Cá cổ Zhuo's Hongyu cách đây 370 triệu năm

Tạp chí con của “Nature” mang tên “Nature Ecology & Evolution” đã công bố trực tuyến vào ngày 4 tháng 9 những tiến bộ mới trong nghiên cứu về quá trình cá lên cạn của nhóm nghiên cứu do Zhu Min từ Viện Nghiên cứu Động vật Cổ và Nhân loại học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu. Họ đã phát hiện ra một loài cá cổ đại có tên gọi Hongyu chowi, sống cách đây 370 triệu năm tại Khu vực Đồng Đô, tỉnh Ninh Hạ, với chiều dài cơ thể đạt 1,5 mét, mang đặc điểm của cá răng, lưỡng thê và động vật bốn chân, điều này hé lộ rằng cá đã thích ứng với cuộc sống trên cạn nhiều lần trong lịch sử, quá trình này phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta đã biết trước đây.

Tất cả động vật có xương sống trên cạn (động vật bốn chân) đều có tổ tiên chung có thể được truy nguyên từ những loài cá đã lên cạn vào khoảng hơn 300 triệu năm trước trong kỳ Đêvôn. Hơn một thế kỷ qua, những phát hiện hóa thạch cùng với nghiên cứu sâu sắc đã vẽ nên bức tranh tổng thể về quá trình cá lên cạn. Hiện đã biết rằng động vật bốn chân tiến hóa từ một nhánh cá thịt vây. Nhánh này được gọi là nhánh động vật bốn chân hoặc tetrapod. Ngoài động vật có xương sống trên cạn, nhánh này còn bao gồm một số loài cá sống dưới nước được gọi là nhánh gần gũi với tetrapod, với đại diện cổ nhất được phát hiện là thực vật Đông Sinh và Ken-chi. Nhánh gần gũi này rất phát triển trong kỳ Đêvôn và Carbon, chiếm lĩnh vị trí sinh thái của những kẻ săn mồi lớn trong vùng nước nông, và trong kỳ Đêvôn muộn, đã tiến hóa thành các lưỡng thê cổ như cá Tiktaalik, có hình thái gần giống với động vật bốn chân đầu tiên. Các thành viên của nhánh gần gũi này giữa cá Ken và lưỡng thê cổ có thể được chia thành hai nhánh, gồm cá răng và cá xương. Trong số đó, cá xương như cá mập chân nổi tiếng có nhiều nét tương đồng với lưỡng thê cổ, do đó lưỡng thê cổ và động vật bốn chân được cho là tiến hóa từ một nhánh cá xương, trong khi cá răng thuộc về vị trí nguyên thủy hơn trong nhánh gần gũi với động vật bốn chân. Trong suốt 20 năm qua, mặc dù có nhiều phát hiện hóa thạch mới, cấu trúc tiến hóa này vẫn giữ sự ổn định tương đối.

Phát hiện của Zhu Min và các cộng sự tại Đồng Đô đã phá vỡ cấu trúc này, làm mờ đi bức tranh về cá lên cạn. Diện mạo đá của khu vực này tiếp xúc với khu vực Trung Ninh đã tiết lộ lớp đất chứa hóa thạch cá ký hiệu điển hình của kỳ Đêvôn ở miền Bắc Trung Quốc, nơi đã phát hiện ra hóa thạch động vật bốn chân cổ nhất của Trung Quốc – Pan’s Chinese amphibian. Vào mùa hè năm 2002, Zhu Min, Zhao Wenjin, Jia Liantao và giáo sư Per Ahlberg từ Đại học Uppsala, Thụy Điển, đã cùng nhau khảo sát di tích này và tình cờ phát hiện một dãy hóa thạch trên vách đá. Dưới sự trợ giúp của công nhân khai thác đá, họ đã thu thập được một khối đá dày khoảng một mét vuông và đưa về Bắc Kinh. Sau gần một năm cẩn thận sửa chữa, họ đã bất ngờ phát hiện đây là một hóa thạch của một loài cá thịt vây lớn rất tốt. Tiếc rằng, phần đầu đã bị mất trước khi phát hiện, có thể đã trở thành một phần của nền đường. Sau khi phục hồi, mẫu vật này được cho là có chiều dài cơ thể đến 1,5 mét. Họ đã đặt tên cho loài cá cổ này là Hongyu chowi, trong đó tên gọi vinh danh nhà động vật học cổ nổi tiếng quốc tế, viện sĩ Zhou Mingzhen, người đoạt giải “Huy chương Simpson”.

Môi trường sống của Hongyu vào thời kỳ Đêvôn muộn, đã có nhiều cá thịt vây lớn đại diện cho các nhánh khác nhau của nhánh gần gũi với động vật bốn chân ở các vùng nước thuộc châu Âu, Bắc Mỹ và Úc, trong khi động vật bốn chân thực thụ cùng với những họ hàng gần của chúng cũng đã xuất hiện. Sau khi nghiên cứu chi tiết, Zhu Min và các cộng sự nhận thấy rằng Hongyu đã tích hợp nhiều đặc điểm của các loại khác nhau. Hongyu có sự tương đồng đáng kinh ngạc về cấu trúc khớp giữa xương vai và xương chi trước với các loài lưỡng thê cổ và động vật bốn chân nguyên thủy. Đã xuất hiện một khớp ở giữa xương sống đầu tiên và hộp sọ của Hongyu, xương đai vai nằm ngoài hộp sọ, điều này khác với các loài cá khác sống trong nước và rất tương đồng với động vật có xương sống trên cạn, điều này cho thấy rằng Hongyu đã thích ứng rất tốt với cuộc sống ven bờ nước nông, gần với việc thực sự lên cạn.

Tuy nhiên, bên cạnh đó, Hongyu cũng sở hữu nhiều đặc điểm của cá răng, như xương thái dương trên và xương thái dương ngoài tiếp xúc, dây đai vai mạnh mẽ và có một xương khóa cao, vảy tròn mỏng và bề mặt xương hàm trên rất cao, đủ để phân loại chúng vào nhóm này. Cá răng là một nhóm cá săn mồi lớn bí ẩn, loài lớn nhất có thể đạt chiều dài 7 mét và được gọi là “quái vật nước carbon”. Hơn 200 năm trước, đã có những chiếc răng khổng lồ thuộc về cá răng được phát hiện trong lớp than carbon gần Edinburgh, Scotland, ban đầu được coi là răng cá sấu. Một số nhà cổ sinh vật học nổi tiếng như Richard Owen, người đã đưa ra thuật ngữ “khủng long”, Huxley, người được biết đến với tên gọi “chó chiến Darwin”, và Agassiz, được gọi là “cha đẻ của cổ sinh vật học”, đều đã nghiên cứu về cá răng và từng trải qua những cuộc tranh luận gay gắt về chúng. Vào thế kỷ trước, do sự sắp xếp và cấu trúc xương của cá răng rất giống với động vật bốn chân, học thuật đã cho rằng cá răng gần gũi với điểm nhấn cá lên cạn, tuy nhiên hơn 20 năm trước, nhiều hóa thạch cá răng đầy đủ và hoàn chỉnh hơn đã được phát hiện trong các lớp đất Đêvôn ở Úc, làm lung lay vị trí “họ hàng gần” với động vật bốn chân của cá răng. Trong cấu trúc tiến hóa được đề xuất sau đó cho nhánh gần gũi với động vật bốn chân, cá răng vẫn nằm trong nhánh nhưng đã được hạ xuống vị trí nguyên thủy hơn, mối quan hệ với động vật bốn chân trở nên xa cách hơn.

Đặc điểm ghép nối mà Hongyu thể hiện đã đặt ra thử thách mới cho cấu trúc này. Liệu cá răng hay cá xương là “họ hàng gần” của động vật bốn chân? Quá trình cá lên cạn đã tạo ra nghi vấn một lần nữa. Zhu Min cùng các cộng sự đã thực hiện phân tích đặc điểm chi tiết, sâu sắc về nhánh động vật bốn chân, xây dựng một ma trận đặc điểm gồm 33 thành viên của nhánh động vật bốn chân, 5 nhóm bên ngoài và 169 đặc điểm. Dựa trên phân tích Bayesian và phân tích tối giản, hai khung hệ phát sinh loài khác nhau của nhánh động vật bốn chân đã được xây dựng, với sự khác biệt chính là vị trí của cá răng. Kết quả phân tích Bayesian vẫn hỗ trợ vị trí nguyên thủy của cá răng trong nhánh động vật bốn chân. Trong khung này, các đặc điểm ghép nối mà Hongyu mang lại phản ánh rằng cá răng và lưỡng thê cổ – động vật bốn chân đã xảy ra nhiều hình thức tương đồng, cho thấy rằng các đặc điểm thích ứng với cuộc sống trên cạn của cá đã nhiều lần xuất hiện. Kết quả phân tích tối giản phục hồi vị trí trung tâm của cá răng trong quá trình lên cạn của cá, các đặc điểm của Hongyu chỉ ra mối liên hệ gần gũi giữa ba nhóm này, tiết lộ rằng Hongyu và cá răng là những loài cá gần gũi nhất với lưỡng thê cổ và động vật bốn chân.

Dựa vào tài liệu hóa thạch hiện có, vẫn rất khó để lựa chọn giữa hai lý thuyết này. Nhưng trong bất kỳ trường hợp nào, việc phát hiện ra Hongyu đã chứng minh rằng trước đây đã đánh giá thấp mức độ phân dị hình thái và phân khu sinh vật của nhánh động vật bốn chân, đồng thời các loài cá răng và cá xương trong kỳ Đêvôn đã trải qua sự tiến hóa song song đáng kể hướng tới việc thích nghi với cuộc sống trên cạn, tất cả những loài cá lớn săn mồi sống dưới nước thuộc các nhóm khác nhau từng đã thử nghiệm việc tiến ra cạn nhưng cuối cùng chỉ có một nhánh đã thành công.

Kết quả nghiên cứu này nhận được sự hỗ trợ từ các dự án trọng điểm của Ủy ban Quốc gia về Khoa học Tự nhiên và Dự án Nghiên cứu Khoa học Tiên tiến của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.