Rắn sa mạc nghe bước chân chuột nhờ quai hàm

Lisa Zyga

Chỉ mới một vài thập kỉ trước, một số nhà khoa học nghi ngờ loài rắn không thể nghe. Rắn không có tai và lỗ tai bên ngoài, nên rất khó để tìm hiểu tại sao loài bò sát này có thể thu nhận được sóng âm.

Tuy nhiên, rắn cũng có tai trong và ốc tai, các nhà khoa học đã quan sát loài vật này phản ứng với kích thích âm thanh. Nhưng thông tin chính xác về việc rắn có thể nghe được mà không cần tai ngoài vẫn chưa được làm rõ. Trong một nghiên cứu mới, nhà vật lý học Paul Friedel và J. Leo van Hemmen thuộc đại học Technische Universitat Munchen (Đức) cùng với nhà sinh học Bruce Young thuộc đại học Washburn (Kansas) đã đưa ra một mô hình giải thích cách loài rắn vipe có sừng ở sa mạc (Cerastes cerastes) có thể nghe bằng quai hàm của nó.

Mặc dù phương thức nghe nhờ quai hàm đã được biết đến rộng rãi, nhưng nghiên cứu đã sử dụng kĩ thuật hải quân để giải thích cách thức sự rung từ quai hàm đi qua đầu rắn và đưa âm thanh đến não con vật. Các nhà khoa học cũng giải thích một trong những phần gây hứng thú trong phương thức nghe nhờ quai hàm, đó là bên phải và bên trái của quai hàm có thể cử động độc lập để định vị nguồn âm thanh, ví dụ như vị trí bước chân của con chuột.

Friedel phát biểu với phóng viên của PhysOrg.com: “Cho đến bây giờ, không ai có thể nghĩ đến một điều là rắn có thể sử dụng quai hàm để nghe âm thanh nổi. Tuy nhiên, điều này rất quan trọng vì nghe được âm thanh nổi thì mới xác định được nguồn âm thanh. Do đó, chúng tôi đã giải thích việc nghe bằng quai hàm mang lại nhiều thông tin cho loài rắn như thế nào, và nó không đơn giản chỉ là một hệ thống cho biết rằng có thứ gì đó đang ở đằng kia”.

Bước chân của một con chuột trên cát sa mạc sẽ tạo ra sóng bề mặt (cụ thể là sóng Raleigh) với bước sóng vào khoảng 15 centimet và biên độ là 1 micromet. Sóng bề mặt này cũng tương tự như sóng nước, các hạt cát tạo thành những chuyển động hình elip. Vận tốc của sóng vào khoảng 45 met một giây. Tần số của nó nằm trong khoảng 200 đến 1000 Hz – rơi vào đúng độ nhạy tối ưu của loài rắn (các tần số trong khoảng 300 Hz).

Con rắn vipe có sừng sống trên sa mạc đang áp đầu xuống cát để nghe ngóng con mồi. Một làn sóng trên bề mặt cát làm rung chuyển độc lập bên phải và bên trái của quai hàm. Chấn động này truyền đến xương vuông, xương bàn đạp và tai trong. (Ảnh: Friedel, et al)

Khi con rắn sa mạc vipe có sừng áp quai hàm xuống cát, chấn động từ bước chân chuột đi qua bên dưới cả hai bên hàm. Chấn động truyền qua đầu con rắn, qua hai xương: xương vuông và xương bàn đạp, sau đó kích thích ốc tai. Cơ quan thính giác của nó nhờ cử động hàm có thể cảm nhận được vận động cỡ angstrom (một nguyên tử). Các nhà khoa học đã xác định được biên độ hàm dưới của con rắn chỉ bằng khoảng 1 nửa biên độ của sóng bề mặt (1 micromet) – do đó biên độ của sóng là khá lớn để con rắn có thể nghe hiệu quả.

Từ ốc tai, tín hiệu âm thanh được tiếp âm dọc theo các đường trễ sợi trục đến một nhóm các nơron bố trí theo bản đồ địa hình trên não. Các nhà khoa học đã mô hình hoá mạng lưới nơron thần kinh này, trong đó mỗi nơron tiếp nhận kích thích chính xác đến một phần triệu giây đối với khác biệt thời gian trong tai cụ thể, hay là sự khác biệt về thời gian giữa các tín hiệu nhận từ bên phải và bên trái quai hàm. Khi nơron tiếp nhận thông tin, nó giống như một chỉ thị đầu vào giúp con rắn xác định chính xác vị trí con mồi.

Cách nghe này đã chứng tỏ loài rắn có một phương thức nghe thật khác biệt. Và phương thức đó không chỉ có thực mà còn là một kĩ năng hiệu quả nhằm tồn tại. Theo như Friedel giải thích, phương thức nghe nhờ quai hàm mang lại một vài ưu điểm so với phương thức nghe nhờ tai ngoài thông thường.

Friedel cho biết: “Điều này liên quan đến một vấn đề gọi là trở kháng phối hợp. Nếu âm thanh do không khí sinh ra tiếp xúc với bề mặt mô, phần lớn năng lượng sẽ bị phản xạ. Đó là do trở kháng âm (một đơn vị dùng để xác định mức độ dễ dàng một sóng âm thanh có thể được phát ra) của không khí nhỏ hơn nhiều so với trở kháng âm của mô (hay tai trong). Để giải quyết vấn đề này, tai giữa của động vật có vú sở hữu 3 xương nhỏ giúp truyền âm thanh từ màng nhĩ đến tai trong. Loài rắn không có tai giữa cũng như 3 xương nhỏ, nhưng bằng cách sử dụng con đường quai hàm – xương vuông – xương bàn đạp, nó đã tránh được vấn đề trở kháng phối hợp”.