Tế bào to nhất nhỏ nhất là trứng và tinh trùng. Tinh trùng là tế bào nhỏ nhất trong cơ thể sinh học của con người, nhưng cũng là một trong những thứ có cấu trúc phức tạp nhất. Trứng trong khi đó là tế bào lớn nhất và cũng phức tạp không kém.
Nhìn xa hơn vào thế giới tự nhiên, sự đa dạng của các tế bào sinh dục này, còn được gọi là các giao tử, thực sự đáng chú ý.
Hầu hết các loài đều có hai giao tử, chúng ta gọi là đực và cái.
“Giao tử có hai công việc cơ bản: mang theo các nguồn tài nguyên, đảm bảo có thể nuôi dưỡng cho các con con, và tìm các giao tử của cùng một loài rồi hợp nhất với nhau. Để làm tốt cả hai nhiệm vụ này quả là một thách thức, bởi chúng có động cơ đối lập nhau,” Matthew Gage từ Đại học East Anglia, Anh giải thích.
“Phương án tốt nhất là phải tạo ra các giao tử có khả năng tối đa hóa khả năng sinh tồn của các con con, và do đó trong quá trình tiến hóa, các giao tử cần phải trở nên to lớn hơn, chứa nhiều dưỡng chất hơn, và đó là thứ mà chúng ta gọi là trứng, do các con thuộc giống cái tạo ra.”
“Một phương án tối ưu khác là các giao tử cần phải trở nên thích ứng tốt nhất cho việc hợp nhất, và do vậy quá trình tiến hóa đã tạo ra hàng triệu các giao tử mà ta gọi là tinh trùng, do các con thuộc giống đực sinh ra.”
Cuộc chiến khốc liệt giữa các “chiến binh”
Tại sao các tế bào tinh trùng có nhiều hình dạng và kích thước như vậy – đây quả là một lĩnh vực nghiên cứu phong phú.
Bạn có thể sẽ cho rằng những sinh vật nhỏ nhất sẽ là những loài có tế bào sinh dục nhỏ nhất. Thế nhưng điều này không hẳn luôn luôn đúng.
Trong thực tế thì tinh trùng dài nhất mà chúng ta biết đến thuộc về một loài ruồi.
Ruồi giấm Drosophila bifurca tạo ra một tế bào tinh trùng giống như một quả bóng dây. Khi các nhà khoa học làm sáng tỏ tế bào và đo nó từ đầu đến cuối, họ phát hiện ra rằng nó dài gần 6cm, tức là dài gấp 20 lần cơ thể của con ruồi đực.
Trong một nghiên cứu được công bố vào năm 2016, các nhà nghiên cứu cho rằng những “tinh trùng khổng lồ” này là có vai trò tương đương của đuôi con công. Đó là bởi bọn ruồi cái ưa tinh trùng dài.
Nhưng không phải lúc nào cũng dài hơn là tốt hơn. Tinh trùng ngắn nhất từng được biết đến thuộc về một loài ruồi sống ký sinh, Cotesia congregata, với chiều dài chưa đến 7 micromet (0,0007cm).
Theo Rhonda Snook thuộc Đại học Sheffield, Vương quốc Anh, có một số cách giải thích khả dĩ cho sự biến đổi cực đoan về kích thước tinh trùng.
Nghiên cứu của Snook chỉ ra rằng đời sống tự nhiên loại bỏ tất cả, chỉ giữ lại những hình dạng và kích thước tinh trùng thành công nhất. Nghe có vẻ kỳ lạ khi cả tinh trùng dài và ngắn đều có thể được ưa thích, nhưng vấn đề ở đây là tính hiệu quả trong việc cạnh tranh và được lựa chọn.
Khi con cái giao phối với nhiều con đực, các tinh trùng phải cạnh tranh quyết liệt và chỉ có những tinh trùng phù hợp nhất mới giành được quyền thụ tinh cho trứng.
Áp lực này đã dẫn tới vô số các biến thể khác nhau để hướng tới cấu trúc thích hợp nhất, bao gồm cả việc tạo ra những cái đuôi khổng lồ trong tinh trùng ruồi giấm.
Các ví dụ khác về cuộc cạnh tranh khốc liệt của các tinh trùng có thể kể đến mọt gỗ, là loài tạo thành “các đoàn tàu” hoạt động hợp tác với nhau, hay tinh dịch của một số loài ruồi và bọ cánh cứng có khả năng tạo độc tố cho tinh trùng của tình địch.
Một trong những chiến thuật phổ biến nhất được sử dụng bởi các con đực là hình thức tạo “khóa trinh tiết”, theo đó con đực sau khi ái ân sẽ tiết ra chất keo bít kín bộ phận sinh dục của con cái để các con đực khác không thể giao phối với con cái đó được nữa. Đây là “chiến thuật” được nhện, ong bò vẽ, sóc và thậm chí một số loài linh trưởng sử dụng.
Để giành được quyền duy trì nòi giống, các con đực phải tìm cách chiếm thế thượng phong bằng cách rất nhiều tinh trùng nhỏ, hoặc “đánh tiếng bạc lớn”, đầu tư tất cả vào một số lượng tinh trùng tuy ít thôi nhưng thật khỏe mạnh.
Cách nào là tốt nhất thì còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác nữa, chẳng hạn như thời gian tinh trùng cần bơi là bao lâu để đến được vị trí “công thành”, thụ tinh cho trứng, lượng năng lượng mà con đực còn lại nhiều ít ra sao sau khi đã phải trổ hết tài năng ngón nghề, phải nhảy múa, phải hót, phải phô diễn vẻ đẹp sặc sỡ để quyến rũ con cái (như trong trường hợp khỉ đầu chó).
Hơn nữa, một nghiên cứu năm 2015 cho thấy rằng động vật có vú với kích thước lớn hơn thì sản xuất ra tinh trùng nhỏ hơn vì ống sinh sản ở con cái lớn hơn. Điều này là hợp lý nếu ta nghĩ thế này: ở một sân bãi lớn hơn, ta sẽ cần có nhiều cầu thủ hơn.
Trên hết, con cái còn có khả năng chọn lựa đầy bí ẩn: ở một số loài, con cái có thể lựa chọn, cho phép tinh trùng cụ thể nào đó thụ tinh cho trứng của chúng.
“Chúng tôi không biết nhiều về việc liệu nó có phải là sự cạnh tranh tinh trùng hay sự lựa chọn bí ẩn của con cái đang làm thay đổi hình thái tinh trùng hay không,” Snook nói. “Nhưng giống như hầu hết các câu hỏi khoa học, nhiều khả năng nó sẽ là sự kết hợp của những áp lực lựa chọn này.”
Thế giới phức tạp của trứng
Các tế bào sinh dục ở con cái cũng phức tạp không kém.
Quả trứng lớn nhất được đẻ ra bởi một sinh vật hiện vẫn còn tồn tại thuộc về đà điểu. Nó nặng gấp 20 lần so với trứng gà, dài khoảng 15cm và có đường kính chỗ rộng nhất là 13cm. Ngược lại, trứng chim nhỏ nhất thuộc về chim ruồi nhỏ xíu: nó có kích thước chưa đến 7mm, bằng cỡ hạt đậu.
Tim Birkhead từ Đại học Sheffield ở Anh là tác giả viết ra Điều hoàn hảo nhất: Bên trong (và bên ngoài) của trứng chim. Ông nói rằng trong số các loài chim, kích thước trứng là tương đối cân đối với kích thước cơ thể, nhưng với một vài ngoại lệ đáng chú ý, và sự khác biệt đó là để làm cho mọi thứ không trở nên quá dễ dàng.
“Quạ và chim biển uria aalge có kích cỡ tương tự nhau, nặng khoảng 1kg”, ông nói. “Tuy nhiên, một quả trứng quạ chỉ nặng bằng 3% trọng lượng cơ thể của con cái, trong khi trứng của con uria aalge là khoảng 12%.”
Birkhead nói rằng một yếu tố quan trọng trong việc xác định kích thước của trứng là cách thức mà các con non phát triển. “Các loài sinh sản mang tính tiền xã hội – đến khi nở mới phát triển hết, như ở chim – thì thường đẻ trứng tương đối lớn, như trong trường hợp quạ so với chim uria aalge,” ông nói.
Điều này đặc biệt khó hiểu, bởi vì chúng ta có chút không nhất quán trong cách sử dụng thuật ngữ “trứng”.
Để giải thích một cách dễ hiểu thì lấy ví dụ khi bạn so sánh trứng ở người, có đường kính 0,12mm, với trứng gà dài dài 55mm. Vấn đề ở đây là trứng gà không chỉ có mỗi tế bào trứng mà còn có rất nhiều thứ khác trong đó.
Trong khi người phụ nữ nuôi giữ bào thai ở trong tử cung thì những loài đẻ trứng, như gà, chim, lại phải cung cấp đủ yếu tố cần thiết để cho các con non tiếp tục phát triển sau khi trứng đã ra khỏi cơ thể mẹ.
Để làm được điều này, chúng đã tạo ra một cấu trúc – hơi gây nhầm lẫn bởi cũng được gọi là trứng – trong đó có sự kết hợp của thức ăn, nước và chức năng bảo vệ khỏi các yếu tố tác động bên ngoài. Đây là điều xảy ra ở hầu hết trong vương quốc động vật, từ chim cho tới côn trùng và cá.
Bạn có thể thấy rằng một phần của một quả trứng gà phát triển thành phôi thai, nhưng điều đó không thể xảy ra nếu như không có các dưỡng chất kèm theo và vỏ trứng bảo vệ. Theo cách phân tích đó thì trứng đà điểu vẫn là tế bào trứng lớn nhất trên Trái Đất.
Theo Birkhead, lại một lần nữa nhu cầu tiến hóa đóng vai trò xác định kích thước trứng. Trong một số trường hợp, việc sản sinh ít trứng hơn nhưng với kích thước lớn hơn có thể là lựa chọn tốt nhất, trong khi ở các loài khác thì việc cho ra nhiều trứng hơn lại là cách thích hợp hơn.
Điều rõ ràng là nếu bạn muốn xem các tế bào trứng nhỏ nhất trên thế giới, bạn sẽ cần phóng to lên rất nhiều lần.
Theo một đánh giá năm 1994 bởi các nhà côn trùng học tại Đại học Florida, ký sinh trùng đẻ trứng của chúng ở các loài động vật nhỏ khác thường có trứng nhỏ nhất.
Có lẽ không ngạc nhiên, dữ liệu về những quả trứng vi mô này khó tìm. Theo đánh giá năm 1994, một loài ruồi ký sinh nhỏ, Clemelis pullata, có trứng nhỏ nhất được biết đến, với kích thước 0,027mm x 0,02 mm.
Tuy nhiên, chưa có ai nghiên cứu các tế bào sinh dục của ong cái ký sinh trùng thu nhỏ: loài đom đóm. Đây là loài côn trùng nhỏ nhất trên thế giới, thường chỉ dài từ 0,5 đến 1mm.
Nhìn chung, có vẻ như trứng của chúng khá nhỏ.
