Ngày 5 tháng 12 năm 2019, tạp chí Khoa học (Science) đã công bố trực tuyến kết quả nghiên cứu của các học giả Mão Phương Viên, Vương Nguyên Thanh từ Viện Nghiên cứu động vật cổ và nhân loại học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Mạnh Tân từ Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ về loài động vật cổ đại mesozoic có tên là Origolestes lii: trong quá trình tiến hóa của động vật có xương sống loại chân dưới, các cấu trúc thính giác và nhai vốn previously tích hợp, được điều chỉnh bởi các cơ chế gen riêng biệt, đã thích nghi với sự chọn lọc tự nhiên để cải thiện hiệu quả thính giác và nhai trong nhóm động vật có vú, dẫn đến một quá trình tiến hóa phân tách theo mô-đun; Origolestes lii thể hiện rõ đặc điểm hình thái tại các điểm phân tách tiến hóa của hai mô-đun trong nghành động vật có vú. Sự phân tách của mô-đun thính giác và nhai đã tăng cường khả năng biến đổi hoặc khả năng tiến hóa của chúng, trở thành một trong những yếu tố nội tại có thể thúc đẩy sự tiến hóa phân tán trong nhóm động vật có vú.
Tiến hóa mô-đun là một khái niệm kết hợp giữa sinh học tiến hóa và sinh học phát triển. Sinh vật có thể được phân tách thành các đơn vị hình thái, phát triển hoặc chức năng nhỏ hơn ở nhiều cấp độ khác nhau; chúng tương đối độc lập trong sự phát triển và điều chỉnh gen, có thể có tốc độ biến thể khác nhau trong quá trình tiến hóa; đồng thời có tính bảo tồn, thường có khả năng nhận sự tác động của chọn lọc tự nhiên một cách độc lập mà không ảnh hưởng đến hình thái chức năng của các mô-đun khác. Chi trên của động vật có xương sống là một ví dụ về tiến hóa mô-đun đồng nguồn, có thể tiến hóa thành cánh, vây hoặc tay người, nhưng không làm ảnh hưởng đến các phần khác, như hình thái và chức năng của chi dưới. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng hàm dưới và xương thính giác ở động vật có vú là một ví dụ đặc biệt về tiến hóa mô-đun. Sự độc đáo nằm ở chỗ, quá trình tiến hóa này kết hợp cả sự đa dạng hóa của mô-đun đồng nguồn và sự chuyên biệt hóa chức năng, đồng thời từ một cấu trúc phức tạp tích hợp các hình thái chức năng, dần dần tiến hóa thành hai mô-đun cơ quan chức năng hoàn toàn độc lập.
Các nhà nghiên cứu, dựa trên sáu mẫu vật được bảo quản ba chiều trong sinh quyển nhiệt đới đầu kỷ Phấn Trắng (tầng Lục Gia Thôn), đã sử dụng phương pháp chụp cắt lớp vi mô (CT) và tái tạo ba chiều để thiết lập một dòng mới của loài động vật có răng: Origolestes lii, ghi nhớ đến một trong những tác giả của bài viết kỷ niệm, nhà nghiên cứu Lý Truyền Khôi, một trong những người đặt nền móng cho nghiên cứu động vật có vú đầu tiên tại Trung Quốc, đã qua đời vào tháng 10 năm nay. Các nhà nghiên cứu cho rằng các hình thái chôn vùi của mẫu vật đều cho thấy những động vật này đã chết trong trạng thái nghỉ ngơi, và hóa thạch hầu như không bị xáo trộn sau này, một số mẫu vật được bảo quản theo cặp có thể phản ánh một số hành vi xã hội của các loài động vật có xương sống cơ bản. Các chứng cứ về cấu trúc răng, hàm và dấu vết cắn trong cùng loài và cùng cá thể của Origolestes lii cho thấy rằng trong quá trình nhai, hàm dưới không chỉ thực hiện các chuyển động nâng hạ mà còn có chuyển động ngang và xoay theo hướng dài. Quá trình chuyển động đa hướng của hàm dưới trong khi nhai có thể là một trong những áp lực chọn lọc dẫn đến sự tách biệt của xương thính giác và xương cằm, cũng như sụn Meckel trong động vật có vú.
Nhiều nghiên cứu về giải phẫu hình thái, sinh học phát triển và di truyền học đã chỉ ra từ lâu rằng xương thính giác (xương búa, xương đe, xương ngoài tai) của động vật có vú và xương cằm sau của bò sát (xương khớp, xương trước khớp, xương vuông, xương góc) có mối quan hệ đồng nguồn. Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy những xương này trong quá trình phát triển sớm của các nhóm khác nhau, chịu sự điều chỉnh của các cơ chế gen tương tự; những cơ chế này có thể truy ngược đến sự phát triển của hàm dưới ở cá. Trong suốt hai mươi năm qua, việc phát hiện ra động vật có vú kỷ Mesozoic ở khu vực Liêu Tây, như sụn Meckel hóa của bò sát, xương thính giác của Liêu Kiếm Chi Tê cho thấy chứng cứ về mô hình chuyển tiếp tiến hóa từ hàm dưới đến tai giữa đặc trưng của động vật có vú. Tuy nhiên, trong tai giữa chuyển tiếp, xương thính giác mặc dù đã tách ra khỏi xương cằm nhưng vẫn gắn chặt với sụn Meckel, mà sụn này lại nối với xương cằm; do đó, chức năng thính giác và nhai vẫn chưa hoàn toàn tách biệt, vẫn còn ảnh hưởng lẫn nhau. Nhiều mẫu vật của Origolestes lii lần đầu tiên cho thấy một đặc điểm quan trọng, đó là không có liên kết xương giữa xương thính giác và sụn Meckel, đại diện cho một điểm phân tách quan trọng trong quá trình tiến hóa của động vật có vú giữa mô-đun thính giác và nhai, lấp đầy khoảng trống về đặc điểm hình thái trong quá trình tiến hóa giữa tai giữa chuyển tiếp và tai giữa đặc trưng của động vật có vú, và biểu thị một giai đoạn tiến hóa tiên tiến hơn trong các động vật có xương sống cơ bản từ góc độ phát sinh loài và tiến hóa đặc trưng. Việc xác lập kiểu hình phân tách này cung cấp các tham chiếu và xác minh về mặt thời gian và kiểu hình cho mô hình và giả thuyết liên quan đến tiến hóa tai giữa của động vật có vú trong sinh học phát triển (ví dụ, cơ chế mà xương thính giác và hàm dưới cuối cùng tách rời trong giai đoạn phát triển sớm của động vật có vú là do sự gãy sụn Meckel).
Về mặt chức năng hình thái, việc tách biệt các mô-đun thính giác và nhai đã loại bỏ các yếu tố vật lý gây cản trở giữa chúng, tăng cường khả năng tiến hóa và thích nghi đa phương của hai mô-đun; trong khi các cơ quan thính giác đã có tiềm năng phát triển khả năng nghe cao tần nhạy bén hơn, cơ quan nhai cũng đã thu được khả năng đa dạng hóa về hình thái răng và kiểu cắn để đáp ứng các loại thực phẩm khác nhau.
Nhờ kết quả chụp CT chính xác cao, Origolestes lii đã thể hiện các đặc điểm hình thái học gần như hoàn chỉnh của xương thính giác trong các động vật có xương sống cơ bản (hay thậm chí trong tất cả các động vật có vú kỷ Mesozoic đã biết), cung cấp chứng cứ hóa thạch đáng tin cậy cho nghiên cứu sâu hơn về tiến hóa xương thính giác ở động vật có vú. Đặc biệt, ngoài các xương thính giác như xương bàn đạp, xương búa, xương ngoài tai và xương đe mà tất cả các động vật có vú đều có, xương thính giác của Origolestes lii còn giữ lại xương góc trên. Kể từ khi nghiên cứu xương thính giác của Liêu Kiếm Chi Tê và động vật sọc Aho đã đề xuất khả năng tồn tại của xương góc trên, càng ngày càng nhiều chứng cứ cho thấy, xương góc trên đã xâm nhập vào tai giữa trong tiến hóa thời kỳ đầu của động vật có vú. Origolestes lii đã cung cấp chứng cứ ba chiều đáng tin cậy nhất cho xương góc trên, trong nhóm cơ bản giữa Triceratops và động vật có vú, xương góc trên có cấu trúc phẳng, nhô về phía trước nằm giữa xương ngoài tai và xương búa, phần phía sau kết hợp với xương búa, tạo thành khớp trước sau với xương đe. Sự tồn tại của xương góc trên trong động vật có xương sống cơ bản cũng đặt ra thách thức cho nghiên cứu động vật có vú cổ và sinh học phát triển hiện đại: liệu xương thính giác này đã bị mất hoàn toàn trong tiến hóa của động vật có vú hay theo cách nào đó đã hòa nhập vào một phần nào đó, dẫn đến sự thiếu vắng xương góc trên trong tai giữa của các loài hiện sống? Việc phát hiện thêm các hóa thạch liên quan và nghiên cứu sinh học phát triển chi tiết có thể giúp trả lời câu hỏi này. Nội tai có liên quan mật thiết với xương thính giác, như một phần quan trọng của cơ quan thính giác, cũng thể hiện cấu trúc tiến hóa độc đáo trong nhóm Triceratops – động vật có vú. So sánh với động vật có vú hiện đại và đơn huyệt, nhóm này có ống ốc tai với bảng xương thứ phát kéo dài thẳng đến phần giữa của nền sọ, xung quanh đầu ốc tai giàu mạng tĩnh mạch; chiều dài và chiều rộng của ống ốc tai của Origolestes lii thậm chí đã đạt đến giới hạn của xương đá, tỷ lệ thể tích của nó so với não khối lớn hơn, gần như đến mức cực hạn, có thể xem là một “thí nghiệm” tiến hóa của các phương pháp kéo dài ống ốc tai khác nhau của động vật có vú; nó phần nào hỗ trợ rằng cấu trúc xoắn ốc của ống ốc tai ở động vật có vú là hướng tiến hóa thích nghi hơn để kéo dài ống ốc tai trong không gian hạn chế của xương đá. Dù sao đi nữa, các động vật có xương sống cơ bản (bao gồm cả con người) đã gia tăng khả năng biến thể hoặc khả năng tiến hóa của mình trong các thí nghiệm đa dạng, cuối cùng thành công và trở thành một trong những nhân vật chủ đạo của hệ sinh thái Trái đất.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia, Dự án Khoa học Chiến lược Cấp B của Học viện Khoa học Trung Quốc và Quỹ Khuyến khích Đổi mới Trẻ tuổi của Học viện Khoa học Trung Quốc, đặc biệt cảm ơn bảo tàng Chao Yang Giác Tán đã hỗ trợ lớn.
Hình 1. Tái tạo CT của Origolestes lii (do Mão Phương Viên cung cấp)
Hình 2. Hình thái răng, chi tiết mài mòn và mối quan hệ chuyển động cắn của Origolestes lii (do Mão Phương Viên cung cấp)
Hình 3. Hình thái và vị trí giải phẫu của tai giữa, tai trong và sụn Meckel của Origolestes lii. H, mũi tên chỉ điểm tách biệt giữa xương thính giác và sụn Meckel. I, mũi tên chỉ liên kết xương giữa các xương thính giác và sụn Meckel trong tai giữa chuyển tiếp của Liêu Kiếm Chi Tê (do Mão Phương Viên cung cấp)
Hình 4. Cấu trúc nội tai và hình thái khoang não cũng như mối quan hệ tương đối của Origolestes lii (A-I), cũng như so sánh với các loài đơn huyệt (J) và túi nhăn (K). Màu vàng là mô hình cấu trúc của nội tai, màu xanh là hệ thống mạch máu liên quan đến nội tai (do Mão Phương Viên cung cấp)
Hình 5. Sơ đồ tiến hóa tách biệt giữa mô-đun chức năng thính giác và nhai của động vật có vú (do Mão Phương Viên cung cấp)
Hình 6. Tái tạo môi trường sinh thái và quần xã động vật Lục Gia Thôn của Origolestes lii (do Triệu Xương vẽ)
Thẻ động vật: Origolestes lii, tiến hóa, nghiên cứu, hệ sinh thái, hóa thạch
