“Kỷ nguyên của cá” khởi đầu bằng một đại tuyệt chủng

Nhưng từ đống đổ nát của đại tuyệt chủng cuối kỷ Ordovic (LOME), một trật tự mới dần hình thành. Những động vật có xương sống hàm vốn chỉ là nhóm sinh vật mờ nhạt bắt đầu trỗi dậy trong các nơi trú ẩn bị cô lập, mở ra con đường tiến hóa dẫn tới cái gọi là “kỷ nguyên của cá”, và xa hơn nữa, là thế giới động vật ngày nay.

Buổi hoàng hôn của kỷ Ordovic

Trong một nghiên cứu mới công bố trên Science Advances vào đầu tháng 1, các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) của Nhật Bản đã chứng minh rằng, chính từ thảm họa sinh học được biết đến với tên gọi “Sự kiện tuyệt chủng hàng loạt cuối kỷ Ordovic” đã nảy sinh một sự phong phú chưa từng có của các loài động vật có xương sống. Trong cơn biến động ấy, một nhóm sinh vật đã vươn lên thống trị tất cả, đặt sự sống lên con đường dẫn tới các động vật có xương sống hàm - tổ tiên của phần lớn động vật ngày nay. “Chúng tôi đã chứng minh rằng cá có hàm chỉ trở nên thống trị vì sự kiện này đã xảy ra. Về cơ bản, chúng tôi đã làm sâu sắc thêm hiểu biết về tiến hóa bằng cách kết nối hồ sơ hóa thạch với sinh thái học và địa sinh học”, Giáo sư Lauren Sallan, thuộc Nhóm nghiên cứu tiến hóa vĩ mô của OIST cho biết.

Theo lịch sử, kỷ Ordovic, kéo dài từ khoảng 486 đến 443 triệu năm trước, là một thời kỳ Trái Đất trông rất khác so với ngày nay. Siêu lục địa Gondwana ở phía Nam chiếm ưu thế, bao quanh bởi những vùng biển nông rộng lớn. Hai cực chưa bị băng bao phủ và đại dương có nhiệt độ dễ chịu nhờ khí hậu nhà kính. Trong khi các bờ biển bắt đầu được các loài thực vật giống rêu gan và các loài chân khớp nhiều đốt xâm chiếm, thì những lưu vực biển xung quanh lại tràn ngập các dạng sống đa dạng và kỳ dị. Những sinh vật giống lươn, mắt lớn như đèn biển là các conodont uốn lượn quanh những rạn bọt biển khổng lồ; trilobite bò lổm ngổm giữa các đàn nhuyễn thể có vỏ còn những bọ cạp biển to bằng người cùng các loài nautiloid khổng lồ với vỏ nhọn dài tới 5m tuần tra đại dương để săn mồi.

Giữa thế giới sinh vật kỳ lạ ấy, tổ tiên khiêm tốn của các gnathostome - động vật có xương sống hàm lại vô cùng hiếm hoi và thưa thớt. Đây là nhóm sau này sẽ thống trị sự sống động vật trên hành tinh. “Mặc dù chúng ta chưa biết nguyên nhân tối hậu của LOME là gì, nhưng chúng ta biết rất rõ rằng đã có một ranh giới trước và sau sự kiện này. Hồ sơ hóa thạch cho thấy điều đó”, Giáo sư Sallan nói.

Những nơi trú ẩn cuối cùng và cuộc trỗi dậy âm thầm

Các nhà khoa học OIST chỉ ra rằng, sự tuyệt chủng diễn ra qua hai đợt. Trước hết, Trái Đất nhanh chóng chuyển từ khí hậu nhà kính sang khí hậu băng giá, bao phủ phần lớn Gondwana bằng các sông băng, khiến các môi trường biển nông bị khô cạn. Sau đó, vài triệu năm sau, khi đa dạng sinh học vừa bắt đầu phục hồi, khí hậu lại đảo chiều: băng tan và các hệ sinh vật biển vốn đã thích nghi với lạnh bị nhấn chìm trong làn nước ấm, giàu lưu huỳnh và thiếu oxy.

Trong và sau những làn sóng chết chóc này, phần lớn các loài động vật có xương sống sống sót bị dồn vào những nơi trú ẩn là các điểm nóng đa dạng sinh học bị cô lập, ngăn cách bởi những vùng đại dương sâu không thể vượt qua. Chính tại đây, các gnathostome dường như có lợi thế rõ rệt. “Chúng tôi đã tổng hợp 200 năm nghiên cứu cổ sinh vật học về cuối kỷ Ordovic và đầu kỷ Silur. Từ đó, chúng tôi xây dựng một cơ sở dữ liệu hóa thạch mới, giúp tái dựng các hệ sinh thái trong những nơi trú ẩn này. Rồi nhờ các dữ liệu này, chúng tôi có thể định lượng mức độ đa dạng ở cấp chi trong giai đoạn, cho thấy LOME đã trực tiếp dẫn đến sự gia tăng dần dần nhưng ngoạn mục của đa dạng gnathostome. Xu hướng rất rõ ràng là các đợt tuyệt chủng hàng loạt đã trực tiếp dẫn tới sự bùng nổ hình thành loài mới sau vài triệu năm”,  tác giả chính của báo cáo, Wahei Hagiwara nghiên cứu sinh tiến sĩ tại OIST giải thích.

Chu kỳ tái sinh của sự sống trong đại dương cổ đại

Nhờ xây dựng một cơ sở dữ liệu hóa thạch toàn diện trên phạm vi toàn cầu, các nhà nghiên cứu không chỉ liên hệ được sự gia tăng đa dạng của gnathostome với LOME, mà còn với cả yếu tố địa lý. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể định lượng địa sinh học trước và sau một sự kiện tuyệt chủng hàng loạt. Chúng tôi có thể lần theo sự di chuyển của các loài trên toàn cầu và chính điều đó cho phép xác định các refugia cụ thể, vốn đóng vai trò then chốt trong sự đa dạng hóa sau này của toàn bộ động vật có xương sống”, Giáo sư Sallan chia sẻ. Còn nghiên cứu sinh, Tiến sĩ Hagiwara nói thêm: “Như ở khu vực ngày nay là Nam Trung Quốc, chúng tôi tìm thấy những hóa thạch toàn thân đầu tiên của cá có hàm, có quan hệ trực tiếp với cá mập hiện đại. Chúng tập trung trong các refugia ổn định này suốt hàng triệu năm, cho đến khi tiến hóa đủ khả năng vượt qua đại dương rộng mở để lan sang các hệ sinh thái khác”.

Bằng cách kết hợp hồ sơ hóa thạch với địa sinh học, hình thái học và sinh thái học, nghiên cứu này đã giúp làm sâu sắc hơn những hiểu biết về tiến hóa. “Hàm có tiến hóa để tạo ra một hốc sinh thái mới, hay tổ tiên của chúng ta trước hết chiếm lĩnh những hốc đã tồn tại, rồi sau đó mới đa dạng hóa? Nghiên cứu của chúng tôi nghiêng về khả năng thứ hai. Khi bị giới hạn trong những khu vực địa lý nhỏ nhưng có rất nhiều “chỗ trống” sinh thái do các loài không hàm và sinh vật khác bị tuyệt chủng để lại, gnathostome đã có thể nhanh chóng chiếm lĩnh nhiều hốc sinh thái khác nhau”, Giáo sư Sallan cho biết.

Xu hướng này tương tự với chim sẻ của Darwin trên quần đảo Galápagos là tận dụng những cơ hội mới để đa dạng hóa chế độ ăn nhằm sinh tồn và theo thời gian, mỏ của chúng tiến hóa thành nhiều hình dạng khác nhau, phù hợp với từng hốc sinh thái. Trong khi cá có hàm bị “mắc kẹt” ở Nam Trung Quốc, các họ hàng không hàm của chúng vẫn tiếp tục tiến hóa song song ở những nơi khác, thống trị đại dương rộng lớn thêm 40 triệu năm nữa. Chúng đa dạng hóa thành nhiều dạng cá rạn san hô, một số có cấu trúc miệng thay thế.

Tuy nhiên, vì sao cá có hàm trong số tất cả những sinh vật sống sót lại trở nên thống trị sau này khi lan ra khỏi các refugia vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải trọn vẹn. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng, thay vì “xóa sạch”, LOME đã kích hoạt một quá trình tái thiết sinh thái. Những động vật có xương sống sơ khai bước vào các hốc sinh thái bỏ trống do conodont và chân khớp để lại, tái dựng cấu trúc sinh thái cũ nhưng bằng các loài mới. Mô hình này lặp đi lặp lại trong suốt Đại cổ sinh sau các sự kiện tuyệt chủng do những điều kiện môi trường tương tự, tạo thành một “chu kỳ tái lập đa dạng”, trong đó tiến hóa phục hồi hệ sinh thái bằng cách hội tụ trở lại những thiết kế chức năng giống nhau.

Cuối cùng, Giáo sư Sallan kết luận: “Bằng cách tích hợp yếu tố không gian, hình thái, sinh thái và đa dạng sinh học, cuối cùng chúng ta có thể thấy được cách các hệ sinh thái động vật có xương sống sơ khai tự tái thiết sau những biến động môi trường lớn. Công trình này giúp giải thích vì sao hàm tiến hóa, vì sao động vật có xương sống hàm cuối cùng chiếm ưu thế, và vì sao sự sống biển hiện đại bắt nguồn từ những kẻ sống sót này, chứ không phải từ những dạng cổ xưa hơn như conodont hay trilobite. Việc hé lộ những mô hình dài hạn và các quá trình nền tảng của chúng chính là một trong những khía cạnh hấp dẫn nhất của sinh học tiến hóa”.