Cá cao xạ pháo là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về cá cao xạ pháo

Cá cao xạ pháo là tên gọi phổ thông dùng để chỉ nhóm cá thuộc chi Toxotes, nổi bật với khả năng phun nước bắn hạ côn trùng trên cạn. Đây là một hành vi săn mồi hiếm có trong giới cá và đã thu hút nhiều nghiên cứu sinh học hành vi và thần kinh học trên thế giới. Khả năng điều chỉnh tia nước chính xác, linh hoạt của chúng đã trở thành chủ đề nghiên cứu điển hình trong lĩnh vực thị giác – vận động.

Tên khoa học của nhóm này là Toxotes, thuộc họ Toxotidae. Chúng là động vật có xương sống, sống ở vùng nước ngọt và nước lợ, với đặc điểm hình thể dễ nhận biết: thân dẹt hai bên, mõm nhọn, miệng chếch lên trên và mắt lớn. Màu sắc thường là ánh bạc pha các mảng đen tạo thành vệt – giúp ngụy trang hiệu quả khi săn mồi ở vùng nước trong.

Điểm độc đáo của loài này là khả năng nhắm và bắn tia nước với góc và lực được điều chỉnh tùy thuộc vào khoảng cách con mồi. Điều này đòi hỏi hệ thống điều khiển thần kinh – cơ tinh vi, hiếm gặp trong các loài cá khác. Do đó, cá cao xạ pháo không chỉ là sinh vật thú vị trong tự nhiên mà còn là mô hình nghiên cứu có giá trị trong khoa học thần kinh thị giác.

Các loài thuộc chi Toxotes

Chi Toxotes hiện có hơn 7 loài được công nhận, phân biệt chủ yếu dựa trên hình thái, kích thước, vùng sinh sống và hành vi săn mồi. Dưới đây là một số loài tiêu biểu đã được ghi nhận và phân loại:

Một số loài sống thuần nước ngọt, trong khi những loài khác thích nghi với môi trường nước lợ ven biển, cửa sông. Mặc dù có sự khác biệt về vùng sống, tất cả đều có chung cơ chế săn mồi bằng cách phun nước vào côn trùng đứng trên lá hoặc cành cây phía trên mặt nước.

Khả năng cao xạ không đồng đều giữa các loài. Ví dụ, T. chatareus có lực bắn mạnh hơn nhưng chính xác kém hơn so với T. jaculatrix. Ngoài ra, hành vi săn mồi cũng phụ thuộc vào độ tuổi, kích thước và kinh nghiệm cá nhân.

Hệ sinh thái sống và phân bố địa lý

Cá cao xạ pháo sinh sống chủ yếu ở các hệ sinh thái nước lợ, đặc biệt là vùng cửa sông, đầm phá, kênh rạch ven rừng ngập mặn hoặc rừng mưa nhiệt đới. Chúng thích nghi tốt trong các môi trường có độ mặn dao động và độ trong của nước cao – điều kiện lý tưởng để quan sát con mồi trên cạn.

Phân bố địa lý của chi Toxotes bao gồm:

• Đông Nam Á: Thái Lan, Campuchia, Việt Nam, Malaysia, Indonesia
• Châu Đại Dương: Papua New Guinea, quần đảo Solomon
• Australia: chủ yếu vùng phía Bắc

Tại Việt Nam, cá cao xạ pháo từng được ghi nhận tại các vùng cửa sông Cửu Long, kênh rạch rừng tràm và hệ thống sông miền Trung. Tuy nhiên, dữ liệu về phân bố nội địa còn khá hạn chế.

Các yếu tố sinh thái quyết định sự hiện diện của cá cao xạ pháo bao gồm:

• Độ mặn: thích nghi tốt từ nước ngọt đến nước lợ (salinity 0–15‰)
• pH nước: thường trong khoảng 6.5–7.5
• Độ trong: cần nước trong để quan sát mục tiêu
• Thảm thực vật ven bờ: nơi côn trùng cư trú

Môi trường sống bị xáo trộn (ô nhiễm, phá rừng, khai thác nước quá mức) sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng sinh tồn của loài này, vì chúng phụ thuộc vào các yếu tố thị giác để săn mồi hiệu quả.

Cơ chế cao xạ: cấu trúc sinh học và vật lý

Hành vi cao xạ của cá là kết quả của một cấu trúc giải phẫu tinh vi và khả năng điều khiển chính xác các cơ vùng hàm và lưỡi. Khi xác định được con mồi, cá hạ thấp lưỡi, tạo thành một rãnh nhỏ giữa vòm miệng và hàm trên, sau đó đẩy nước ra ngoài với áp lực lớn để tạo thành tia bắn chính xác.

Tốc độ và áp lực tia nước thay đổi tùy vào khoảng cách và kích thước con mồi. Một số nghiên cứu cho thấy cá có thể điều chỉnh vận tốc bắn từ 1 m/s đến hơn 3 m/s. Cấu trúc đặc biệt ở mắt cũng cho phép cá điều chỉnh góc bắn để bù cho hiện tượng khúc xạ ánh sáng tại mặt nước.

Mô hình vật lý của tia nước có thể được mô tả theo công thức:

$P = \frac{1}{2} \rho v^2$

Trong đó: $P$ là áp lực, $\rho$ là mật độ nước, và $v$ là vận tốc tia nước. Thí nghiệm tại Đại học Bayreuth (Đức) đã chứng minh cá không chỉ dựa vào bản năng mà còn có khả năng điều khiển áp suất và vận tốc bắn theo cách “tính toán”.

Hành vi cao xạ bao gồm 4 giai đoạn:

1. Phát hiện con mồi
2. Định vị và tính toán góc bắn
3. Phun tia nước và điều chỉnh lực
4. Bơi lên mặt nước để nuốt mồi sau khi con mồi rơi

Đây là một ví dụ điển hình về phản xạ phức tạp dựa trên sự phối hợp giữa hệ thần kinh trung ương và hệ vận động ngoại vi trong thế giới động vật.

Hành vi săn mồi và học tập thị giác

Cá cao xạ pháo không chỉ phun nước theo bản năng, mà còn học hỏi và điều chỉnh kỹ thuật săn mồi qua kinh nghiệm. Quá trình học tập diễn ra cả ở cá non và cá trưởng thành, đặc biệt rõ rệt trong môi trường có kích thích lặp lại hoặc sự thay đổi trong phản hồi từ môi trường. Đây là một trong số ít loài cá thể hiện rõ khả năng học hành vi dựa trên quan sát và điều chỉnh có chủ đích.

Khi phun trượt, cá sẽ quan sát phản ứng của con mồi và điều chỉnh lại góc, lực phun, khoảng cách trong lần sau. Điều này đòi hỏi sự phối hợp phức tạp giữa hệ thị giác, phân tích không gian và điều khiển vận động. Dù phải nhìn qua mặt nước – nơi ánh sáng bị khúc xạ – cá vẫn ước lượng chính xác vị trí mục tiêu nhờ cơ chế thị giác hiệu chỉnh (compensatory aiming).

Một số nghiên cứu tại Current Biology cho thấy cá cao xạ pháo có thể phân biệt hình dạng và vị trí các vật thể dù hình ảnh bị méo qua mặt nước. Đây là minh chứng cho thấy cá sở hữu khả năng xử lý hình ảnh thị giác tương đối cao cấp trong giới động vật thủy sinh.

Vai trò sinh thái trong chuỗi thức ăn

Cá cao xạ pháo đóng vai trò trung gian trong chuỗi thức ăn khu vực ven sông – nơi có sự giao thoa giữa hệ sinh thái thủy sinh và trên cạn. Chúng là loài săn mồi thứ cấp, chuyên tấn công các loài côn trùng nhỏ như kiến, nhện, ruồi, ong, gián sống bám trên lá cây hoặc cành gần mặt nước.

Khả năng tấn công các loài trên cạn giúp cá mở rộng phạm vi thức ăn hơn so với cá truyền thống. Điều này cũng góp phần điều hòa mật độ côn trùng quanh các hệ sinh thái ven bờ, góp phần ổn định cân bằng sinh học và hạn chế bùng phát quần thể côn trùng gây hại.

Tuy nhiên, cá cao xạ pháo cũng là đối tượng săn mồi của các loài như cá lớn hơn, chim nước và bò sát. Trong lưới thức ăn, chúng vừa là kẻ săn mồi vừa là con mồi, đóng vai trò kết nối dinh dưỡng giữa môi trường nước và cạn.

Ứng dụng trong nghiên cứu thần kinh – hành vi

Do hành vi cao xạ đòi hỏi sự phối hợp thị giác – vận động phức tạp và khả năng điều chỉnh theo phản hồi, cá cao xạ pháo được dùng như một mô hình nghiên cứu điển hình trong lĩnh vực sinh học thần kinh, học tập hành vi và thị giác động vật.

Nghiên cứu tại PLOS ONE chứng minh cá có thể thực hiện tính toán động học nhằm hiệu chỉnh đường đi của tia nước, tương đương với khả năng “tính toán” ở các loài chim hoặc động vật có vú cấp cao. Sự phối hợp giữa định vị không gian và lực bắn có liên hệ mật thiết với hoạt động của thùy não thị giác và trung tâm vận động.

Các nhà khoa học cũng đang tìm hiểu về ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực robot sinh học và AI, dựa trên mô phỏng khả năng xác định mục tiêu và điều chỉnh quỹ đạo nước của cá. Hành vi của cá cao xạ pháo là một trong những mô hình hiếm trong thế giới động vật giúp mô phỏng quá trình học có phản hồi trong môi trường ba chiều.

Nguy cơ và bảo tồn

Hiện tại, cá cao xạ pháo chưa được xếp vào nhóm nguy cấp theo tiêu chuẩn của IUCN. Tuy nhiên, một số quần thể đã giảm đáng kể do thay đổi sinh cảnh, phá rừng ven sông, ô nhiễm nguồn nước và khai thác làm cảnh không kiểm soát.

Môi trường sống lý tưởng của chúng – rừng ngập mặn, cửa sông, kênh rạch có tán cây – đang bị thu hẹp nhanh chóng do đô thị hóa và phát triển nông nghiệp. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn thức ăn và khả năng sinh sản, đặc biệt ở những vùng nước bị ô nhiễm nặng.

Các biện pháp bảo tồn cần bao gồm:

• Bảo vệ sinh cảnh tự nhiên (rừng ngập mặn, cửa sông)
• Giám sát buôn bán cá cảnh có nguồn gốc tự nhiên
• Giáo dục cộng đồng về vai trò sinh thái của loài cá này

Việc đưa cá vào danh sách giám sát quốc gia và hạn chế khai thác hoang dã sẽ góp phần bảo vệ đa dạng sinh học trong vùng nước lợ nhiệt đới.

Khả năng nuôi nhốt và điều kiện sinh lý học

Cá cao xạ pháo có thể được nuôi làm cá cảnh, tuy nhiên đòi hỏi kỹ thuật cao và điều kiện môi trường đặc thù. Chúng cần không gian bơi lớn, độ mặn ổn định và khu vực trống phía trên mặt nước để duy trì hành vi cao xạ.

Điều kiện nuôi lý tưởng gồm:

• Bể từ 150–200 lít trở lên
• Nước hơi lợ: 3–10‰ (có thể dùng muối hồ cá biển)
• Nhiệt độ: 25–28°C; pH: 6.5–7.5
• Thức ăn sống: côn trùng, tép nhỏ, sâu gạo

Cá thường sống theo nhóm nhỏ và có thể sống từ 5 đến 10 năm trong điều kiện nuôi nhốt nếu được chăm sóc tốt. Tuy nhiên, chúng không phù hợp nuôi chung với cá nhỏ khác vì có xu hướng săn mồi khi đói. Việc tái tạo hành vi cao xạ trong bể nuôi cũng cần môi trường tương tự tự nhiên và có kích thích thị giác phía trên mặt nước.

Tài liệu tham khảo

1. Gerald Schuster et al. (2014), Nature Communications – How archerfish generate powerful water jets
2. FishBase – Toxotes jaculatrix
3. Current Biology – Archerfish learn to compensate for refraction
4. PLOS ONE – Visual computation in archerfish
5. IUCN Red List – Global conservation status