Tạp chí Nature của Anh đã trực tuyến công bố kết quả nghiên cứu về sự tiến hóa của tai giữa ở động vật có vú cổ đại, được thực hiện bởi Wang Haibing và Wang Yuanqing từ Viện Nghiên cứu Cổ sinh vật học và Nhân chủng học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cùng với Meng Jin từ Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ. Nghiên cứu đã phát hiện một chi mới thuộc nhóm động vật có vú đa nhân (multituberculate) có tên là Jeholbaatar Kielanae, được tìm thấy ở Lạng Nguyên, tỉnh Liêu Ninh, và đề xuất một mô hình mới về sự tiến hóa của tai giữa ở động vật có vú.
Hóa thạch động vật có vú mới được phát hiện nằm trong
đá Liên Nguyên từ tầng Jiufo (Jiufotang Formation), nơi hóa thạch này được bảo tồn cùng một lớp đá với hóa thạch cá tầm Bắc Tiêu (Beipiao Sturgeon). Sau một thời gian dài sửa chữa cẩn thận trong phòng thí nghiệm, xử lý dữ liệu và so sánh, nhóm nghiên cứu đã xác định rằng hóa thạch này đại diện cho một loài mới trong họ động vật có vú thuộc nhóm đa nhân và đặt tên hóa thạch này là Jeholbaatar Kielanae, với tên chi bắt nguồn từ tổ hợp động vật Jehol Biota. Đây là lần đầu tiên báo cáo về hóa thạch động vật có vú đa nhân được tìm thấy trong nhóm Jiufo, và tên loài được đặt để tưởng niệm nhà cổ sinh vật học người Ba Lan Zofia Kielan-Jaworowska.
Trong lịch sử tiến hóa của động vật có xương sống, sự tiến hóa của tai giữa ở động vật có vú thường được coi là một ví dụ điển hình về quy luật tái hiện trong sinh học: tai giữa của động vật có vú trải qua ba giai đoạn phát triển từ tai giữa hàm dưới (Mandibular Mammalian Middle Ear), tai giữa chuyển tiếp (Transitional Mammalian Middle Ear), đến tai giữa động vật có vú điển hình (Definitive Mammalian Middle Ear). Điều này đã khiến nghiên cứu liên quan trở thành một trong những chủ đề nóng trong nghiên cứu tiến hóa của động vật có vú sớm, nhưng thời gian và cơ chế diễn ra ở các giai đoạn khác nhau của tiến hóa tai giữa trong các dòng động vật có vú vẫn còn là khó khăn trong nghiên cứu.
Mẫu vật điển hình của Jeholbaatar Kielanae lưu giữ cấu trúc tai giữa hoàn chỉnh, cung cấp bằng chứng trực tiếp cho việc nghiên cứu sự tiến hóa của vùng tai ở động vật có vú thời kỳ đầu. Công trình nghiên cứu này đã tiết lộ hình thái hoàn chỉnh của từng phần xương tai giữa ở động vật có vú đa nhân và mối liên hệ giữa chúng, góp phần làm đầy một mảnh ghép quan trọng trong nghiên cứu sự chuyển biến từ tai giữa hàm dưới sang tai giữa động vật có vú điển hình. Dựa trên nghiên cứu này, các nhà khoa học đã có cái nhìn rõ ràng hơn về sự tiến hóa của xương ngang (Surangular) ở động vật có vú. Nghiên cứu này đã lần đầu tiên tiết lộ rằng, trong động vật có vú sớm, xương ngang từ một bộ xương độc lập dần dần gắn liền với thân xương búa, trở thành phần bên ngoài phía sau của xương búa. Hình thái của xương búa và xương đe trong mẫu vật mới đã được bảo tồn nguyên vẹn, giữ lại trạng thái khớp nguyên thủy, với một mối quan hệ tiếp xúc chồng chéo (dorsal-ventral). Các nhà nghiên cứu còn cho rằng, trong quá trình tiến hóa tai giữa ở động vật có vú, mặc dù hình thái của xương tai giữa có sự thay đổi lớn, nhưng cách khớp nối giữa xương búa và xương đe vẫn tồn tại hai mô hình: khớp chồng chéo và khớp kiềng.
Một bước đột phá quan trọng khác của nghiên cứu này là các nhà khoa học đã dựa trên kết quả phân tích hình thái học và phát sinh loài để đề xuất một mô hình mới về sự tiến hóa của tai giữa ở động vật có vú sớm. Về cơ chế tiến hóa từ tai giữa hàm dưới đến tai giữa động vật có vú điển hình, có hai giả thuyết khá phổ biến: “sự phình to của sọ não” và “tăng trưởng bất đối xứng ngược lại”. Giả thuyết “sự phình to của sọ não” cho rằng việc tăng kích thước của sọ não trong quá trình phát triển đã dẫn đến vị trí của tai giữa sau lùi, cuối cùng tách ra khỏi hàm dưới. Giả thuyết “tăng trưởng bất đối xứng ngược lại” nhấn mạnh hình thái của xương tai giữa ở giai đoạn đầu phát triển phôi tương đối lớn so với hàm dưới, thời gian hóa thành xương của tai giữa cũng xảy ra sớm hơn. Do đó, trong giai đoạn sau phát triển phôi, với sự tăng kích thước của xương sọ và hàm dưới, xương tai giữa cuối cùng đã tách rời khỏi hàm dưới. Với sự tiến bộ trong nghiên cứu hóa thạch (nhiều loài động vật sống có hệ phôi) và sinh học phát triển của động vật hiện đại (động vật đẻ trứng và động vật có túi), sự hỗ trợ cho hai giả thuyết này đã ngày càng suy yếu. Một quan điểm khác cho rằng sự tồn tại của sụn Meckel hóa và sự tách rời cuối cùng của xương sau hàm có thể liên quan đến chức năng của hàm dưới.
Trong bài báo được công bố gần đây, dựa trên kết quả phân tích phát sinh loài, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một giả thuyết mới về cơ chế tiến hóa của tai giữa ở động vật có vú trong nhóm Thú (multituberculate + Thú mỏ vịt). Trong thời kỳ Trung sinh, nhóm Thú ít nhất đã phát triển tai giữa điển hình của động vật có vú từ thời kỳ giữa/muộn Jura (khoảng 160 triệu năm trước); trong khi trong cùng thời kỳ, ngay cả vào cuối thời kỳ đầu Phấn trắng, tất cả các nhóm động vật có vú khác được biết đến vẫn còn giữ kiểu tai giữa chuyển tiếp. Đồng thời, phương thức khớp giữa xương sau hàm và xương sọ của nhóm Thú là độc đáo, với khớp mở hơn, hỗ trợ cho hoạt động di chuyển hàm dưới lớn hơn, khác biệt rõ rệt so với khớp hàm giữa xương sau hàm và xương sọ ở động vật có vú. Kết hợp với hình thái tai giữa của nhóm Thú và thời gian phân hóa khớp xương sau hàm, các nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng trong tiến hóa tai giữa ở động vật có vú, khớp giữa xương búa-xương đe (khớp hàm nguyên thủy) và khớp giữa xương sau hàm-xương sọ (khớp hàm thứ cấp) là đồng tiến hóa, giúp giảm bớt giới hạn không gian của xương tai giữa. Họ cũng cho rằng nhóm Thú cũng tồn tại một giai đoạn tai giữa chuyển tiếp, nhưng giai đoạn này có thể kéo dài ngắn hơn so với tất cả các nhóm động vật có vú khác, và cơ chế tiến hóa có thể do phương thức khớp xương sau hàm-xương sọ và cách thức ăn của nhóm Thú đã tạo ra một áp lực chọn lọc đáng kể hơn đối với sự tách rời của tai giữa khỏi hàm dưới, từ đó thúc đẩy sự tiến hóa của tai giữa, dẫn đến sự phát triển của tai giữa điển hình của động vật có vú từ cách đây ít nhất 160 triệu năm (trước tất cả các nhóm động vật có vú khác).
Nghiên cứu này đã hoàn thành việc quét 3D hóa thạch tại Trung tâm quét CT độ chính cao của Viện Nghiên cứu Tiến hóa Xương sống và Nguồn gốc Nhân loại thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, sử dụng công nghệ “CT hóa thạch dạng bản” (160-Micro-Computed Laminography) để quét hóa thạch với độ chính xác cao.
Nghiên cứu này đã nhận được sự hỗ trợ từ Dự án Khoa học Công nghệ Định hướng Chiến lược của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (Loại B), Dự án Trung tâm Khoa học Cơ bản của Ủy ban Khoa học Tự nhiên Quốc gia (Sự phá hủy của nền đá và tiến hóa sinh học trên đất liền), Quỹ Thanh niên Khoa học Tự nhiên Quốc gia, và Quỹ Mở của Phòng Thí nghiệm Chính Quốc gia về Cổ sinh vật học và Địa tầng.
Hình 1. Mẫu vật điển hình của Jeholbaatar Kielanae (góc dưới bên phải) và một mẫu cá tầm Bắc Tiêu được bảo tồn trong cùng một lớp đá (Ảnh do Wang Haibing cung cấp)
Hình 2. Mẫu vật điển hình của Jeholbaatar Kielanae (Ảnh do Wang Haibing cung cấp)
Hình 3. Hình thái tai giữa bên trái của Jeholbaatar Kielanae (Ảnh do Wang Haibing cung cấp)
Hình 4. Hai phương thức khớp giữa xương búa-xương đe trong tiến hóa tai giữa động vật có vú (Ảnh do Wang Haibing cung cấp)
Hình 5. Lịch sử tiến hóa của tai giữa ở động vật có vú thời kỳ đầu (Ảnh do Wang Haibing cung cấp)
Hình 6. Hình ảnh quét CL của mẫu vật điển hình Jeholbaatar Kielanae (Ảnh do Wang Haibing cung cấp)
Hình 7. Sơ đồ phục hồi sinh thái của Jeholbaatar Kielanae (Ảnh do Xu Yong cung cấp)
Thẻ động vật: Jeholbaatar Kielanae, tiến hóa, hóa thạch, mẫu vật, hình ảnh gốc
