Cá voi, cá heo và cá mập là những loài động vật biển có kích thước khá lớn, khi nhìn từ xa, chúng có vẻ khá giống nhau, vậy làm thế nào để biết được đó là một con cá mập trắng hung dữ hay là một con cá heo ngoan ngoãn? Để có thể phân biệt được điều này, hầu hết mọi người đều dựa theo cách bơi và hình dáng vây đuôi của chúng, nếu đuôi thẳng đứng thì đó là một con cá mập, còn vây đuôi nằm ngang thì chắc chắn đó là một con cá heo.
Tương tự, khi các nhiếp ảnh gia chụp ảnh từ trên không họ sẽ phân biệt được đó là một con cá mập nếu thân hình của chúng bơi lắc liên tục sang hai bên còn nếu vẫy từ trên xuống dưới thì đó là cá heo hoặc cá voi. Vậy tại sao đều là sinh vật biển, chúng lại có cách bơi khác biệt như vậy?
Mặc dù cá voi và cá heo hiện có cơ thể được tiến hóa để phù hợp với đời sống thủy sinh và trông chúng rất giống các loài cá khác, nhưng về bản chất chúng vẫn là loài động vật có vú, bởi vậy cấu trúc cột sống của chúng rất khác các loài cá.
Cột sống của chúng chủ yếu di chuyển theo hướng lên xuống, trong khi cột sống của cá dao động sang hai bên. Xương ở đuôi của các loài động vật có vú thực chất là đốt sống đuôi, và là một phần của cột sống, bởi vậy hướng di chuyển của đuôi sẽ phải phù hợp với toàn bộ cột sống.
Vì vậy, các loài động vật có vú, bao gồm cả cá voi, chủ yếu vung đuôi theo hướng lên xuống, trong khi cá vẫy đuôi sang hai bên.
Tại sao có sự khác biệt như vậy? Bởi vì động vật có vú sống trên cạn, mặc dù hiện tại các loài cá voi đã hoàn toàn thích nghi với đời sống thủy sinh, nhưng tổ tiên của chúng lại là động vật có vú ở trên cạn. Để có thể thích nghi với đời sống trên cạn thì điều đầu tiên là phải có khả năng di chuyển nên hầu hết các loài động vật trên cạn đều cần phải có chân.
Tuy nhiên, chân của chúng muốn di chuyển được thì cần phải có các khớp để nối chân với cơ thể và xoay theo một hướng nhất định để có thể đẩy cơ thể tiến về phía trước.
Động vật có vú phải di chuyển về phía trước nên các chi của chúng cần phải di chuyển theo hướng tiến lên theo đường thẳng. Nếu cột sống xoay sang hai bên thì chuyển động của cột sống và chuyển động của các chi sẽ không nằm trên cùng một mặt phẳng, toàn bộ cơ thể sẽ rất cứng, nhưng nếu nó được thiết kế để có thể chuyển động theo hướng lên xuống thì lúc này các chi sẽ cực kì linh hoạt và có thể di chuyển qua nhiều địa hình khác nhau. Do đó, động vật có vú cuối cùng đã chọn cách tiến hóa để cột sống đung đưa lên xuống.
Còn đối với loài cá, chúng đã sống dưới nước suốt 500 triệu năm qua kể từ khi xuất hiện và chưa bao giờ phải sống trên cạn. Ở dưới nước, chúng không cần phải có chân và cơ thể có thể dễ dàng bơi theo cách di chuyển cột sống sang hai bên, vì vậy cột sống của cá không cần phải thay đổi giống như các loài động vật có vú.
Bởi vậy khi nhìn từ góc độ giải phẫu, cột sống của các loài cá rất cứng khi nhìn từ bên cạnh, trong khi cột sống của động vật có vú lại có độ cong nhất định và linh hoạt hơn rất nhiều.
Cấu trúc xương của cá.
Ở cấu trúc xương của động vật có vú, các xương sườn được kết nối cong sang hai bên để tạo khoang của cơ thể và các gai đốt sống được thay đổi để mở hướng xoay của cột sống, hỗ trợ cơ thể phát triển theo hướng di chuyển lên xuống của cột sống.
Ngoài ra, tất cả các loài động vật có vú đều tiến hóa từ cá (cá → lưỡng cư → bò sát → động vật có vú), nhưng khoảng 50 triệu năm trước, tổ tiên của các loài cá voi quyết định quay trở lại đại dương khi chúng đã rời khỏi mặt nước 250 triệu năm. Cấu trúc cơ thể của chúng đã thích nghi cao với cuộc sống trên cạn và không thể thay đổi kết cấu trở lại hình dạng của tổ tiên chúng như những loài cá.
Kết quả là, chúng phải điều chỉnh và biến đổi cấu trúc hiện có, các chi biến đổi để có được hình dáng giống vây, đuôi thì thoái hóa để trở nên dày hơn, khỏe hơn để có thể hỗ trợ quá trình di chuyển với đời sống thủy sinh.
Cấu trúc xương của các loài cá voi.
Cũng chính bởi sự khác biệt về cấu trúc xương như vậy mà các loài cá di chuyển cột sống sang hai bên còn cá voi thì di chuyển theo hướng quẫy đuôi lên xuống. Ngoài ra thì các động vật có vú biển khác như hải cẩu, sư tử biển đều có cách bơi tương tự như cá voi.
Vậy cấu trúc cột sống nào có hiệu quả sinh tồn hơn? Nếu như ở trên cạn, những lợi thế của chuyển động lên xuống của cột sống là rõ ràng, bởi vì theo cách này, động vật di chuyển nhanh hơn và có khả năng vận động tốt hơn.
Trong số các động vật có xương sống trên cạn hiện có, cá sấu, thằn lằn và rắn là các loài có hướng di chuyển cột sống sang hai bên và chúng chỉ có thể bò sát bụng với mặt đất. Cột sống của động vật bậc cao, chim và động vật có vú chủ yếu là chuyển động lên xuống.
Những loài 4 chân đầu tiên trên Trái Đất (Tetrapod) có nguồn gốc từ cá và ban đầu cột sống của chúng cũng dao động sang hai bên như cá sấu, nhưng để thích nghi hẳn với cuộc sống trên cạn, chúng đã phải thay đổi lại cấu trúc của cột sống.
Trong hơn 200 triệu năm kể từ khi khủng long xuất hiện, những động vật thống trị Trái Đất đều là những loài có cấu trúc xương sống di chuyển lên xuống. Một số người cho rằng sự tiến bộ của khủng long trong cách di chuyển là một trong những lợi thế để chúng trở thành loài động vật từng thống trị hành tinh của chúng ta suốt một thời gian dài.
Tuy nhiên, trong môi trường nước thì lại không có sự khác biệt quá rõ ràng về lợi thế giữa việc chuyển động của cột sống lên xuống hay dao động sang hai bên.
Mặc dù cá đã cai trị đại dương trong 500 triệu năm và vẫn phát triển một cách rất thịnh vượng. Còn cá voi chỉ mới xuất hiện dưới đại dương vài chục triệu năm, nhưng chúng đã tiến hóa để thích nghi hoàn toàn với cuộc sống thủy sinh và có mặt ở khắp mọi nơi, trong đó có những loài phát triển thành những sinh vật to lớn nhất trên hành tinh.
Ngoài ra khả năng bơi lặn của các loài cá voi không hề thua kém so với các loài cá, bởi vậy có thể chứng tỏ rằng việc chuyển động cột sống theo hướng lên xuống hay sang hai bên đều có thể thích nghi tốt với đời sống thủy sinh.