Hóa thạch kỳ lạ 540 triệu năm tuổi làm rung chuyển lịch sử tiến hóa

Bí ẩn kỷ Cambri - khi sự sống khoác lên mình lớp vỏ đầu tiên

Khoảng 540 triệu năm trước, Trái Đất bước vào một giai đoạn bùng nổ kỳ diệu của sự sống. Vụ nổ sinh học “Cambrian explosion” đã tạo nên gần như mọi mô hình cơ thể động vật mà chúng ta biết ngày nay. Những đại dương cổ của kỷ Cambri chứa đầy những sinh vật kỳ lạ: sâu có gai, bọt biển khoác áo khoáng, động vật giống tôm khổng lồ với mắt kép… Lần đầu tiên trong lịch sử, sự sống biết khoáng hóa, tức là biến mô mềm thành cấu trúc cứng rắn, mở đường cho xương, vỏ và lớp bảo vệ đầu tiên của thế giới sinh vật.

Tiến sĩ Prescott Vadya đã có một cuộc nghiên cứu chuyên sâu về Salterella.Ảnh: Spencer Coppage

Trong số hàng nghìn hóa thạch được khai quật từ các trầm tích của kỷ Cambri, một loài nhỏ bé nhưng đang khiến các nhà khoa học bối rối suốt hơn một thế kỷ, đó là Salterella. Hóa thạch của nó có dạng hình nón, dài chỉ vài milimét, xuất hiện rải rác ở Bắc Mỹ, Greenland và cả Nam Mỹ. Dưới kính hiển vi, nó không giống bất kỳ sinh vật nào từng được biết: không hẳn là động vật thân mềm, cũng chẳng phải san hô hay giun.

Khi nhà địa chất người Anh James Hall Salter lần đầu mô tả mẫu vật này vào thế kỷ XIX, ông chỉ có thể nói rằng đây là một “ống hình nón chứa vật chất khoáng”. Từ đó, hàng chục giả thuyết đã được đưa ra: Salterella là một loại mực cổ, là họ hàng xa của ốc hay là một sinh vật chưa từng có tiền lệ trong cây tiến hóa? Câu trả lời tạm thời rơi vào im lặng suốt nhiều thập kỷ cho đến khi một nhóm nghiên cứu quốc tế do Tiến sĩ Prescott Vadya thuộc Đại học Virginia Tech (Mỹ) thực hiện phân tích hiển vi và hóa học tinh thể trên hàng chục mẫu hóa thạch Salterella được bảo tồn gần như nguyên vẹn. Kết quả vừa được công bố đã khiến giới cổ sinh học phải xem xét lại nền tảng tiến hóa của chính khái niệm “bộ xương”.

Salterella - kẻ “phá luật” trong tiến trình tạo vỏ

Khi nhìn qua kính hiển vi điện tử, vỏ của Salterella hiện ra như một công trình vi mô tinh xảo. Phần vỏ ngoài được tạo thành từ calcite - khoáng chất carbonat canxi thường thấy trong vỏ sò, vỏ ốc. Nhưng điều khiến giới khoa học ngỡ ngàng lại nằm ở phần bên trong: khoang rỗng của nó được lấp đầy bởi những hạt khoáng được chọn lọc kỹ lưỡng, xếp lớp một cách có trật tự như thể sinh vật này đã tự tay “đóng gạch” xây tường cho chính mình.

Theo nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Prescott Vadya, Salterella dường như vừa tự tiết ra khoáng chất để khoáng hóa vỏ, vừa thu nhặt các hạt khoáng từ môi trường rồi kết dính lại - hai chiến lược hoàn toàn khác nhau trong thế giới sinh học. “Nó phá vỡ mọi quy luật tiến hóa thông thường. Chúng ta chưa từng biết đến sinh vật nào làm điều tương tự”, Tiến sĩ Prescott Vadya nói.

Tiến sĩ Prescott Vadya cũng cho biết, ông và các cộng sự đã dành bốn năm qua để thu thập các mẫu hóa thạch từ những nơi như Thung lũng Chết và Yukon, Canada, cũng như từ những nơi gần nhà hơn nhiều ở quận Wythe, Virginia. Làm việc với các đồng nghiệp tại Đại học Kỹ thuật Virginia, Đại học Johns Hopkins, Đại học Dartmouth, Đại học Missouri và Bảo tàng Khoa học và Tự nhiên Denver, ông đã nghiên cứu hình dạng, thành phần khoáng chất và cấu trúc tinh thể của những sinh vật này với hy vọng tìm ra một bối cảnh cho chúng.

Hóa thạch Salterella từ Canada.Ảnh: Spencer Coppage

Thực tế ngày nay cho thấy, đa số động vật có vỏ chỉ sử dụng một trong hai cơ chế: tạo khoáng vật bên trong cơ thể, như cách sò, san hô hay con người tạo xương, răng; hoặc thu gom hạt cát, mảnh khoáng, rồi kết dính bằng chất hữu cơ, như giun ống hay một số động vật nguyên sinh. Nhưng Salterella thì lại kết hợp cả hai. Lớp ngoài của nó là calcite do cơ thể kiểm soát; lớp trong (phần khoang vỏ) là hỗn hợp khoáng vật agglutinated, được chọn lọc theo kích thước và thành phần hóa học. Dưới kính hiển vi, các lớp laminae xếp thành từng tầng gọn gàng như vảy ngọc, gợi ý một cơ chế sinh học tinh vi hơn nhiều so với một “ống khoáng” đơn thuần.

Chính sự lai ghép sinh học - khoáng học này khiến các nhà khoa học khó đặt Salterella vào bất kỳ nhóm động vật nào. Ban đầu, các nhà khoa học phân loại Salterella cùng với mực và bạch tuộc. Sau đó, chúng được phân loại với các sinh vật có họ hàng gần với sên biển. Sau đó, chúng được xếp vào nhóm tổ tiên của sứa. Rồi lại được xếp vào nhóm giun. Cuối cùng, vào những năm 1970, một nhà nghiên cứu đã tạo ra một phân loại mới cho Salterella, cùng với một hóa thạch cũ hơn một chút với cấu trúc tương tự được gọi là Volborthella. Tuy nhiên, các dữ liệu cấu trúc mới đã hé lộ điều bất ngờ: Salterella có thể là họ hàng xa của sứa và hải quỳ thuộc loài Cnidaria, nhóm động vật cổ xưa chuyên sống bám đá và dùng tua độc để bắt mồi. Nếu giả thuyết này đúng, điều đó có nghĩa rằng những sinh vật giống sứa - vốn được coi là “mềm mại, không xương” - có thể đã từng tạo vỏ cứng từ hàng trăm triệu năm trước. Nó cũng lật ngược quan niệm truyền thống về nguồn gốc của bộ khung khoáng trong giới động vật.

Lát cắt mỏng theo chiều dọc của Salterella maccullochi (Murchison 1859) từ hệ tầng Hyolithus Creek thuộc Kap Weber, Đông Bắc Greenland

Manh mối về sự hình thành bộ xương đầu tiên của động vật

Phát hiện về Salterella không chỉ làm rõ danh tính của một hóa thạch bí ẩn, mà còn mở ra manh mối cho câu hỏi lớn hơn: khi nào và bằng cách nào động vật đầu tiên học được cách tạo ra xương? Kỷ Cambri là giai đoạn môi trường biển thay đổi mạnh mẽ. Các nhà địa hóa học gọi đây là thời kỳ chuyển đổi từ “biển aragonite” sang “biển calcite” - nghĩa là thành phần khoáng vật hòa tan trong nước biển thay đổi, làm cho calcite trở nên ổn định hơn. Chính sự thay đổi này được xem là “chất xúc tác” thúc đẩy nhiều sinh vật thử nghiệm các hình thức khoáng hóa khác nhau, nhằm tự vệ hoặc cố định cơ thể trong dòng nước. Salterella có thể đã là một trong những thí nghiệm tiến hóa đầu tiên ấy - một sinh vật nhỏ bé tìm cách tận dụng môi trường hóa học mới để củng cố thân thể của mình. Dù cơ chế ấy sau này không còn tồn tại, nó có thể đã truyền lại nguyên lý cơ bản cho các thế hệ sau: khoáng hóa mô sống để chống lại thế giới bên ngoài.

Một điểm khác khiến giới nghiên cứu chú ý là phạm vi phân bố toàn cầu của Salterella. Dấu vết của nó được tìm thấy ở Bắc Mỹ (Nevada, Yukon), Greenland, Argentina, thậm chí cả ở dãy Siberia cổ đại. Sự lan rộng này cho thấy Salterella từng rất thành công, ít nhất trong thời gian ngắn của kỷ Cambri. Chính điều này khiến nó trở thành hóa thạch chỉ dấu cho các tầng đá Cambri sớm, giúp xác định tuổi địa chất với độ chính xác cao.

Với cấu trúc lai giữa sinh học và khoáng học, Salterella giúp con người hình dung một thế giới nơi ranh giới giữa “sống” và “vô tri” chưa thật sự phân định rõ. Khi các đại dương cổ chứa đầy ion canxi, sinh vật bắt đầu thử nghiệm cách gắn kết chúng vào cơ thể - đôi khi ngẫu nhiên, đôi khi có chủ ý tiến hóa. Từ những thử nghiệm ấy, những bộ xương đầu tiên của hành tinh được hình thành.

Các mẫu vật đã được silic hóa và phosphat hóa của Salterella từ hệ tầng Forteau ở phía Tây Newfoundland

Ngày nay, Salterella chỉ còn được biết đến qua vài trăm mẫu hóa thạch nhỏ như đầu kim, lưu giữ trong các bảo tàng cổ sinh ở Canada, Mỹ, và Bắc Âu. Nhưng những gì nó tiết lộ lại mang tầm vóc vũ trụ: sự ra đời của hình thức sống biết tự khoáng hóa. Sự xuất hiện của những “vỏ đầu tiên” ấy đã thay đổi mọi thứ. Nó cho phép sinh vật phát triển kích thước lớn hơn, tăng cường bảo vệ khỏi kẻ săn mồi, và tạo nên chuỗi thức ăn phức tạp hơn. Những sinh vật “có xương” - dù chỉ là xương ngoài hay lớp vỏ mỏng - đã mở đầu cho cuộc đua vũ trang tiến hóa kéo dài hàng trăm triệu năm, dẫn đến san hô, ốc, cá, bò sát và cuối cùng là con người.

Nhà cổ sinh học Christian Skovsted, người từng mô tả các mẫu Salterella ở Greenland đã viết: “Nếu muốn hiểu nguồn gốc của chúng ta, hãy nhìn vào kỷ Cambri - nơi sự sống lần đầu học cách tạo nên hình hài cho chính mình”. Và giờ đây, nhờ vào sinh vật kỳ lạ Salterella, câu chuyện ấy trở nên sinh động hơn bao giờ hết.

Huyền Chi