Phát hiện mới giúp hoàn thiện thuyết tiến hóa trong lịch sử sự sống 3,5 tỉ năm

Theo một nhóm nhà khoa học quốc tế, các vi hóa thạch từ Tây Úc có thể ghi lại bước nhảy vọt về mức độ phức tạp của sự sống trùng hợp với sự gia tăng lượng oxy trong bầu khí quyển và đại dương của Trái đất.

Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Geobiology, cung cấp một góc nhìn hiếm hoi về Sự kiện oxy hóa lớn, thời điểm cách đây khoảng 2,4 tỉ năm khi nồng độ oxy trên Trái đất tăng lên, làm thay đổi căn bản bề mặt hành tinh.

Các nhà khoa học luôn cho rằng sự kiện được giả định này đã gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt và mở ra cánh cửa cho sự phát triển của sự sống phức tạp hơn. Thế nhưng, họ có rất ít bằng chứng sơ cấp tồn tại trong hồ sơ hóa thạch trước khi phát hiện ra các vi hóa thạch mới. Do vậy, có thể coi đây là bằng chứng sơ cấp đầu tiên liên kết sự thay đổi môi trường Trái đất và sự sống phức tạp. 

Tác giả Erica Barlow, nữ giáo sư tại Khoa Khoa học Địa chất tại bang Pennsylvania (Mỹ), cho biết: “Những gì chúng tôi trình bày là bằng chứng trực tiếp đầu tiên liên kết môi trường đang thay đổi trong Sự kiện oxy hóa lớn với sự gia tăng mức độ phức tạp của sự sống. Đây là điều đã được đưa ra trong giả thuyết trước đây, nhưng có rất ít hồ sơ hóa thạch nên khi đó chúng tôi chưa thể chứng thực nó”.

So sánh với các sinh vật và tảo hiện đại

Các nhà khoa học cho biết, khi so sánh với sinh vật hiện đại, các vi hóa thạch gần giống với một loại tảo hơn là sinh vật nhân sơ đơn giản, chẳng hạn như vi khuẩn, vốn tồn tại trước Sự kiện oxy hóa lớn. Tảo, cùng với tất cả các loài thực vật và động vật khác, là sinh vật nhân chuẩn với tế bào có cấu trúc phức tạp hơn sinh vật nhân sơ dù là thế hệ cuối.

Các nhà khoa học cho biết cần phải nghiên cứu thêm để xác định xem liệu các vi hóa thạch có bị sinh vật nhân chuẩn thế chỗ hay không, nhưng khả năng này sẽ có ý nghĩa rất quan trọng. Nó sẽ đẩy lùi sự tồn tại của sinh vật nhân chuẩn đã biết thông qua vi hóa thạch sớm hơn tới 750 triệu năm.

Barlow cho biết: “Các vi hóa thạch có sự tương đồng đáng chú ý với họ vi khuẩn Volvocaceae hiện đại. Điều này gợi ý rằng hóa thạch (ở Tây Úc) có thể là hóa thạch của sinh vật nhân chuẩn sơ khai. Đó là một phát hiện lớn và cần phải nỗ lực nhiều hơn, đồng thời nó đặt ra một câu hỏi thú vị mà cộng đồng sinh học có thể nghiên cứu và thử nghiệm”.

Barlow đã phát hiện ra tảng đá chứa các hóa thạch khi đang thực hiện nghiên cứu tại Đại học New South Wales (USNW) ở Úc và cô đã tiến hành công việc hiện tại như một phần của công việc tiến sĩ của mình tại UNSW và sau đó là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại bang Pennsylvania.

Ý nghĩa và nghiên cứu trong tương lai

Christopher House, giáo sư khoa học địa chất tại bang Pennsylvania, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Những hóa thạch cụ thể này được bảo quản rất tốt, cho phép nghiên cứu kết hợp về hình thái, thành phần và độ phức tạp của chúng. Kết quả cung cấp một góc nhìn tuyệt vời và sống động về hình thái sinh quyển hàng tỉ năm trước”.

Các nhà khoa học đã phân tích thành phần hóa học cũng như thành phần đồng vị carbon của các vi hóa thạch và xác định carbon được tạo ra bởi các sinh vật sống, đồng thời xác nhận rằng các cấu trúc này thực sự là hóa thạch sinh học. Họ cũng khám phá ra những hiểu biết sâu sắc về môi trường sống, quá trình sinh sản và trao đổi chất của vi sinh vật.

Barlow đã so sánh các mẫu này với các vi hóa thạch từ trước Sự kiện oxy hóa lớn và không thể tìm thấy các sinh vật có thể so sánh được với vi hóa thạch mới phát hiện. Cô cho biết các vi hóa thạch mà cô tìm thấy lớn hơn và có cách tổ chức tế bào phức tạp hơn.

Barlow nhận định: “Hồ sơ mới dường như tiết lộ sự bùng nổ của sự sống cũng như sự đa dạng và phức tạp của sinh vật hóa thạch mà chúng ta tìm thấy ngày càng nhiều”.

Theo Barlow, so với sinh vật hiện đại, các vi hóa thạch có những điểm tương đồng rõ ràng với các khuẩn lạc tảo, gồm cả hình dạng, kích thước và sự phân bố. Thậm chí, có sự tương đồng trong cấu tạo bên trong từng tế bào và màng xung quanh.

Barlow nói: “Chúng có sự tương đồng đáng chú ý. Nhờ cách so sánh đó, chúng ta có thể nói những hóa thạch này có cấu trúc tương đối phức tạp. Chúng có những điểm tương đồng khá nổi bật với tảo hiện đại, điều mà chúng ta không hề có trong hồ sơ hóa thạch trước đây”.

Các nhà khoa học cho biết những phát hiện này có ý nghĩa đối với cả thời gian hình thành sự sống phức tạp trên Trái đất sơ khai. Đây là bằng chứng sớm nhất, không gây tranh cãi củng cố thêm cho giả thuyết sự sống trên Trái đất bắt nguồn từ 3,5 tỉ năm trước. Nó cũng phác thảo cho việc tìm kiếm sự sống ở nơi khác trong hệ mặt trời có thể tiết lộ điều gì.

Barlow nói: “Tôi nghĩ việc tìm thấy một hóa thạch tương đối lớn và phức tạp như vậy, cũng như tương đối sớm trong lịch sử sự sống trên Trái đất, khiến ta phải đặt ra câu hỏi: Nếu chúng ta tìm thấy sự sống ở nơi khác, thì đó có thể không chỉ là sự sống của vi khuẩn nhân sơ. Có khả năng sẽ có thứ gì đó phức tạp hơn, có thể là thứ gì đó ở cấp độ cao hơn một chút”. (ND: Có lẽ Barlow muốn ám chỉ đến việc tồn tại các sinh vật nhân chuẩn ở ngoài Trái đất mà con người có thể phát hiện).

Sự kiện oxy hóa lớn (GOE) là sự xuất hiện của dioxy (O2) trong bầu khí quyển của Trái Đất do sinh vật gây ra. Các bằng chứng địa chất, đồng vị, và hóa học cho thấy sự thay đổi lớn về môi trường này đã xảy ra khoảng 2,3 tỉ năm trước đây.

Vi khuẩn lam (Cyanobacteria), xuất hiện trước GOE khoảng 200 triệu năm, đã thực hiện quang hợp và sản sinh ô xytự do. Vào lúc bắt đầu thì bất kỳ oxy tự do nào được sản sinh ra đều bị hấp thụ bởi hoặc chất hữu cơ (tức là oxy hóa các chất đó). Khi những chất trên cạn kiệt, oxy tự do bắt đầu được tích lũy trong môi trường và là thời điểm bắt đầu của GOE. Sau khi GOE, oxy tự do dư thừa bắt đầu tích lũy trong khí quyển.

Oxy tự do có hại với sinh vật kỵ khí, và khi nồng độ tăng cao có thể đã xóa sổ hầu hết cộng đồng sinh vật kỵ khí của Trái đất vào thời điểm đó. Do đó các vi khuẩn lam này chịu trách nhiệm cho một trong những sự kiện tuyệt chủng lớn nhất trong lịch sử Trái đất.

Cuối cùng, sinh vật hiếu khí bắt đầu phát triển, hấp thụ oxy và dẫn đến trạng thái cân bằng của oxy trong khí quyển. 

Sự kiện oxy hóa lớn