Côn trùng bay thế nào: muỗi vỗ cánh 600 lần mỗi giây, chuồn chuồn săn mồi

Côn trùng là những sinh vật đầu tiên trên Trái Đất biết bay, sớm hơn chim và dơi hàng trăm triệu năm. Cánh của chúng không phải chân biến đổi mà là những tấm vỏ mỏng mọc ra từ lưng, vỗ rất nhanh, từ vài lần đến cả nghìn lần mỗi giây. Ở kích thước nhỏ như vậy, côn trùng tạo lực nâng bằng những mẹo khí động học mà cánh máy bay không dùng được, nổi bật là xoáy khí bám ở mép trước cánh.

Những kẻ bay đầu tiên

Trong lịch sử sự sống, chỉ bốn nhóm động vật tiến hoá được khả năng bay chủ động bằng cách vỗ cánh: côn trùng, thằn lằn bay (đã tuyệt chủng), chim và dơi. Côn trùng đi trước rất xa. Hoá thạch côn trùng có cánh xuất hiện chắc chắn từ khoảng 320–330 triệu năm trước, trong kỷ Than Đá; các ước tính dựa trên ADN đặt thời điểm côn trùng có cánh xuất hiện còn sớm hơn. Khi đó trên cạn chưa có loài động vật có xương sống nào biết bay.

Cuối đại Cổ sinh từng có những con "chuồn chuồn khổng lồ" thuộc bộ Meganisoptera, như Meganeuropsis, sải cánh khoảng 70 cm. Một giả thuyết phổ biến cho rằng không khí thời đó giàu oxy hơn nên côn trùng lớn được như vậy; giả thuyết này có bằng chứng ủng hộ nhưng vẫn còn tranh cãi, vì kích thước côn trùng còn chịu ảnh hưởng của kẻ săn mồi và nhiều yếu tố khác.

Cánh từ đâu ra

Chim và dơi biến chi trước thành cánh. Côn trùng thì giữ nguyên sáu chân, cánh là bộ phận mọc thêm. Cánh côn trùng mọc ra từ đâu là một câu hỏi lớn của sinh học suốt hơn một thế kỷ: có giả thuyết cho rằng từ tấm vỏ lưng, có giả thuyết cho rằng từ phần gốc chân. Nghiên cứu di truyền phát triển gần đây nghiêng về khả năng cánh côn trùng mang nguồn gốc từ cả hai. Câu hỏi này đến nay vẫn chưa khép lại hẳn.

Hai cách vỗ cánh

Côn trùng điều khiển cánh theo hai kiểu chính:

• Cơ trực tiếp: cơ bám thẳng vào gốc cánh, co cơ nào cánh chuyển theo cơ đó. Chuồn chuồn dùng kiểu này, nhờ vậy điều khiển bốn cánh độc lập với nhau.
• Cơ gián tiếp: cơ không bám vào cánh mà bám vào vỏ ngực. Cơ co làm vỏ ngực biến dạng, gốc cánh như đòn bẩy đặt trên vỏ ngực bị bật lên xuống. Ruồi, ong, muỗi, bọ cánh cứng dùng kiểu này.

Cơ bay không đồng bộ: một xung thần kinh, nhiều nhịp vỗ

Không một tế bào thần kinh nào truyền tín hiệu được 600 lần mỗi giây đều đặn. Vậy muỗi vỗ cánh nhanh như thế bằng cách nào? Ở ruồi, ong, muỗi, bọ cánh cứng có loại cơ bay không đồng bộ: cơ bị kéo căng thì tự co lại, mà không cần chờ tín hiệu thần kinh. Hai nhóm cơ kéo vỏ ngực theo hai chiều, nhóm này co thì kéo căng nhóm kia, nhóm kia lại co, như một chiếc lò xo tự dao động. Thần kinh chỉ gửi tín hiệu thưa để "giữ máy chạy".

Tiếng vo ve của muỗi chính là âm thanh của nhịp vỗ cánh. Muỗi đực và muỗi cái vỗ ở tần số khác nhau và dùng tiếng vo ve để nhận ra nhau trong đàn.

Bí mật lực nâng của cánh nhỏ

Chuyện con ong nghệ "không thể bay"

Có một câu chuyện lan truyền rộng rãi: "theo tính toán khí động học, con ong nghệ không thể bay". Câu này có gốc từ cuốn Le vol des insectes (1934) của nhà côn trùng học Pháp Antoine Magnan, nhắc tới một phép tính coi cánh ong như cánh máy bay cố định, trong dòng khí ổn định. Với giả định đó, cánh ong quá nhỏ để nâng thân nặng. Lỗi không nằm ở con ong mà ở giả định: cánh côn trùng không cố định và dòng khí quanh nó không ổn định chút nào.

Xoáy khí bám ở mép trước cánh

Năm 1996, nhóm của Charles Ellington ở Đại học Cambridge cho bướm đêm diều hâu bay trong hầm gió có khói và dựng một mô hình cánh cơ khí cỡ lớn. Họ thấy mỗi khi cánh quét xuống, ở mép trước cánh hình thành một xoáy khí lớn bám chặt lấy mặt trên cánh. Vùng áp suất thấp trong xoáy hút cánh lên, tạo lực nâng lớn hơn nhiều so với cánh máy bay ở cùng góc tấn. Với cánh máy bay, xoáy như vậy sẽ bong ra và gây thất tốc; với cánh côn trùng, cánh lật lại trước khi xoáy kịp bong.

Vỗ và tách (clap and fling)

Năm 1973, nhà động vật học Torkel Weis-Fogh mô tả cách bay của một loài ong ký sinh tí hon: ở đỉnh nhịp vỗ, hai cánh vỗ chập vào nhau phía trên lưng rồi bóc tách ra từ mép trước, như lật hai trang sách. Không khí ùa vào khe hở tạo ngay một xoáy mạnh quanh mỗi cánh, cho lực nâng tức thì. Bướm, một số loài ruồi và cả bồ câu khi cất cánh cũng dùng phiên bản của mẹo này.

Con quay sinh học của loài ruồi

Ruồi và muỗi chỉ có một đôi cánh; đôi cánh sau thoái hoá thành hai cái chùy nhỏ gọi là cơ quan thăng bằng (haltere). Chúng dao động cùng nhịp với cánh, và khi thân ruồi xoay, lực quán tính làm chùy lệch đi, cảm biến ở gốc chùy báo ngay cho não. Đây là con quay hồi chuyển thật sự, giúp ruồi bẻ lái trong vài phần trăm giây, lý do vì sao đập ruồi khó đến thế.

Chuồn chuồn: phi công săn mồi giỏi nhất

Chuồn chuồn bay được theo mọi hướng, bay treo, bay lùi, lượn, bẻ ngoặt gắt, nhờ bốn cánh điều khiển riêng. Chúng săn mồi ngay trên không, và các thí nghiệm quay phim tốc độ cao trên chuồn chuồn bắt ruồi cho tỉ lệ thành công trên 90%, cao hơn hẳn phần lớn thú săn mồi. Bí quyết là chúng không đuổi theo con mồi đang ở đâu, mà bay chặn đầu tới chỗ con mồi sắp tới, giữ cho con mồi đứng yên một góc trong tầm nhìn.

Một loài chuồn chuồn màu vàng cam rất phổ biến trên đồng ruộng Việt Nam, Pantala flavescens, là côn trùng di cư xa nhất từng biết. Nhà sinh học Charles Anderson, sống ở Maldives, nhận thấy hằng năm vào cuối mùa mưa có hàng loạt chuồn chuồn xuất hiện trên quần đảo không có nước ngọt đủ cho chúng sinh sản. Ông đề xuất (công bố năm 2009) rằng chúng vượt Ấn Độ Dương từ Ấn Độ sang Đông Phi rồi quay lại, theo gió mùa. Cả chu trình qua nhiều thế hệ ước tính dài khoảng 14.000–18.000 km. Các phân tích đồng vị sau đó đã ủng hộ việc chúng bay xa như vậy, dù đường đi chi tiết vẫn đang được nghiên cứu.

Những đường di cư khác của côn trùng

• Bướm vua (monarch) ở Bắc Mỹ bay từ Canada, miền bắc nước Mỹ xuống các khu rừng linh sam trên núi ở miền trung Mexico, nhiều con bay trên 3.000–4.000 km. Thế hệ di cư mùa thu sống khoảng 8 tháng, gấp nhiều lần các thế hệ mùa hè.
• Châu chấu sa mạc khi thành bầy có thể bay hàng chục tới trên 100 km mỗi ngày nhờ gió. Đợt dịch châu chấu 2019–2020 ở Đông Phi và Nam Á là đợt nặng nhất ở một số nước trong vài chục năm.
• Di cư trên cao: nghiên cứu bằng radar năm 2016 (Hu và cộng sự, tạp chí Science) ước tính mỗi năm có khoảng 3.500 tỉ con côn trùng di cư qua bầu trời miền nam nước Anh, phần lớn bay ở độ cao vài trăm mét, nơi mắt người không thấy.

Chuồn chuồn bay thấp thì mưa: có đúng không

Câu tục ngữ "Chuồn chuồn bay thấp thì mưa, bay cao thì nắng, bay vừa thì râm" có cơ sở. Trước cơn mưa, độ ẩm tăng, không khí gần mặt đất ít luồng khí nóng bốc lên, nên muỗi, ruồi nhỏ, những con mồi của chuồn chuồn, bay thấp xuống. Chuồn chuồn bay thấp theo con mồi. Ngày nắng, luồng khí nóng mạnh mang côn trùng nhỏ lên cao, chuồn chuồn và chim én cũng săn ở trên cao. Đây là kinh nghiệm đúng ở nhiều trường hợp, nhưng chỉ là dấu hiệu gợi ý, không thay được dự báo thời tiết.

Góc nhìn hôm nay: tự quan sát côn trùng bay

Côn trùng bay là bài học khí động học miễn phí ngay quanh nhà:

• Ra ruộng hoặc bãi cỏ ven hồ buổi sáng, quan sát chuồn chuồn bay treo rồi lao đi: để ý bốn cánh không vỗ cùng lúc.
• Quay video chế độ quay chậm khi một con bướm cất cánh từ bông hoa: có thể thấy hai cánh chập vào nhau rồi bóc ra kiểu "vỗ và tách".
• Đứng cạnh một đàn ong dú hay ong mật đang về tổ để thấy chúng bay thẳng một đường về cửa tổ. Karl von Frisch nhận giải Nobel Y học năm 1973 nhờ giải mã "điệu múa lắc lư" mà ong mật dùng để chỉ đường cho nhau tới nguồn hoa.
• Đọc thêm cuốn The Biomechanics of Insect Flight của Robert Dudley hoặc các bài phổ biến của Charles Ellington về cánh côn trùng.

Côn trùng đang suy giảm ở nhiều nơi trên thế giới vì thuốc trừ sâu, mất sinh cảnh và ánh sáng đèn ban đêm. Giữ một góc vườn có hoa dại, bớt phun thuốc là việc nhỏ ai cũng làm được để bầu trời còn những kẻ bay đầu tiên.