Cá cổ đại tiết lộ bí ẩn về nguồn gốc của ngón tay con người

Tại sao chúng ta lại có những ngón tay, số lượng những ngón tay này có ý nghĩa gì về mặt tiến hóa?

Câu chuyện bắt đầu ở kỷ Devon - khoảng 380 triệu năm trước. Trái Đất trong giai đoạn này được coi là kỷ nguyên của các loài cá, chúng thống trị tất cả các đại dương và các loài cá vây chiếm lĩnh các lưu vực nước ngọt.

Trái Đất vào cuối kỷ Devon, khí hậu trên hành tinh của chúng ta rất ấm áp và khô ráo. Cây dương xỉ và cây hạt trần hình thành những khu rừng rậm rạp ở khắp mọi nơi. Các loài thực vật có hạt bắt đầu xuất hiện, và loài cây thuộc chi Prototaxites nguyên bản cao tới 8,8 mét bao phủ bầu trời.

Những loài côn trùng có mặt trên khắp các đầm lầy và những cành cây và lá bắt đầu rụng nhiều khiến cho hàm lượng oxy trong nước giảm xuống và một số loài cá trong một thời gian ngắn đã bắt đầu di chuyển đến bãi triều gần bờ để sinh sống.

Cũng trong thời kỳ này, một sự kiện quan trọng đã xảy ra trong lịch sử tiến hóa của Trái Đất, các loài động vật dưới nước bắt đầu chuyển đổi môi trường sống của chúng.

Nước và đất liền là hai môi trường sinh thái rất khác nhau, và chúng phải có sự tiến hóa đột biến đáng kể để có thể thích nghi với môi trường sống mới, mặt khác, để có thể sống và di chuyển trên đất liền thì các chi hỗ trợ cơ thể và vẫn động lúc này lại trở thành các cơ quan hết sức quan trọng.

Các loại cá có vây thùy thời tiền sử.

Các nghiên cứu về nguồn gốc của các chi phụ thuộc rất nhiều vào một số loài cá có vây thùy thời tiền sử sống trong thời kỳ cuối kỷ Devon, chủ yếu bao gồm các loại như: Panderichthys, Tiktaalik và Elpistostegalia.

Hóa thạch 3D xương cá có vây thùy.

Trong số đó, những đề tài nghiên cứu về cá Tiktaalik tương đối phong phú. Tuy nhiên, những nghiên cứu đó vẫn chưa tiết lộ cấu trúc giải phẫu của bộ xương vây ngực một cách hoàn chỉnh.

Vào cuối năm 2019, PNAS (Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ) đã công bố một nghiên cứu có tên "Fin ray patterns at the fin-to-limb transition" với nội dung khám phá cách thức hoạt động của vây và sự thay đổi khi chúng tiến hóa thành các chi.

Vùng Miguasha của Canada.

Elpistostege là loài săn mồi lớn nhất sinh sống ở vùng nước nông đến những vùng cửa sông của Canada trong thời kỳ cuối kỷ Devon. Vào năm 2010, một hóa thạch hoàn chỉnh dài 1,57 mét của loài Elpistostege đã được phát hiện ở vùng Miguasha của Canada. Vào ngày 18/3/2020, Nature đã công bố một bài nghiên cứu liên quan đến hóa thạch này.

Một nhóm các nhà cổ sinh vật học từ Đại học Flinder ở Úc và Đại học Quebec ở Canada đã sử dụng công nghệ quét CT để khôi phục xương vây ngực hoàn chỉnh của hóa thạch nói trên. Kết quả của cuộc khảo sát cho thấy sự hiện diện của humerus (xương cánh tay), radius và ulna (xương cẳng tay), xương cổ tay và những xương ngón tay.

Khám phá này cung cấp những hiểu biết mới về nguồn gốc và sự tiến hóa ngón tay của các loài động vật bốn chân (bao gồm cả con người).

Cấu trúc giải phẫu của bộ xương vây ngực (a) và xương cánh tay (b) của cá có vây thùy thời tiền sử (Panderichthys, Tiktaalik và Elpistostegalia) và động vật 4 chân thời sơ khai (Tulerpeton).

So sánh trong hình trên cho thấy trong qua trình tiến hóa từ loài cá sang động vật 4 chân chúng ta có thể thấy rằng từ trái qua phải, số lượng và khoảng cách giữa các xương liên tục tăng để hình thành các ngón. Điển hình là xương vây ngực của Elpistostege đã bắt đầu hình thành các xương ngón chân.

Do đó, một bài nghiên cứu trên tạp chí Nature chỉ ra rằng nguồn gốc các ngón chân (tay) của động vật có xương sống là sự tiến hóa của xương trong vây ngực của động vật thủy sinh.

Khi loài cá bắt đầu rời khỏi môi trường nước và chuyển khu vực sinh sống đến các bãi triều và các hoạt động cũng như các áp lực sinh tồn trên bờ, trên đất liền đã thúc đẩy quá trình chọn lọc để hỗ trợ cơ thể trong môi trường sống mới. Số lượng các xương nhỏ ở vây cũng buộc phải tăng lên và dần tiến hóa để hình thành các xương ngón tay.

Xương ngón tay đã tiến hóa trong vây.

Đây là lần đầu tiên giới khoa học phát hiện ra sự tiến hóa rõ ràng như vậy thay vì những phỏng đoán như trước kia. Xương ngón tay đã tiến hóa trong vây và những xương ngón tay này rất giống với xương ngón tay của hầu hết các loài động vật trên cạn ngày nay.

Đồng thời, nó cũng cho thấy rằng trước khi các động vật dưới nước chuyển đổi hoàn toàn sang môi trường sống trên cạn, sự tiến hóa của ngón tay đã diễn ra một cách lặng lẽ.

Trước khi các động vật dưới nước chuyển sang sống trên cạn thì sự tiến hóa của ngón tay đã diễn ra một cách lặng lẽ.

Có thể Elpistostege không nhất thiết là tổ tiên loài người của chúng ta, nhưng nó là loài động vật đang ở giai đoạn chuyển tiếp giữa cá và động vật lưỡng cư, và loài này cho chúng ta thấy bằng chứng trực tiếp nhất về quá trình tiến hóa của các ngón tay ở động vật 4 chân trên cạn ngày nay.

Ngoài ra, còn có loài Acanthostega, đây là một trong những loài động vật có xương sống đầu tiên có tứ chi có thể dễ dàng nhận ra. Loài này xuất hiện vào cuối kỷ Devon.

Về mặt giải phẫu có thể thấy chúng lai giữa cá vây thùy và những động vật có đầy đủ tứ chi để di chuyển trên cạn. Loài này chỉ dài khoảng 0.6 m và tới nay vẫn chưa tìm thấy bằng chứng để khẳng định rõ ràng chúng có bao nhiêu ngón chân, nhưng giữa các ngón có màng liên kết, và dường như chưa thích nghi tốt để đi bộ trên đất liền.

Chi trước của Acanthostega không thể uốn cong về phía trước ở chỗ khuỷu tay, và do đó không thể chịu được trọng lượng của cơ thể, và có vẻ phù hợp hơn cho việc bơi dạng chèo hoặc để bám vào các cây thủy sinh. Mặc dù Acanthostega có nhiều đặc điểm giống cá nhưng chúng có chân và bàn chân phát triển rõ ràng thay vì là vây. Chúng cũng có mang bên trong giống như cá và cũng đã phát triển phổi, nhưng xương sườn thì quá ngắn để hỗ trợ đưa khoang ngực ra khỏi mặt nước.

Người ta đã suy luận rằng Acanthostega có thể sống ở những đầm lầy nông có nhiều cây thủy sinh. Nghiên cứu dựa trên phân tích hình thái hộp sọ của Acanthostega chỉ ra rằng loài này có thể đã săn mồi ở mép nước hoặc gần mép nước.

• Tại sao xương vây của cá voi có năm ngón trông giống bàn tay con người?
• Các nhà nghiên cứu Singapore tạo ra thiết bị sản xuất được điện từ bóng tối
• Bằng chứng sốc về sự sống Trái đất khởi nguồn từ một tiểu hành tinh