Ngày 19 tháng 5 năm 2016, tạp chí Sinh học đương đại (Current Biology) đã công bố kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu của Zhu Min từ Viện Nghiên cứu Động vật Cổ và Cổ nhân loại, Học viện Khoa học Trung Quốc cùng với các đồng nghiệp từ Đại học Oxford, Vương quốc Anh. Sử dụng công nghệ quét CT độ chính xác cao, họ đã thực hiện một nghiên cứu lại về cấu trúc hộp sọ não của loài cá Miman từ cách đây 410 triệu năm, tiết lộ rằng hộp sọ não của loài cá Miman có đặc điểm điển hình của nhóm cá xương. Nghiên cứu đã cung cấp bằng chứng mới nhất để giải mã bí ẩn nguồn gốc của nhóm cá xương. Nghiên cứu này cũng phát hiện rằng cấu trúc “lớp xếp” không chỉ có ở nhóm cá có vây thịt, mà còn có ở một số loài cá xương nguyên thủy, làm thay đổi giả thuyết truyền thống rằng “lớp xếp” là đặc trưng riêng biệt của nhóm cá có vây thịt.
Cá xương là trục chính trong sự tiến hóa của động vật có xương sống. Cá xương được chia thành hai nhánh lớn là cá có vây thịt và cá có vây tia. Khoảng 380 triệu năm trước, trong kỷ Devon muộn, cá có vây thịt bắt đầu bước lên đất liền, phát triển thành các động vật có xương sống trên đất liền, bao gồm con người. Tuy nhiên, cá có vây thịt ở lại dưới nước dần trở nên mai một, trong khi cá có vây tia trở thành những chúa tể của các vùng nước trên thế giới. Hiện nay, cá có vây tia có số lượng loài khổng lồ (32.219 loài, chiếm khoảng một nửa số loài động vật có xương sống), chiếm lĩnh từ những vũng nước sau cơn mưa đến miệng núi lửa sâu dưới biển. Hầu hết các loài cá mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày đều thuộc nhóm cá có vây tia.
Theo tiến sĩ Lu Jing, thời kỳ từ kỷ Devon muộn đến kỷ Devon sớm (khoảng 430 triệu – 400 triệu năm trước) là giai đoạn quan trọng trong sự tiến hóa của cá xương, các nhóm cá có vây thịt và cá có vây tia đã bắt đầu tách biệt trong giai đoạn này. Trong lịch sử địa chất, đây là một thời kỳ đầy biến động, môi trường của trái đất đã trải qua nhiều thay đổi trong thời gian ngắn. Những nhóm sinh vật cũ suy tàn đã tạo ra cơ hội tiến hóa mới. Loài cá có hàm trên và dưới đã phát triển theo những hướng khác nhau tạo ra nhiều nhóm mới, định hình nền tảng cho sự tiến hóa của động vật có xương sống trong 400 triệu năm tiếp theo. “Thời đại của cá” đã bắt đầu.
Tuy nhiên, hoá thạch của cá có vây tia trong thời kỳ này lại cực kỳ hiếm hoi. Kiến thức trước đây về những loài cá có vây tia sơ khai nhất chủ yếu dựa trên hoá thạch của loài cá Codfish sống từ 390-380 triệu năm trước, là một loài ăn thịt có thể dài hơn nửa mét, có hình dáng thuôn và sở hữu hàm lớn cùng với răng sắc nhọn. Nó để lại rất nhiều hoá thạch ở châu Âu và Bắc Mỹ, được bảo quản tốt. Tuy vậy, cá Codfish đã sở hữu hầu hết các đặc trưng điển hình của cá có vây tia, trong khi tồn tại một khoảng cách đáng kể so với tổ tiên chung gần nhất của cá có vây tia và cá có vây thịt. Trong hơn một trăm năm qua trong lịch sử khảo cổ học, khoảng cách này luôn là một bí ẩn lớn đối với cộng đồng khoa học.
Kết quả nghiên cứu của Lu Jing và các cộng sự cho thấy, bằng chứng chính để lấp đầy khoảng trống tiến hóa này và giải mã bí ẩn nguồn gốc của cá có vây tia có thể đã được phát hiện.
Theo nhà nghiên cứu Zhu Min, tác giả chính của bài báo cho biết, vào thời kỳ từ kỷ Devon muộn đến kỷ Devon sớm, khu vực phía Đông Vân Nam, Trung Quốc vẫn là một vùng biển nông nhiệt đới nằm gần đường xích đạo, đây trở thành cái nôi tiến hóa của các loài cá xương sơ khai. Trong cộng đồng động vật Quý Châu, sống cách đây 410 triệu năm, các cá có vây thịt đa dạng đã chiếm ưu thế, số lượng và chủng loại rất phong phú, có thể ăn những loài cá nhỏ như cá có vỏ giáp và các loại cá có vỏ. Trong số các loài cá có vây thịt này có nhiều “loài ngôi sao” trong khảo cổ học như cá lân sừng, cá Yang và cá kỳ lạ, cung cấp một cái nhìn độc đáo cho nghiên cứu sự tiến hóa ban đầu của cá có vây thịt.
Bằng chứng hoá thạch từ cộng đồng động vật Quý Châu cho thấy trong giai đoạn đầu của sự tiến hóa cá xương, sự phân chia giữa các nhóm chưa rõ ràng. Ví dụ, cá lân sừng cùng có những đặc điểm của cá có vây thịt lẫn cá có vây tia. Điều này cho thấy cộng đồng động vật Quý Châu đã rất gần với điểm phân nhánh giữa cá có vây thịt và cá có vây tia.
Bước vào thế kỷ 21, nhóm nghiên cứu cá có xương nguyên thủy tại Viện Cổ động vật đã tìm thấy một số hoá thạch đầu lâu không nổi bật với số lượng và mức độ bảo quản không thể so sánh với các loài “ngôi sao” như cá lân sừng, cá Yang. Tuy nhiên, nó sắp cung cấp bằng chứng quan trọng cho nguồn gốc của cá có vây tia. Loài cá này chính là cá Miman, ban đầu được phân loại vào nhóm cá có vây thịt.
Mẫu vật chính của cá Miman là một miếng xương mỏng hình “凸”, khi cá còn sống, nó cấu thành nắp hộp sọ não. Bề mặt của miếng xương có hàng triệu lỗ nhỏ, cấu trúc mô cứng này được gọi là “lớp xếp”, trước đây luôn được coi là đặc trưng riêng của các loài cá có vây thịt sớm. Sự hiện diện của lớp xếp là lý do chính để phân loại cá Miman vào nhóm cá có vây thịt. Tuy nhiên, não cá có vây thịt nguyên thủy được chia thành hai phần trước và sau, trong khi não cá Miman lại không có sự phân chia giống như cá có vây tia nguyên thủy. Vì vậy, việc phân loại cá Miman trở thành một vấn đề chưa được giải quyết trong giới khoa học. Để xác định phân loại của cá Miman, cần tìm kiếm thêm nhiều bằng chứng hơn nữa.
Khi lật miếng xương lại, hiện ra các cấu trúc đã hóa thạch với hình thái phức tạp và không đồng nhất, giống như các đường đồng mức của đồi núi, những cấu trúc này đại diện cho hình thái của khoang não, mạch máu, dây thần kinh và các cấu trúc bên trong tai của loài cá cổ xưa cách đây 400 triệu năm. Nghiên cứu này bằng công nghệ CT độ chính xác cao cho thấy cá Miman cũng sở hữu một số đặc điểm chỉ có ở cá có vây tia, trong đó bằng chứng quan trọng nhất đến từ lỗ phun nước của nó, chính là tổ tiên của ống tai con người.
Trong “Trang Tử” có một truyền thuyết: Hỗn độn là vị thần cổ xưa, không có bảy lỗ; bạn bè của ông là Shu và Hu đã đục cho ông bảy lỗ, ngay sau đó hỗn độn đã chết. Lỗ phía trên hộp sọ là rất quan trọng đối với sự sống, trong lịch sử tiến hóa cũng giữ được sự ổn định, mắt, mũi, miệng của con người đã xuất hiện và hình thành từ rất sớm trong lịch sử động vật có xương sống. Chỉ có tai là trường hợp ngoại lệ, nó đã trải qua nhiều sự tái cấu trúc và thay đổi trong tiến hóa.
Ông tai của chúng ta, trong các động vật có xương sống nguyên thuỷ sống dưới nước, được gọi là lỗ phun nước, được phát triển từ một cặp lỗ mang ở phía trước. Tên gọi lỗ phun nước không diễn tả đúng chức năng của nó, mà chức năng thực sự của nó liên quan đến hô hấp và cảm nhận. Các lỗ phun nước của cá mập và cá đuối có các cơ quan cảm giác giúp cân bằng, đồng thời cũng có thể hút vào dòng nước mới. Các loài cá có vây mà hiện nay sống trong các vùng nước thiếu ôxy sẽ sử dụng lỗ phun nước trên đỉnh đầu để hít không khí giống như lỗ mũi. Sau khi cá lên đất liền, lỗ phun nước chuyển thành một kênh kết nối tai trong và nguồn âm thanh bên ngoài, trở thành một phần không thể thiếu của hệ thống thính giác của chúng ta.
Một phần lớn lỗ phun nước của cá có vây tia khác với các loài cá khác, nó đã tạo thành một đoạn ống đóng kín bằng xương ở đáy hộp sọ não, được gọi là ống phun nước. Hóa thạch hộp sọ não của cá Miman cũng cho thấy đặc điểm tương tự. Hơn nữa, vùng tai trong của hộp sọ não của nó còn có một khoang đặc biệt, đây cũng là đặc điểm chỉ có ở cá có vây tia. Trong các loài cá tầm hiện nay (thuộc nhóm cá có vây tia nguyên thủy hơn), khoang này được dùng để chứa cơ quan tạo máu. Dựa vào các bằng chứng mới này, Lu Jing và các cộng sự đã phân loại cá Miman vào nhóm cá có vây tia, do đó cá Miman trở thành loài cá có vây tia nguyên thủy nhất và sớm nhất được biết đến, đẩy lùi hồ sơ hoá thạch của cá có vây tia không có tranh cãi đầu tiên lên trước 20 triệu năm.
Trong thời kỳ đầu của “thời đại của cá”, nhiều loài cá xương cổ kỳ lạ sống dưới nước, có thể loài cá có vây tia đầu tiên cũng nằm trong số đó, chỉ là hình dạng bên ngoài có thể không giống với các loài cá có vây tia điển hình sau này. Khi ngày càng có nhiều hóa thạch cá xương nguyên thủy được phát hiện, nguồn gốc của cá có vây tia, những chúa tể của các vùng nước trên trái đất, sẽ trở nên ngày càng rõ ràng.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Dự án Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia và Dự án 973 của Bộ Khoa học và Công nghệ.
Hình 1: Mô hình tái tạo cấu trúc não cá Miman. A, nắp hộp sọ cá Miman (khía cạnh dorsal); B, hộp sọ não cá Miman (khía cạnh bụng); C, khoang não cá Miman (khía cạnh dorsal); D, khoang não của cá có vây tia Mimipiscs từ kỷ Devon muộn (hình ảnh do Lu Jing cung cấp).
Hình 2: Hình phục dựng sinh thái của cá Miman (do Brian Choo thuộc Đại học Flinders, Australia vẽ).
Hình 3: Sơ đồ hệ thống nhánh nơi cá Miman thuộc về. Màu xanh lá cây biểu thị cá có vây tia, màu xanh dương biểu thị cá có vây thịt (hình ảnh do Lu Jing cung cấp).
Thẻ động vật: cá Miman, cá Miman, cá có vây tia, cá có vây thịt, cá.
