Kiến hàm bẫy: cặp hàm sập nhanh nhất thế giới côn trùng

Kiến hàm bẫy (chi Odontomachus) sập đôi hàm với tốc độ khoảng 35–64 m/s, trong chừng 0,13 mili giây — nhanh hơn một cái chớp mắt hơn nghìn lần. Con số này do nhóm của Sheila Patek đo và công bố trên tạp chí PNAS năm 2006. Chúng còn dùng chính cú sập hàm để bật mình bay đi thoát thân, một kiểu "nhảy bằng miệng" hiếm thấy trong tự nhiên.

Kiến hàm bẫy trông thế nào

Kiến hàm bẫy là tên chung cho những loài kiến có đôi hàm dài, thẳng, có thể mở banh ra gần 180 độ và khoá ở tư thế đó. Chi nổi tiếng nhất là Odontomachus, phân bố rộng ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt, gồm cả rừng nhiệt đới châu Á. Ngoài ra còn vài nhóm kiến khác cũng tiến hoá ra kiểu hàm bẫy một cách độc lập.

Đầu kiến hàm bẫy thường dài và to bất thường so với thân, vì bên trong chứa khối cơ lớn để kéo căng cơ chế bẫy. Giữa hai hàm có vài sợi lông cảm giác dài, mảnh, chĩa về phía trước — đó là cò súng.

Những con số kỷ lục

Năm 2006, Sheila Patek, Joseph Baio, Brian Fisher và Andrew Suarez quay loài Odontomachus bauri bằng camera tốc độ cao và công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) với tiêu đề nói thẳng rằng đây là một trong những chuyển động động vật nhanh nhất từng ghi nhận.

Những con số đo trên một loài cụ thể; các loài khác trong chi có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn. Về sau, năm 2018, một nhóm do Fredrick Larabee dẫn đầu công bố trên Royal Society Open Science rằng kiến "Dracula" Mystrium camillae búng hàm đạt tới khoảng 90 m/s. Nhưng đó là kiểu búng khác: hai hàm ép vào nhau rồi trượt bật ra như búng ngón tay, không phải bẫy mở rồi sập. Vì thế hai kỷ lục thường được kể riêng.

Cơ chế: kéo căng, khoá, rồi nhả

Không cơ bắp nào co nhanh tới mức đóng hàm trong 0,13 mili giây. Giống tôm tít, kiến hàm bẫy dùng nguyên lý khuếch đại công suất: tích năng lượng chậm, xả ra cực nhanh.

1. Mở và khoá: kiến banh hàm ra, một cấu trúc chốt ở gốc hàm khoá chúng ở tư thế mở.
2. Nạp năng lượng: khối cơ đóng hàm khổng lồ trong đầu co lại từ từ, kéo căng các phần đàn hồi của đầu và hàm, như kéo dây cung khi mũi tên còn bị giữ.
3. Cò súng: khi một con mồi chạm vào các sợi lông cảm giác giữa hai hàm, tín hiệu chạy tới một cơ nhỏ làm nhả chốt.
4. Sập: năng lượng tích sẵn giải phóng tức thì, hai hàm sập vào nhau.

Từ lúc lông cảm giác bị chạm đến lúc hàm bắt đầu đóng, các nghiên cứu ghi nhận độ trễ chỉ cỡ vài mili giây — gần như một phản xạ thuần tuý, đường thần kinh ngắn và nhanh. Đó là lý do con mồi nhanh nhẹn như bọ đuôi bật (springtail) vẫn bị tóm.

Nhảy bằng miệng

Phát hiện thú vị nhất trong nghiên cứu năm 2006 là cách kiến dùng cú sập hàm để di chuyển. Patek và cộng sự mô tả hai kiểu:

• Nhảy thoát hiểm: kiến chúi đầu xuống, sập hàm vào mặt đất. Phản lực hất cả thân kiến bay lên cao và ra xa, gấp nhiều lần chiều dài cơ thể. Hướng bay khó đoán, rất hợp để thoát khỏi kẻ săn.
• Bật ngược kẻ xâm nhập: khi hàm đập vào một kẻ lạ (ví dụ con kiến khác lẻn vào tổ), lực va có thể hất kẻ đó văng ra, đồng thời đẩy chính kiến lùi lại.

Một nghiên cứu sau đó (Larabee và Suarez, 2015) cho thấy cú nhảy giúp kiến hàm bẫy thoát khỏi bẫy hố của ấu trùng kiến sư tử với tỉ lệ cao hơn rõ khi so với kiến không được nhảy. Một vũ khí săn mồi đã kiêm luôn việc cứu mạng.

Lực mạnh mà không tự gãy

Một câu hỏi tự nhiên: va đập nhanh như thế sao hàm không vỡ? Các nghiên cứu cho thấy đầu hàm có cấu trúc cứng hoá đặc biệt và hình dáng phân tán lực. Ngoài ra, hai hàm thường không đập thẳng vào nhau ở tốc độ tối đa mà vào con mồi đặt giữa. Phần lớn chi tiết về độ bền vật liệu của hàm kiến vẫn đang được nghiên cứu, chưa có lời giải trọn.

Nhiều lần tiến hoá cùng một lời giải

Hàm bẫy không chỉ xuất hiện một lần. Các nhà nghiên cứu đã ghi nhận kiểu hàm bẫy ở nhiều dòng kiến khác nhau, tiến hoá độc lập, với chi tiết cơ chế chốt khác nhau. Khi cùng một "phát minh" xuất hiện nhiều lần, đó là dấu hiệu lời giải ấy rất hiệu quả cho bài toán chung: bắt những con mồi nhỏ mà nhanh hơn cả cơ bắp của chính mình.

Gặp kiến hàm bẫy ngoài tự nhiên

Kiến hàm bẫy thường sống ở lớp lá mục, gốc cây mục, đất ẩm trong rừng và vườn. Chúng đi săn đơn lẻ, đi chậm với đôi hàm banh rộng, trông khá ngộ. Một vài điều nên biết:

• Nhiều loài Odontomachus có ngòi đốt ở đuôi và đốt khá đau. Đừng bốc bằng tay không.
• Nếu chạm nhẹ một cọng cỏ vào lông cảm giác, bạn có thể nghe tiếng "tách" nhỏ và thấy kiến bật ngược. Làm nhẹ nhàng, đừng tìm cách bắt hay hại chúng.
• Muốn xem rõ, dùng kính lúp hoặc chế độ chụp cận cảnh của điện thoại. Cú sập quá nhanh, video quay chậm 240 khung hình mỗi giây của điện thoại cũng chỉ thấy hàm "đang mở" rồi "đã đóng".

Góc nhìn hôm nay: điều kỹ sư học từ một con kiến

Kiến hàm bẫy là ví dụ tiêu biểu cho câu hỏi mà các nhà sinh học cơ học quan tâm: làm sao sinh vật nhỏ tạo ra chuyển động cực nhanh khi cơ bắp lại chậm? Lời giải "lò xo – chốt – cò" được dùng làm khuôn mẫu cho robot nhảy cỡ nhỏ, cơ cấu bật trong thiết bị vi mô.

Cũng có một bài học về cách đo: để thấy cú sập 0,13 mili giây, phải có camera chụp hàng chục nghìn khung mỗi giây. Trước khi có thiết bị đó, không ai biết kiến nhanh tới vậy. Rất nhiều kỷ lục tốc độ trong tự nhiên chỉ được phát hiện khi công cụ đo đủ nhanh, và có thể vẫn còn những kỷ lục ta chưa thấy.

Muốn tìm hiểu thêm: các bài báo của Patek và Larabee đều có video tốc độ cao đi kèm, xem miễn phí trên trang các tạp chí và phòng thí nghiệm.