Động vật đầu tiên phát triển bộ xương

Từ lâu, chúng ta đã biết đến lợi ích của một bộ xương cứng trong vương quốc động vật. Các loài động vật có xương sống có thể tăng trưởng nhanh chóng và di chuyển linh hoạt với khung xương chứa canxi và phốt pho. Trong khi đó, nhiều động vật thân mềm phát triển lớp vỏ bảo vệ làm bằng canxi carbonat (CaCO3). Một số loài bọt biển xây dựng khung xương bên trong bằng silica (SiO2) để lọc thức ăn. Câu hỏi đặt là những động vật đầu tiên có bộ xương trông như thế nào?

Trong một sự kiện gọi là “Bùng nổ kỷ Cambri” diễn ra cách đây khoảng 520–550 triệu năm, những động vật đầu tiên phát triển bộ xương cứng và chắc khỏe đột nhiên xuất hiện trong lịch sử địa chất, và dấu vết của chúng vẫn còn tồn tại dưới dạng xương hóa thạch cho đến ngày nay.

Các xương hóa thạch lâu đời nhất chỉ là những ống rỗng có cấu tạo đơn giản, dài từ vài mm đến vài cm. Tuy nhiên, loài động vật nào đã tạo ra những bộ xương đầu tiên vẫn là điều bí ẩn, bởi vì các mô mềm bao quanh bộ xương hiếm khi được bảo quản nên giới khoa học trước đây chưa thể xác định hình dạng ban đầu của chúng.

Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Proceedings of the Royal Society B vào tháng 11/2022, các nhà khoa học tại Đại học Vân Nam (Trung Quốc) và Đại học Oxford (Anh) đã tìm ra câu trả lời cho vấn đề này khi họ tiến hành phân tích các mẫu hóa thạch có niên đại cách đây 514 triệu năm ở Côn Minh, phía Đông tỉnh Vân Nam, Trung Quốc.

Nhóm nghiên cứu phát hiện bốn mẫu vật thuộc về một loài động vật có tên khoa học là Gangtoucunia aspera. Chúng vẫn còn lưu giữ dấu vết của các mô mềm, bao gồm cả phần ruột và miệng. Điều kiện kỵ khí (nghèo oxy) tại địa điểm khảo cổ đã hạn chế sự hiện diện của vi khuẩn thường làm phân hủy các mô mềm trong mẫu hóa thạch.

Gangtoucunia aspera sở hữu một chiếc miệng với các xúc tu nhẵn, không phân nhánh dài khoảng 5mm. Xúc tu có nhiệm vụ chính là bắt giữ con mồi, chẳng hạn như các động vật chân đốt nhỏ để làm thức ăn. Loài động vật này có một lỗ duy nhất nằm ở phần đầu, thực hiện chức năng của cả miệng và hậu môn. Đây là những đặc điểm chỉ xuất hiện ở sứa hiện đại, hải quỳ và họ hàng gần của chúng – những sinh vật thuộc ngành ruột khoang.

Theo các nhà nghiên cứu, Gangtoucunia aspera có cấu trúc hình ống, phần thân cứng được neo vào đáy biển ở một đầu. Chiếc miệng với những xúc tu thường vươn rộng ra bên ngoài ống, nhưng cũng có thể thu vào bên trong ống để tránh kẻ săn mồi. Ống xương của Gangtoucunia aspera làm từ canxi photphat – một khoáng chất cứng, tạo nên răng và xương của con người. Việc sử dụng vật liệu canxi photphat để xây dựng bộ xương đã trở nên ít phổ biến hơn ở các loài động vật theo thời gian.

“Đây thực sự là một khám phá hiếm có. Những ống xương bí ẩn thường được tìm thấy thành từng cụm hàng trăm chiếc, nhưng cho đến nay chúng vẫn là những hóa thạch gây khó hiểu bởi vì giới khoa học trước đây không có cách nào phân loại chúng. Thông qua những mẫu vật mới, một mảnh ghép quan trọng trong quá trình tiến hóa của động vật đã dần hé mở”, Luke Parry, thành viên của nhóm nghiên cứu tại Đại học Oxford, nhận định.

Dữ liệu phân tích cũng cho thấy Gangtoucunia aspera không có họ hàng với giun đốt (giun đất, giun nhiều tơ,…) giống như đề xuất trước đây của các nhà nghiên cứu đối với những hóa thạch tương tự. Cơ thể của Gangtoucunia aspera có bề ngoài nhẵn và ruột được phân chia thành các khoang theo chiều dọc, trong khi các loài giun đốt có sự phân chia theo chiều ngang của cơ thể.

“Lần đầu tiên tôi phát hiện ra lớp mô mềm màu hồng trên đầu ống xương của Gangtoucunia aspera, tôi đã rất ngạc nhiên và bối rối do không biết nó là gì”, Guangxu Zhang, nghiên cứu sinh tại Đại học Vân Nam, người đã thu thập và phát hiện các mẫu hóa thạch, cho biết. “Trong tháng tiếp theo, tôi tìm thấy thêm ba mẫu vật khác với các mô mềm được bảo quản khá tốt. Điều này rất thú vị, và kết quả phân tích đã khiến tôi suy nghĩ lại về mối quan hệ họ hàng của Gangtoucunia aspera với giun đốt. Mô mềm của Gangtoucunia aspera, đặc biệt là các xúc tu, cho thấy con vật không phải là một loài giun biển và nó trông giống san hô nhiều hơn. Sau đó, tôi nhận ra rằng Gangtoucunia aspera là một sinh vật thuộc ngành ruột khoang”.

“Cấu trúc cơ thể dạng ống dường như ngày càng trở nên phổ biến ở kỷ Cambri. Đây có thể là một phản ứng thích nghi để đối phó với áp lực săn mồi ngày càng tăng do sự bùng nổ về số lượng các loài sinh vật trên Trái đất”, Xiaoya Ma, đồng tác giả nghiên cứu tại Đại học Vân Nam, nhận định.

Kể từ khi những động vật đầu tiên phát triển bộ xương xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch, kỷ Cambri đã chứng kiến ​​sự tiến hóa của tất cả các cấu trúc cơ thể cơ bản mà chúng ta thấy trong vương quốc động vật ngày nay – bao gồm cả động vật chân đốt có bộ xương ngoài (tổ tiên của nhện, côn trùng và bọ cạp) và động vật có xương sống. Những động vật có xương sống hoàn chỉnh đầu tiên như Pikaia và Haikouichthys xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch khoảng 500 triệu năm trước. Chúng có vẻ về ngoài giống như cá, dài không quá 5 cm, nhưng không có vây phức tạp như những loài cá hiện đại.

“Thật khó để tưởng tượng các loài động vật sẽ tiến hóa như thế nào để trở nên hoàn thiện hơn nếu chúng không có bộ xương”, Shuhai Xiao, nhà nghiên cứu tại Virginia Tech, cho biết. “Khi một vài loài động vật đầu tiên bắt đầu xây dựng bộ xương bằng khoáng chất, số lượng các loài động vật mới đã tăng lên nhanh chóng trên khắp vương quốc động vật. Bộ xương của sinh vật là một trong những yếu tố quan trọng thúc đẩy sự kiện Bùng nổ kỷ Cambri, tạo ra sự đa dạng sinh học của giới động vật”.

Giống như việc Neil Armstrong đặt chân lên Mặt Trăng là bước nhảy vọt khổng lồ của nhân loại, sự xuất hiện của các loài động vật có xương sống trong đại dương là bước tiến lớn cho sự tiến hóa trong tương lai của động vật sống trên cạn.

Theo Scitech Daily, Sciencealert