đến từ đâu… và rằng những món trang sức này có ở khắp mọi nơi.”