Kinh ngạc với mô phỏng hình dáng tổ tiên loài người 1,6 tỉ năm trước

Anh Tú17:52 09/06/2023

Theo ước tính, hơn 1,6 tỉ năm trước, sự sống đã có trên Trái đất nhưng thực vật, động vật, thậm chí là nấm chưa xuất hiện.

Các sinh vật thời kỳ đó tồn tại như thế nào?

Mô phỏng quần thể sinh vật protostero

Dấu vết của các phân tử được tìm thấy trong đá cổ đại đang tiết lộ một hệ sinh thái hoang dã của sự sống sơ khai đã săn mồi và phát triển mạnh trong các đại dương trên trái đất trong suốt gần một tỉ năm.

Toàn bộ dấu vết sinh học được tìm thấy trong đá có niên đại 1,64 tỉ năm trước là do một loạt các sinh vật chưa từng được biết đến trước đây để lại. Đó là sinh vật đã thống trị sinh vật trên Trái đất, trong một thế giới ít oxy ở thời kỳ trước khi thực vật, động vật và nấm xuất hiện.

Những sinh vật này không giống bất cứ thứ gì còn tồn tại ngày nay. Các nhà hóa học cổ sinh Jochen Brocks và Benjamin Nettersheim cùng các cộng sự ở Đại học Quốc gia Úc đã phát hiện ra và đặt tên chung cho chúng là quần thể sinh vật protosterol.

Chúng có thể là loài săn mồi sớm nhất trên địa cầu, ăn các vi khuẩn có nhiều trong đại dương vào thời điểm đó. Và chúng dường như cũng là tổ tiên của tất cả sinh vật nhân chuẩn trên Trái đất, bao gồm tất cả các loài thực vật, động vật và nấm đang có mặt trên hành tinh này, trong đó có cả loài người.

Nettersheim hiện làm việc tại Đại học Bremen (Đức) cho biết: “Phần còn lại của phân tử của hệ sinh vật protosterol được phát hiện trong những tảng đá 1,6 tỉ năm tuổi dường như là dấu vết lâu đời nhất của tổ tiên chúng ta – sinh vật sống trước cả tổ tiên chung gần nhất của các sinh vật nhân chuẩn hiện đại (1,2 tỉ năm trước)”.

Đồng thời, Nettersheim nhận định: “Những sinh vật cổ đại này có rất nhiều trong các hệ sinh thái biển trên khắp Trái đất và có lẽ chúng đã thống trị các hệ sinh thái trong phần lớn lịch sử Trái đất”.

Sinh vật nhân chuẩn – những sinh vật có tế bào chứa nhân có màng, ngày nay chiếm ưu thế hoàn toàn trên Trái đất, các nhà khoa học nghĩ rằng nó phải xuất hiện từ hơn một tỉ năm trước.

Video đang HOT

Các nhà cổ sinh vật học đã tìm kiếm những sinh vật nhân chuẩn sơ khai này trong một thời gian dài, nhưng việc xác định các sinh vật cổ đại là một thách thức lớn. Vì đã hơn một tỉ năm trôi qua nên bất kỳ dấu vết nào mà chúng có thể để lại đều có khả năng mai một và khó chẩn đoán một cách chắc chắn.

Phát hiện này được thực hiện khi phân tích đá trầm tích từ khắp thế giới, trong đó lâu đời nhất là từ Hệ tầng Barney Creek ở Úc, có niên đại 1,64 tỉ năm trước.

Họ đang đặc biệt tìm kiếm steroid, một dấu vết sinh học của sinh vật nhân chuẩn sơ khai được nhà hóa sinh đoạt giải Nobel Konrad Bloch phát hiện lần đầu tiên vào năm 1994. Steroid là chìa khóa tìm kiếm vì gần như tất cả các sinh vật nhân chuẩn đều có thể tổng hợp steroid, chẳng hạn như cholesterol ở loài người.

Brocks giải thích: “Chúng tôi đã sử dụng kết hợp các kỹ thuật để lần đầu tiên chuyển đổi các steroid hiện đại khác nhau thành chất tương đương đã hóa thạch của chúng. Nếu không, chúng tôi thậm chí chẳng biết phải tìm gì”.

Ông nói thêm: “Các nhà khoa học đã bỏ qua những phân tử steroid này trong nhiều thập niên vì chúng không phù hợp với mục tiêu tìm kiếm phân tử steroid điển hình. Khi chúng tôi định vị lại mục tiêu của mình, chúng tôi phát hiện ra rằng hàng chục loại đá khác nhau được lấy từ trầm tích hàng tỉ năm tuổi trên khắp thế giới, đã tiết lộ các phân tử steroid nguyên thủy hóa thạch”.

Khám phá cho thấy rằng những dấu vết sinh học của sinh vật nhân chuẩn này đã ẩn náu trong suốt thời gian dài, mặc dù những sinh vật tạo ra chúng trông như thế nào vẫn chưa được biết, vì hóa thạch của chính những sinh vật đó vẫn chưa được tìm thấy.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng các sinh vật protosterol lớn hơn và cấu tạo phức tạp hơn vi khuẩn, thậm chí chúng coi vi khuẩn là con mồi trong chuỗi thức ăn thời đó. Brocks nhận xét: “Chúng tôi tin rằng chúng có thể là những loài săn mồi đầu tiên trên Trái đất, săn tìm và ăn thịt vi khuẩn”.

Thật thú vị, dấu vết do những sinh vật này để lại đã ngừng xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch khoảng 800 triệu năm trước. Sau thời điểm này, tảo và nấm bắt đầu xuất hiện, đó là những loài động vật đầu tiên được cho đã xuất hiện khoảng 700 hoặc 600 triệu năm trước.

Sự suy giảm của quần thể sinh vật protosterol và sự xuất hiện của các sinh vật khác được gọi là Biến đổi Tonian. Đó là một trong những thay đổi sâu sắc nhất mà hệ sinh thái Trái đất đã trải qua, cho phép sinh vật nhân chuẩn hiện đại phát triển.

Việc phát hiện ra sterol nguyên thủy trong một nhóm sinh vật cổ xưa, lại rất giống với sterol mà cơ thể chúng ta sản xuất ngày nay có ý nghĩa quan trọng. Điều đó cho phép chúng ta truy ngược lịch sử nhân loại về thời kỳ xa xưa hơn bao giờ hết.

Nhà hóa học cổ sinh Christian Hallmann thuộc Trung tâm Nghiên cứu khoa học địa chất Đức nói: “Điểm nổi bật của phát hiện này không chỉ là sự mở rộng hồ sơ phân tử steroid hiện tại của sinh vật nhân chuẩn. Nếu cho rằng tổ tiên chung gần nhất của tất cả các sinh vật nhân chuẩn hiện đại, gồm cả con người chúng ta, có khả năng tạo ra các sterol hiện đại, thì rất có thể các sinh vật nhân chuẩn đều chỉ là phần thân trên cây tiến hóa sinh học”. Ông Hallmann ám chỉ rằng quần thể sinh vật protosterol chính là tổ tiên của chúng ta từ 1,6 tỉ năm trước.

Phát hiện về bước ngoặt tiến hóa của tổ tiên chúng ta hàng tỉ năm trước

Ngày 7.6, các nhà khoa học đã công bố kết quả nghiên cứu về steroid nguyên thủy để giải quyết bí ẩn lâu nay về cách các dạng sống phức tạp đầu tiên phát triển.

Sinh vật tiến hóa từ sinh vật đơn bào lên các dạng sống phong phú như hiện giờ

Steroid nguyên thủy được phát hiện trong đá 1,6 tỉ năm tuổi có thể giúp các nhà khoa học giải đáp bí ẩn lâu đời về sự tiến hóa của sự sống đơn bào. Các hợp chất này được tạo ra bởi các sinh vật nhân chuẩn, tức là các tế bào có nhân và các bào quan bên trong được bao bọc bởi màng. Sinh vật nhân chuẩn hiện đại bao gồm thực vật, nấm và động vật. Ngược lại, sinh vật nhân sơ - vi khuẩn và vi khuẩn cổ - thiếu những đặc điểm này. Dựa trên dữ liệu phân tử, các nhà nghiên cứu biết rằng sinh vật nhân chuẩn đơn bào đã tiến hóa lần đầu tiên cách đây ít nhất 2 tỉ năm, nhưng có rất ít hồ sơ hóa thạch về những ngày đầu tiên của chúng.

Đặc biệt khó hiểu là các steroid mà sinh vật nhân chuẩn tạo ra như một phần của màng của chúng không xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch cho đến khoảng 800 triệu năm trước. Tổ tiên chung gần nhất của sinh vật nhân chuẩn hiện đại (gồm cả con người chúng ta ngày nay) đã có mặt trên Trái đất cách đây khoảng 1,2 tỉ năm và các nhà khoa học cho rằng đó là nguồn gốc đã tạo ra các steroid này. Chính sự ngộ nhận đó dẫn đến nhầm lẫn về lý do tại sao chúng không xuất hiện trong đá cổ đại.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng họ đang tìm kiếm sai thứ. Thay vì tìm kiếm các hợp chất steroid có lớp vỏ như hiện tại, họ đã phát hiện ra tiền chất từ các bước đầu tiên trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả của họ vào ngày 7.6 trên tạp chí Nature.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu Jochen Brocks, giáo sư tại Trường Nghiên cứu Khoa học Trái đất tại Đại học Quốc gia Úc, nói: "Nó (steroid nguyên thủy) giống một thứ thứ gì đó hiển nhiên xuất hiện hàng ngày nhưng chúng ta không 'nhìn thấy' nó". Nhưng một khi ta biết nó trông như thế nào, ta đột nhiên thấy nó ở khắp mọi nơi".

Giới sinh vật nhân thực

Sau khi các nhà nghiên cứu tìm ra phân tử nào cần tìm, họ đã tìm thấy chúng trên khắp các loại đá trầm tích từ 1 tỉ đến 1,6 tỉ năm trước. Brocks nói điều đó làm thay đổi bức tranh về những gì các nhà nghiên cứu tin tưởng về sự phong phú ban đầu của sinh vật nhân chuẩn (gồm 3 giới động vật, thực vật và nấm).

Ông nói: "Trước đây chúng tôi nghĩ rằng sinh vật nhân chuẩn có số lượng rất thấp hoặc bị hạn chế ở những môi trường cận biên nơi không thể tìm thấy hóa thạch phân tử. Bây giờ có vẻ như các dạng nguyên thủy hơn có thể khá phong phú ngay cả trong môi trường sống ngoài biển khơi".

Các hợp chất lần đầu được tìm thấy trong đá hình thành dưới đáy đại dương cổ đại, phát lộ lên mặt đất ở phía Bắc của Úc. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu mở rộng cuộc tìm kiếm những tảng đá hàng tỉ năm tuổi trên toàn cầu, họ đã tìm thấy dấu vết của steroid cổ đại từ khắp nơi trên thế giới, gồm cả ở Tây Phi, Scandinavia và Trung Quốc.

Các mẫu cổ nhất có niên đại 1,64 tỉ năm; các nhà khoa học vẫn chưa tìm thấy những tảng đá cổ hơn được bảo quản đủ tốt để phân tích. Ngoài ra, Brocks nói trong hồ sơ dữ liệu của họ vẫn có một khoảng trống thời gian ở giai đoạn từ 800 triệu đến 1 tỉ năm trước, bởi vì có rất ít đá biển từ khoảng thời gian đó vẫn còn tồn tại. Tuy nhiên, thời kỳ đó lại nằm ngay giai đoạn mà sinh vật nhân chuẩn hiện đại có khả năng bắt đầu xuất hiện cao nhất. Do vậy điều quan trọng là phải lấp đầy những khoảng trống đó thì mới giải quyết hết các thắc mắc.

Bước ngoặt trong tiến hóa của sinh vật

Laura Katz, nhà sinh vật học tại Đại học Smith, người nghiên cứu sự tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn nhưng không tham gia vào nghiên cứu, cho biết phát hiện mới là một "bước tiến đáng kể" trong việc bổ sung dữ liệu còn thiếu về sinh vật nhân chuẩn sơ khai.

Katz nói: "Báo cáo khoa học này đang giúp chúng tôi hiểu được những sinh vật nhân chuẩn ban đầu và giúp mường tượng chúng có thể trông như thế nào".

Andrew Roger, nhà sinh học phân tử tại Đại học Dalhousie ở Canada, người không tham gia nghiên cứu, cũng cho biết những sinh vật này tiến hóa trong một môi trường rất khác so với môi trường ngày nay. Roger cho biết bầu khí quyển của Trái đất mãi đến 2,4 tỉ năm trước mới chứa hàm lượng oxy đáng kể và mãi đến 650 triệu năm trước mới đạt đến mức oxy như hiện giờ.

Ông nói: "Mức độ oxy trong khí quyển có thể đóng một vai trò quan trọng trong thời điểm tiến hóa của sinh vật nhân thực, do hầu hết sinh vật nhân chuẩn sử dụng oxy trong quá trình trao đổi chất của chúng. Katz thậm chí cho biết còn có khả năng nhờ các steroid mới phát triển đã cho phép những sinh vật nhân chuẩn ban đầu di chuyển vào môi trường mới giàu oxy".

Đó chính là bước tiến đột phá để từ sinh vật đơn bào tiến hóa thành đa bào, thành động vật rồi thành con người chúng ta. Nên nhớ để tiến hóa từ vượn sang người thì chỉ mất hơn 3 triệu năm, nhưng để tiến hóa từ sinh vật đơn bào sang sinh vật đa bào thì chúng ta mất hàng tỉ năm.

Steroid là một loại hợp chất hữu cơ có chứa một sự sắp xếp đặc trưng của bốn vòng cycloalkane được nối với nhau. Ví dụ về các steroid bao gồm các chất béo ăn cholesterol, hormon sinh dục estradiol và testosterone, và thuốc chống viêm dexamethasone. Lõi của steroid bao gồm 20 nguyên tử cacbon liên kết với nhau mang hình thức của bốn vòng hợp nhất: ba vòng cyclohexane (được xem như là vòng A, B, và C trong hình bên phải) và một vòng cyclopentane (vòng D). Các steroid khác nhau đối với từng nhóm chức năng gắn liền với cốt lõi bốn vòng và oxy hóa của các vòng.

Steroid là các hợp chất chất béo hữu cơ hòa tan có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp, có công thức từ 17 nguyên tử cacbon sắp xếp thành 4 vòng và bao gồm cả các sterol và axit mật, thượng thận, và kích thích tố giới tính. Một số steroid có nguồn gốc thiên nhiên như: hợp chất digitalis, và các tiền chất của một số loại vitamine nhất định.

Phát hiện 'những kẻ săn mồi' đầu tiên trên Trái Đất tại Australia Hai nhà khoa học của Đại học Quốc gia Australia tìm thấy dấu vết phân tử của loài vi sinh vật Protosterol Biota khi phân tích những tảng đá 1,6 tỷ năm tuổi thu được từ lãnh thổ phía Bắc nước này. Giáo sư Jochen Brocks kiểm tra các trầm tích 1,64 tỷ năm tuổi để tìm các phân tử của quần thể...