Các nhà khoa học đã lý giải được vì sao các loài thực vật cổ đại có thể tiến từ môi trường sống lầy lội đến môi trường sống trên cạn.

Những loài thực vật trên cạn sớm nhất đều nhỏ bé – cao nhất chỉ vài centimet – và môi trường sống của chúng bị hạn chế ở những nơi ẩm ướt, lầy lội quanh sông hồ. Tuy nhiên, khoảng 400 triệu năm trước, thực vật đã phát triển các hệ mạch để hút nước hiệu quả hơn từ đất và sử dụng nó để quang hợp, một sự chuyển đổi sẽ thay đổi mãi mãi bầu khí quyển và hệ sinh thái của Trái đất.

Trong một bài báo mới đăng trên tờ Science, Giáo sư sinh thái sinh lý thực vật Craig Brodersen, Trường Môi trường Yale, và nhóm nghiên cứu - gồm các thành viên từ Đại học Bates, Đại học Maine, và Đại học Haverford - phát hiện một sự thay đổi đơn giản trong hệ mạch của thực vật đã khiến chúng chịu hạn tốt hơn, và điều này mở ra những vùng đất mới để khám phá.

Nghiên cứu được thúc đẩy từ một cuộc tranh luận kéo dài một thế kỷ về lý do vì sao hệ mạch hình trụ đơn giản ở các loài thực vật trên cạn sớm nhất nhanh chóng chuyển thành các hình dạng phức tạp hơn. Trong những năm 1920, các nhà khoa học nhận thấy tính phức tạp ngày càng tăng trong các các mẫu hóa thạch, nhưng họ không xác định được lý do cho những thay đổi tiến hóa này.

Suốt thập kỷ qua, Brodersen và các đồng nghiệp đã khám phá cấu tạo các hệ mạch ở thực vật hiện đại có tác động gì, đặc biệt trong hoàn cảnh hạn hán. Khi thực vật bắt đầu khô héo, các bọt khí kẹt trong xylem (mạch gỗ), đây là loại mô chuyên biệt để vận chuyển nước và các chất dinh dưỡng từ đất tới cành và lá. Các bọt khí ngăn chặn nước di chuyển. Nếu không được kiểm soát, chúng sẽ lan rộng khắp mạng lưới, ngắt kết nối giữa thực vật với đất, cuối cùng dẫn tới chết cây. Tránh được sự hình thành và lan rộng những bọt khí này là điều vô cùng quan trọng để chống chịu hạn hán, và nhóm nghiên cứu đã áp dụng cách suy nghĩ này để lý giải các mô hình tổ chức mạch trong các mẫu hóa thạch.
Mặt cắt ngang của lá cây dương xỉ có lông, cho thấy hệ mạch hình trái tim trong xylem
Mặt cắt ngang của lá cây dương xỉ có lông, cho thấy hệ mạch hình trái tim trong xylem.

Hệ thống mạch hình trụ trong các loài thực vật trên cạn sớm nhất, tương tự như một bó rơm, ban đầu rất có ích cho chúng trong các môi trường sống nhiều nước sơ khai. Nhưng khi các loài thực vật chuyển dần lên cạn với nguồn nước ít hơn, chúng đã phải khắc phục bọt khí do hạn hán gây ra. Các loài thực vật trên cạn sơ khai làm được điều này bằng cách tái cấu trúc xylem hình trụ ban đầu thành các hình dạng phức tạp hơn giúp ngăn bọt khí lan rộng.

Trong lịch sử, các nhà khoa học cho rằng mức độ phức tạp của mạch ngày càng tăng mà họ quan sát được trong các mẫu hóa thạch là ngẫu nhiênvà không có tầm quan trọng đáng kể, một sản phẩm phụ khi thực vật trở nên lớn hơn và phát triển cấu trúc phức tạp hơn. Nghiên cứu mới đã đảo lộn quan điểm này.

“Nó không ngẫu nhiên diễn ra. Thực sự có một lý do tiến hóa đầy giá trị. Áp lực mạnh mẽ từ tình trạng hạn hán đã khiến điều này xảy ra. Đây là câu đố một trăm năm, mà giờ chúng tôi đã tìm ra đáp án”, Bouda nói.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi và phân tích giải phẫu để quan sát hoạt động bên trong của các mẫu thực vật - gồm các mẫu hóa thạch từ Bảo tàng Yale Peabody; và thực vật sống từ Rừng Yale Myers, Vườn Bách thảo Marsh, Vườn Bách thảo New York và Đại học Connecticut. Sử dụng các thông tin thu được, nhóm đã dự đoán được các biến thể mạch có thể chịu hạn và làm rõ những thay đổi dường như đơn giản về hình dạng này lại dẫn tới những cải thiện lớn về khả năng chịu hạn.

Mỗi lần thực vật chỉ thay đổi một chút hệ thống mạch hình trụ đó, nó lại nhận được phần thưởng về khả năng sống sót khi gặp hạn hán; và phần thưởng liên tục đã hướng thực vật rời xa hệ mạch hình trụ cổ đại để tiến tới những hình thái phức tạp hơn, Brodersen nói. Nhờ những thay đổi vô cùng nhỏ này mà ngày nay chúng ta mới có những khu rừng, theo Brodersen.

Những thay đổi này xảy ra khá nhanh chóng - trong khung thời gian cổ sinh vật học, tức là trong khoảng 20 – 40 triệu năm. Các lực thúc đẩy đằng sau sự thay đổi ở cấu trúc mạch của thực vật có thể giúp cung cấp thông tin cho nghiên cứu tạo ra các giống cây chịu hạn.

Nguồn: