Đội khảo sát tại Hami, Tân Cương do nhà nghiên cứu Wang Xiaolin thuộc Viện Khoa học Địa chất và Nhân loại học cổ đại thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc lãnh đạo, sau hơn mười năm làm việc trong điều kiện thực địa liên tục, đã phát hiện và thu thập một mẫu hóa thạch quan trọng bao gồm hơn 200 quả trứng, phôi thai và hóa thạch xương vây được bảo tồn theo hình thức ba chiều trong lớp địa tầng kỷ Phấn Trắng dưới lòng bàn tay của sa mạc Hami, trong đó 16 quả trứng chứa phôi thai hóa thạch ba chiều. Đây là lần đầu tiên trên toàn cầu phát hiện phôi thai pterosaur 3D. Vào ngày 1 tháng 12 năm 2017, tạp chí khoa học Hoa Kỳ “Science” đã công bố các kết quả quan trọng về phát hiện trứng và phôi thai pterosaur của đội ngũ các nhà khoa học quốc tế bao gồm Trung Quốc và Brazil. Đây là một phát hiện quan trọng tiếp theo sau phát hiện số lượng lớn pterosaur đực cái và quả trứng pterosaur được bảo tồn ba chiều tại sa mạc Hami vào năm 2014.
Pterosaur là loài động vật có xương sống bay đầu tiên trên Trái Đất và cũng là loài động vật bay duy nhất đã tuyệt chủng. Vì nhu cầu bay, chúng phát triển bộ xương mỏng manh và rỗng, vì vậy hóa thạch pterosaur rất hiếm trên toàn thế giới, trong khi trứng và phôi thai pterosaur thì còn hiếm hơn. Trước đó, ngoài 5 quả trứng pterosaur đã được báo cáo trong quần thể pterosaur Hami, toàn thế giới chỉ có 6 quả trứng pterosaur được báo cáo. Trong 3 mẫu chứa phôi thai pterosaur, 2 nằm ở Trung Quốc, 1 ở Argentina. Ba quả trứng pterosaur còn lại không chứa phôi, trong đó 2 quả cùng với một mẹ pterosaur thuộc họ Wukong được bảo tồn đồng thời, xuất phát từ quần thể động thực vật Yanhua thuộc Trung Quốc. Tất cả những quả trứng pterosaur này đều được bảo tồn theo hình thức nén hai chiều, chỉ có một quả trứng ở Argentina được bảo tồn ba chiều. Mặc dù nghiên cứu về hóa thạch trứng pterosaur đã có tiến triển nhất định, nhưng do sự hiếm gặp của các phát hiện và phần lớn được bảo tồn theo hình thức hai chiều, nhiều vấn đề sinh học như sự phát triển phôi thai và chiến lược sinh sản vẫn khó được giải thích.
Vào năm 2014, tạp chí “Current Biology” thuộc Cell đã đưa tin về đội ngũ Wang Xiaolin phát hiện ra số lượng lớn pterosaur đực cái và 5 quả trứng hóa thạch pterosaur được bảo tồn ba chiều tại Hami, Trung Quốc. Đây cũng là lần đầu tiên trên thế giới báo cáo về trứng pterosaur được bảo tồn theo hình thức ba chiều, mặc dù những hóa thạch trứng pterosaur này không chứa phôi thai, nhưng đã giúp các nhà nghiên cứu có cái nhìn rõ ràng về cấu trúc vỏ trứng pterosaur. Vỏ trứng của pterosaur Hami được cấu tạo từ một lớp vỏ canxi mỏng bên ngoài và lớp màng dày bên trong, tạo thành cấu trúc hai lớp, rất giống với trứng “mềm” của một số loài bò sát hiện nay như rắn. Phát hiện và nghiên cứu nhóm pterosaur mới này cùng với hóa thạch trứng của chúng đã đạt được một số tiến bộ quan trọng về đặc điểm giới tính của pterosaur, phát triển cá thể, vi cấu trúc vỏ trứng pterosaur, sinh sản và thói quen sinh thái. Phát hiện này được coi là “một trong những phát hiện thú vị nhất trong nghiên cứu pterosaur trong 200 năm qua”, các nhà cổ sinh vật học Anh đã viết một bài bình luận với tiêu đề “cái gì ra đời trước, pterosaur hay trứng pterosaur?”.
Hàng trăm quả trứng pterosaur ba chiều và hóa thạch phôi đã được phát hiện tại Hami, xác nhận rằng pterosaur có thói quen sống theo bầy đàn. Trong nhiều năm khảo sát thực địa tại khu vực Hami, đội khảo sát do Wang Xiaolin lãnh đạo đã khảo sát hàng ngàn cây số vuông của sa mạc, xác định phạm vi, mức độ giàu có và quy luật chôn vùi của hóa thạch pterosaur và khủng long. Hóa thạch pterosaur chủ yếu phát sinh từ một bộ cát hồ màu xám trắng được lấp đầy bởi cát bùn đỏ trong các sự kiện bão tích trầm tích, trong đó tầng tích trầm tích chứa đựng số lượng lớn trứng pterosaur và hóa thạch như đầu xương có độ dày từ khoảng 10-30 cm. Trong một mặt cắt sâu 2,2 mét, có tám lớp giàu hóa thạch pterosaur, trong đó bốn lớp chứa hóa thạch trứng pterosaur. Mẫu nghiên cứu lần này bao gồm ba块 cát có thể kết nối với nhau, diện tích lộ ra khoảng 3,28 mét vuông, đã lộ ra 215 quả trứng pterosaur chứa hóa thạch, bao gồm cả những quả trứng chưa hoàn toàn lộ ra, nên số lượng có thể còn lớn hơn, ước tính lên tới 300 quả, cùng với hơn mười đầu xương và hàm dưới, cũng như hàng trăm xương sau đầu. Mẫu hóa thạch đẹp mắt gây ấn tượng này bao gồm cả các quả trứng phôi thai đã bị lạc trong việc thu thập thực địa, hiện tại đã xác nhận có 16 quả trứng pterosaur chứa phôi. Sự phát hiện lớn về số lượng trứng pterosaur, phôi và xương đầu cho thấy pterosaur Hami có thói quen sống theo bầy đàn, và nơi đây có thể là một trong những địa điểm sinh sản của chúng.
Nghiên cứu tái tạo CT và phát triển phôi đã chứng minh lần đầu rằng tốc độ phát triển của chi sau của pterosaur nhanh hơn chi trước, và sau khi nở ra, con non chỉ có thể đi bộ而不能飞。 Trước đây, do sự thiếu hụt quá ít vật liệu nghiên cứu về trứng và phôi pterosaur, nên các nhà cổ sinh học vẫn còn hiểu biết hạn chế về sự phát triển của phôi và sinh sản pterosaur, nghiên cứu này đã đạt được tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực này. 42 hóa thạch trứng pterosaur đã được sửa chữa hoặc chụp CT, trong đó 16 quả chứa phôi, và quan sát cấu trúc bên trong dưới kính hiển vi, phát hiện rằng hóa thạch phôi chủ yếu là không hoàn chỉnh, xương có thể từ một đến vài mà có thể là do phôi đang ở những giai đoạn phát triển khác nhau hoặc do sự khác biệt trong tình trạng bảo tồn xương, chẳng hạn như xương bị mất hoặc hư hỏng trong quá trình vận chuyển và chôn lấp. Do một số lượng lớn trứng pterosaur tập trung lại đã trải qua việc di chuyển ngắn hạn do bão, cũng như đặc điểm của trứng pterosaur có “vỏ mềm”, nên việc phôi trong tất cả các quả trứng đều có mức độ thiếu hụt khác nhau là điều bình thường, vì vậy việc xác định giai đoạn phát triển của phôi trong mỗi quả trứng cũng tương đối khó khăn. Để giải quyết vấn đề này, giả sử rằng kích thước của các phôi còn lại trong giai đoạn phát triển tương đồng là nhất quán, như vậy có thể so sánh chiều dài của xương để xác định mức độ phát triển của phôi pterosaur. Trong số đó, ba phôi (số 11, 12, 13) có chiều dài tương tự ở xương cánh, chúng có thể ở giai đoạn phát triển tương tự hoặc giống nhau, trong khi một phôi khác (số 7) có kích thước xương cánh dài hơn khoảng 20%, có thể đang ở giai đoạn phát triển muộn hơn. Hiện tại, hóa thạch xương cánh nhỏ nhất của pterosaur non đã dài hơn lần lượt 18% và 40% so với số 7 và 13, cùng với xương cánh của cá thể tuổi non đã được thu thập trước đó, các nhà nghiên cứu đã có được một chuỗi xương cánh từ giai đoạn phát triển phôi đến cá thể tuổi non của pterosaur Hami. Trong chuỗi xương cánh này, tỉ lệ chiều dài cơ tam đầu cánh (khối cơ bắp) trên tổng chiều dài xương cánh từ phôi đến lúc nở chiếm từ 25.5% đến 27.8%, trong khi trong cá thể tuổi non thì từ 31.5% đến 37.1%. Phương pháp nghiên cứu này đã được sử dụng trong nghiên cứu về pterosaur Nam Mỹ được phát hiện ở Argentina để phục vụ cho việc ước lượng giai đoạn phát triển của pterosaur, và sự thay đổi của cấu trúc cơ tam đầu của xương cánh pterosaur Hami gần như thuộc về giai đoạn gần nở giống như những cá thể gần đủ trưởng thành, từ đó ước lượng phôi số 11 đến 13 đều ở giai đoạn phát triển muộn nhưng mức độ phát triển không bằng phôi pterosaur Nam Mỹ.
Phôi số 12 là mẫu duy nhất bảo tồn xương đầu, sau khi sử dụng kính hiển vi để sửa chữa, mặt dưới của hàm gần như hoàn chỉnh được lộ ra, khớp xương không hàn gắn lại và không có dấu tích nào của răng được phát hiện. Bởi vì răng thường tương đối cứng, dễ bảo tồn thành hóa thạch, việc thiếu răng tại đây rất khó lý giải bằng lý do bảo tồn. Hiện tại chỉ có phôi pterosaur đầu tiên trên thế giới được phát hiện trong quần thể động thực vật Rehe ở Liêu Tây tồn tại răng, điều này cho thấy sự khác biệt trong sự phát triển phôi giữa pterosaur Hami và phôi Hami có thể đang ở giai đoạn phát triển trước khi răng phát triển hoặc ngược lại so với sự phát triển của phôi trong thằn lằn và cá sấu mà răng phát triển muộn hơn.
Phôi số 13 là phôi bảo tồn xương hoàn chỉnh nhất, đã được chụp CT và tái tạo 3D tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu tiến hóa động vật có xương sống thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Phát hiện một hiện tượng rất thú vị, mặc dù xương đùi của phôi pterosaur Hami đã được phát triển hoàn chỉnh, có đầu xương đùi tương ứng với cá thể tuổi non hoặc trưởng thành, và cổ xương đùi rõ ràng bị thu hẹp, điều này có nghĩa là rất có thể pterosaur Hami đã có khả năng đi bộ trên đất liền ngay sau khi nở; trong khi hai xương cánh bên trái và bên phải lại chưa phát triển đầy đủ, chưa có cơ tam đầu cong, cấu trúc này là nơi gắn liền với các cơ ngực liên quan đến việc bay, cho thấy rằng sau khi nở, pterosaur có thể vẫn chưa có khả năng bay, mà chỉ có khả năng đi bộ.
Tại phôi số 11, cũng quan sát thấy hiện tượng xương chi trước chưa phát triển hoàn chỉnh này. Lần này là xương bả vai, trong các cá thể gần trưởng thành hoặc trưởng thành, xương bả vai luôn phát triển có mỏm bả vai rõ rệt, ngay cả trong cá thể non nhỏ nhất cũng có cấu trúc này, là vị trí bám vào cơ lớn tròn, cơ này có vai trò quan trọng trong việc nâng cánh trong khi bay. Tuy nhiên trong xương bả vai của phôi số 11, cấu trúc này vẫn chưa phát triển, điều này cũng cho thấy pterosaur Hami có thể sau khi nở không có khả năng bay.
Tổng hợp nghiên cứu về các phôi trên, các nhà khoa học cho rằng tốc độ phát triển của chi sau pterosaur nhanh hơn chi trước, sau khi nở, con non có khả năng di chuyển trên mặt đất nhưng chưa thể bay, vì sự phát triển của răng có phần muộn, rất có thể chúng cũng không thể tự kiếm ăn mà cần có sự chăm sóc từ cha mẹ. Điều này đã lần đầu tiên đưa ra một giả thuyết hay quan điểm mới, mặc dù là một kiểu phát triển phôi tương đối sớm, nhưng sự phát triển phôi của pterosaur không giống như trước đây nghĩ rằng rất sớm, mà cần có sự chăm sóc của pterosaur trưởng thành.
Nghiên cứu mô xương cho thấy pterosaur phát triển xương khá nhanh, lần đầu tiên tiết lộ lịch sử phát triển của pterosaur. Do nhu cầu bay, xương của pterosaur có thành mỏng hơn nhiều, cấu trúc bên trong chủ yếu là rỗng, điều này thể hiện trên mô xương là tốc độ mở rộng của tủy xương pterosaur rất nhanh, tủy xương nội tâm và xương xốp gần trung tâm không thể được bảo tồn, tất cả đều bị chiếm dụng bởi tủy xương đang mở rộng nhanh chóng. Do đó, để hiểu biết về giai đoạn phát triển cá thể pterosaur và thông tin sinh lý, cần đến một loạt mẫu cá thể hoàn chỉnh từ tuổi non đến tuổi trưởng thành, hiện tại rất ít loại pterosaur nào có thể cung cấp đủ loại hóa thạch như vậy. Hiện tại, chỉ có pterosaur Nam Mỹ ở Argentina được tiến hành nghiên cứu mô từ tuổi non đến trưởng thành.
Các nhà khoa học đã chọn hai phôi pterosaur Hami và nhiều mẫu xương dài từ tuổi non đến gần trưởng thành để nghiên cứu, điều này cũng là lần đầu tiên trên thế giới thực hiện các nghiên cứu cắt mô và vi cấu trúc về phôi pterosaur. Phát hiện rằng phôi pterosaur chủ yếu được cấu tạo bởi xương đan, đây là một loại mô xương chứa rất nhiều mạch máu, đại diện cho tốc độ phát triển xương nhanh nhất, là loại mô xương chỉ xuất hiện trong giai đoạn phôi và tuổi non. Vài mẫu xương chi trên ở nhiều kích cỡ từ cá thể non đến tuổi non chủ yếu được cấu tạo bởi xương vỏ, đây cũng là một loại mô xương phát triển nhanh, điều này cho thấy pterosaur có tốc độ phát triển nhanh. Tuy nhiên ở những giai đoạn khác nhau của phát triển cũng sẽ tồn tại sự khác nhau, tức là cá thể non chỉ có xương vỏ; cá thể tuổi non xuất hiện tấm xương vòng bên trong, đây là một loại mô xương thứ cấp phát triển chậm, biểu thị cho việc tủy xương đã ngừng phát triển và cũng là một dấu hiệu của sự trưởng thành; cá thể gần trưởng thành không chỉ tủy xương ngừng phát triển, mà còn xuất hiện hai tầng đường phân tốc độ ngừng phát triển ở lớp ngoài cùng, đây là dấu hiệu để thể hiện sự tăng trưởng định kỳ của sinh vật, thể hiện một năm, vì vậy cá thể gần trưởng thành ít nhất phải có 2 tuổi trước khi chết, nhưng vẫn chưa hoàn toàn đạt đến tuổi trưởng thành.
Các đặc điểm chôn lấp đặc trưng của hóa thạch cho thấy các sự kiện bão lớn của hồ đã khiến cho cụm pterosaur chết và nhanh chóng bị chôn lấp do di chuyển ngắn hạn. Số lượng lớn trứng và hóa thạch pterosaur với cách thức chôn lấp đặc trưng này là vô cùng đặc biệt trên toàn thế giới, vậy nguyên nhân nào đã gây ra điều này? Qua các quan sát về trầm tích và chôn lấp, phát hiện rằng trứng và hóa thạch pterosaur chủ yếu phát sinh từ một tập hợp cát hồ màu xám trắng chứa các mảnh vụn của bùn đỏ và không ổn định theo chiều ngang, các mảnh vụn bùn này không phải là do di chuyển từ ngoài vùng trầm tích, mà dạng vật liệu từ trong vùng. Độ dày của tầng tập trung hóa thạch không lớn, tất cả hóa thạch không ngoại lệ đều tập trung vào trầm tích bão có năng lượng cao, mặc dù hóa thạch xương được bảo tồn phân tán nhưng từng hóa thạch đều gần như nguyên vẹn, các mảnh xương dài và mỏng cũng liên kết và được bảo tồn tốt với xương đầu hoặc xương hàm. Vì vậy, tin rằng số lượng hóa thạch và trứng pterosaur khổng lồ liên quan đã trải qua nhiều sự kiện bão hồ, các cơn bão năng lượng cao đã đem các trứng pterosaur và các pterosaur sống có nhiều kích cỡ, giới tính khác nhau vào khu vực ven hồ, sau một thời gian nổi lềnh bềnh, cùng với các xác pterosaur bị xé rời và phân tán nhanh chóng được chôn lấp.
Chương trình “Hành động tiên phong” của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc hỗ trợ nghiên cứu cơ bản liên tục và tham gia tích cực vào sáng kiến ”Vành đai và Con đường” của đất nước một trong những thành quả quan trọng. Kể từ năm 2005, nhà nghiên cứu Wang Xiaolin, nhà nghiên cứu Zhou Zhonghe, tiến sĩ Jiang Shunxing, tiến sĩ Cheng Xin và tiến sĩ Wang Qiang cùng các nhà nghiên cứu khác cùng với các kỹ thuật viên như Li Yan và Xiang Long, đã hợp tác với các cơ quan chính phủ địa phương tại Hami và bà Ma Yingxia của Bảo tàng Hami, trong suốt hơn mười năm làm việc khảo sát và bảo vệ hóa thạch tại sa mạc Hami, Tân Cương. Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc thực hiện kế hoạch “Hành động tiên phong” và Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia đã liên tục hỗ trợ nghiên cứu cơ bản về cổ sinh vật học và các nghiên cứu khác, cũng như hỗ trợ tài chính lâu dài cho công tác khai quật thực địa, đóng vai trò quan trọng trong phát hiện quan trọng của pterosaur Hami và hóa thạch trứng của chúng. Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Viện Khoa học Địa chất tích cực đáp ứng sáng kiến ”Vành đai và Con đường” của quốc gia, tăng cường hỗ trợ cho vùng phía Tây của đất nước, đặc biệt là Tân Cương, Viện Khoa học Địa chất đã ký kết thỏa thuận hợp tác chiến lược với chính quyền thành phố Hami vào năm 2015, hỗ trợ xây dựng bảo tàng địa phương và nộp đơn cho công viên địa chất quốc gia, cùng với việc tổ chức triển lãm hóa thạch pterosaur lớn nhất thế giới “Bay vào kỷ Phấn Trắng – Triển lãm Pterosaur Trung Quốc” tại Bảo tàng Hami, và dưới sự hỗ trợ của Hội Khoa học và Công nghệ Tân Cương và các cơ quan địa phương khác, đã thiết lập nơi làm việc cho các học giả và cơ sở nghiên cứu khảo sát tại Hami, phối hợp với chính quyền địa phương và các cơ quan quản lý để bảo vệ hiệu quả và hướng dẫn kế hoạch phát triển cho di sản tự nhiên quan trọng này, là một ví dụ về sự hợp tác giữa viện và địa phương.
Đội khảo sát Hami thuộc Viện Khoa học Địa chất Hàn lâm Khoa học Trung Quốc không quên sứ mệnh của nhà khoa học, đã không ngừng quan sát trong điều kiện rất khó khăn của sa mạc trong suốt hơn mười năm. Họ đã đạt được nhiều phát hiện hóa thạch quan trọng. Hiện tại, nơi đây đã trở thành khu vực sản xuất hóa thạch pterosaur lớn nhất và giàu có nhất trên toàn thế giới, lần đầu tiên phát hiện nhiều pterosaur đực cái ở các giai đoạn phát triển khác nhau, hàng trăm quả trứng pterosaur 3D và phôi pterosaur…, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu về lịch sử sự sống của pterosaur và tìm hiểu sâu hơn về môi trường cổ đại, khí hậu và địa lý của kỷ Phấn Trắng. Những kết quả nghiên cứu này cũng là một trong những thành quả lâu dài của sự hợp tác giữa đội cổ sinh vật học Trung Quốc do Wang Xiaolin đứng đầu và nhóm cổ sinh vật học Brazil do giáo sư Alexander Kellner, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Brazil, lãnh đạo. Các nhà cổ sinh vật học từ hai nước đã có nhiều trao đổi và hợp tác rộng rãi trong lĩnh vực cổ sinh vật học từ năm 2003 tới nay, đã lần lượt công bố nhiều kết quả nghiên cứu trên các tạp chí nổi tiếng quốc tế như Nature, Science, PNAS, Current Biology… Sự hợp tác của các nhà khoa học hai nước trong lĩnh vực cổ sinh vật học cũng là một trong những sự hợp tác sớm nhất giữa Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Viện Hàn lâm Khoa học Brazil, các nhà nghiên cứu chính của pterosaur Hami như Wang Xiaolin và Zhou Zhonghe cũng đã lần lượt được bầu làm viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Brazil.
Dự án này nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia, Dự án Khoa học chiến lược tiên phong của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (loại B), Quỹ khai thác thực địa Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và các dự án trọng điểm khác. Phòng thí nghiệm nghiên cứu tiến hóa động vật có xương sống của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã cung cấp thiết bị và hỗ trợ kỹ thuật cho việc chụp CT và cắt lát mô xương.
Hình 1 Hơn 200 quả trứng pterosaur được bảo tồn trong cát (IVPP V 18941-18943). Mũi tên đỏ chỉ những quả trứng có phôi; mũi tên xanh lá chỉ 3 quả trứng pterosaur đã được chụp CT; mũi tên cam chỉ những quả trứng pterosaur không có phôi. Thước đo trong hình là 100 mm. (Hình ảnh cung cấp bởi Wang Xiaolin)
Hình 2 Hóa thạch trứng pterosaur được bảo tồn ba chiều. A Phóng lớn một phần, thước đo 10 cm; B-F cho thấy các hóa thạch với mức độ biến dạng khác nhau, thước đo 1 cm. (Hình ảnh cung cấp bởi Wang Xiaolin)
Hình 3 Hóa thạch phôi pterosaur Hami: Phôi số 12 (A-D), Phôi số 11 (E-H), Phôi số 13 (I-L). A&B Ảnh và hình vẽ của phôi số 12, là phôi pterosaur duy nhất có xương đầu, thước đo 10 mm; C Hình phóng đại mặt sau hàm, thước đo 5 mm; D Hình bên mặt trước hàm (mặt sau ở trên), thước đo 1 mm; E&F Ảnh và hình vẽ của phôi số 11, thước đo 10 mm; G Xương bả vai, chưa phát triển cơ lớn tròn, thước đo 5 mm; I Ảnh phôi số 13, khung cho thấy vị trí của phôi, thước đo 10 mm; J Mô hình 3D được tái tạo từ phôi số 13 sau khi chụp CT, thước đo 10 mm; K Xương cánh chưa phát triển hoàn toàn, thước đo 2 mm; L Xương đùi gần như phát triển hoàn hảo, thước đo 2 mm. (Hình ảnh cung cấp bởi Wang Xiaolin)
Hình 4 Mô phỏng sinh thái của pterosaur Hami (vẽ bởi Zhao Chuang)
Thẻ động vật: Pterosaur, phôi, pterosaur Hami, trứng pterosaur, hóa thạch, khủng long
