Bí ẩn trong hang tối: Xác ướp 289 triệu năm vạch trần "cỗ máy" hô hấp của nhân loại

Hít một hơi thật sâu để cảm nhận sự mở rộng của xương sườn và sự nhô lên của lồng ngực. Động tác vô cùng đơn giản và mang tính nhịp nhàng này thực chất lại là một di sản sinh học quý giá đã trải qua quá trình tiến hóa kéo dài gần 300 triệu năm. Cuối cùng, giới khoa học đã có trong tay một xác ướp nguyên vẹn để chứng minh nguồn gốc của nó.

Mới đây, các nhà cổ sinh vật học đã chính thức trưng bày một mẫu hóa thạch có hình dáng tựa như một con thằn lằn nhỏ. Khám phá này được đánh giá là một bước ngoặt, đang góp phần viết lại sách giáo khoa về cách thức mà các loài động vật trên cạn từng bước chinh phục trái đất.

Theo thông tin từ nhóm nghiên cứu, sinh vật này có tên khoa học là Captorhinus aguti. Con vật đã kết thúc sinh mệnh của mình trong một hang động nằm ở khu vực núi Richards, bang Oklahoma, nước Mỹ vào khoảng thời gian 289 triệu năm trước, tức là thuộc giai đoạn đầu của kỷ Permi.

Nhờ vào một điều kiện môi trường vô cùng kỳ lạ, nơi có sự pha trộn giữa lớp bùn thiếu oxy và những dòng dầu mỏ cổ đại rỉ ra, thi thể của con vật đã được ướp xác một cách hoàn hảo dưới định dạng hình học lập thể ba chiều. Môi trường bảo quản mang tính độc đáo này đã trở thành lớp lá chắn bảo vệ các mô mềm vô cùng mỏng manh, những thứ thường sẽ phân hủy và biến mất hoàn toàn trong năm tháng dài đằng đẵng như da và sụn. Chính vì thế, mẫu vật vẫn giữ nguyên được tư thế tự nhiên như lúc vừa mới chết và bị đóng băng vĩnh viễn cùng thời gian.

Bằng chứng lịch sử về hệ thống hô hấp cổ đại

Khối hóa thạch đặc biệt này đã tiết lộ những bằng chứng cổ xưa nhất từng được biết đến về hệ thống hô hấp vận hành bằng xương sườn. Nó phác họa rõ nét cơ chế nền tảng thuộc về tổ tiên trong phương thức hô hấp hiện nay của nhóm động vật có màng ối - một nhóm bao gồm các loài bò sát, chim và động vật có vú đang tồn tại trên trái đất.

Chia sẻ về tầm quan trọng của dự án, Ethan Mooney, đồng trưởng nhóm nghiên cứu đồng thời là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại khoa sinh học hữu cơ và tiến hóa thuộc đại học Harvard, nhận định rằng Captorhinus aguti là một sinh vật vô cùng thú vị. Nó có ngoại hình rất giống thằn lằn và đóng vai trò cực kỳ quan trọng đối với quá trình thấu hiểu sự tiến hóa của các loài động vật có màng ối trong thời kỳ sơ khai.

Mặc dù có kích thước cơ thể rất khiêm tốn, chỉ dài khoảng vài inch, nhưng các phân tử hữu cơ được lưu giữ bên trong hóa thạch ướp xác này lại có niên đại lâu đời hơn rất nhiều so với kỷ lục gia trước đó là một loài khủng long. Khoảng cách thời gian chênh lệch lên tới gần 100 triệu năm.

Trong khuôn khổ của nghiên cứu mới nhất này, nhóm chuyên gia đã áp dụng công nghệ chụp cắt lớp vi tính neutron tiên tiến để tiến hành kiểm tra cấu trúc bên trong của hóa thạch mà không gây ra bất kỳ sự phá hủy nào. Kết quả quét hình ảnh đã tiết lộ một lớp da được bảo quản ở mức độ cực kỳ nguyên vẹn, mang "kết cấu giống như đàn phong cầm" và bao bọc chặt chẽ lấy phần thân của con vật.

Sự hỗ trợ của công nghệ hình ảnh kỹ thuật cao, kết hợp cùng quá trình phân tích đối chiếu với hai mẫu vật khác, đã cho phép các nhà nghiên cứu thành công tái tạo lại hệ thống hô hấp hoàn chỉnh đầu tiên của động vật có màng ối sơ khai.

Họ đã phát hiện ra một cấu trúc vùng ngực hoàn chỉnh, bao gồm phần xương ức cấu tạo bằng sụn phân đốt và nhiều lớp xương sườn đa dạng. Những chiếc xương sườn này đóng vai trò neo giữ trực tiếp toàn bộ lồng ngực vào khu vực vai.

Điều này minh họa một cách trực quan về cách thức những loài bò sát cổ đại này đã thực hiện bước chuyển đổi mang tính lịch sử để tiến tới phương thức hô hấp phức tạp, được điều khiển bằng lực từ xương sườn mà các loài động vật trên cạn hiện đại đang sử dụng.

Bước nhảy vọt về mặt năng lượng và sinh tồn

Phát hiện đột phá này đã làm nổi bật một sự chuyển đổi to lớn trong giới tự nhiên: quá trình từ bỏ phương thức hô hấp kém hiệu quả của động vật lưỡng cư để hướng tới một hệ thống bơm khí bằng xương sườn mạnh mẽ hơn rất nhiều.

Trước giai đoạn đó, các loài lưỡng cư thời kỳ đầu thực hiện việc nuốt không khí theo cơ chế giống hệt như động tác uống nước, sử dụng cơ của vùng cổ họng để bơm lượng oxy đi thẳng vào phổi.

Đó thực sự là một quá trình vô cùng tốn sức và kém hiệu quả, gây ra nhiều hạn chế đối với khả năng hoạt động của động vật. Tuy nhiên, sự xuất hiện của Captorhinus aguti đã hoàn toàn thay đổi quy luật khắc nghiệt này.

Sinh vật này sử dụng hệ thống cơ bắp để kéo giãn cấu trúc xương sườn hướng ra bên ngoài, qua đó tạo ra một môi trường chân không để hút không khí sâu vào bên trong phổi. Cơ chế này được giới khoa học gọi là hiện tượng bơm bằng xương sườn. Đây được xem là một sự nâng cấp khổng lồ trong lịch sử tiến hóa. Khi cơ thể tiếp nhận được nhiều oxy hơn, điều đó đồng nghĩa với việc nó sẽ sản sinh ra nhiều năng lượng hơn.

Nguồn năng lượng dồi dào hơn đã cho phép chúng thỏa sức săn mồi, chạy trốn và sinh sôi nảy nở mạnh mẽ ngay cả trong những môi trường nội địa vô cùng khắc nghiệt. Trong khi đó, những "người anh em họ lưỡng cư" của chúng lại hoàn toàn bất lực và không thể tiếp bước theo con đường này.

Đồng tác giả của nghiên cứu, giáo sư Robert R. Reisz đến từ đại học Toronto, cho biết hệ thống hô hấp được phát hiện trên cơ thể Captorhinus aguti là đại diện tiêu biểu cho trạng thái tổ tiên của phương thức hô hấp có sự hỗ trợ của xương sườn ở các loài bò sát, chim và động vật có vú đang tồn tại.

Có thể nói, loài bò sát nhỏ bé này gần như chính là bản thiết kế tổ tiên của mọi loài động vật có xương sống sống trên cạn mà con người có thể nhìn thấy ngày nay. Cho dù đó là một con chim ưng đang tự do bay lượn trên bầu trời, một con báo săn đang chạy nước rút dũng mãnh trên thảo nguyên, hay thậm chí là chính bạn đang ngồi thư giãn trước bàn làm việc - tất cả chúng ta đều đang sử dụng một loại động cơ được điều khiển bằng xương sườn. Động cơ này đã do chính Captorhinus aguti tiên phong phát triển trong một hang động tối tăm ở Oklahoma vào kỷ Permi.

Hiện tại, toàn bộ các mẫu vật quý giá này đang được lưu giữ cẩn thận tại bảo tàng hoàng gia Ontario ở khu vực Toronto, nhằm phục vụ cho quá trình nghiên cứu liên tục của giới khoa học trên toàn cầu. Những kết quả phân tích chi tiết của nghiên cứu này cũng đã chính thức được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 8 tháng 4.