Cấu trúc vi mô 97 triệu năm tiết lộ cơ chế định vị từ tính cổ xưa trong lòng đại dương

Nhiều loài động vật ngày nay như chim di cư, cá biển hay côn trùng có thể vượt hàng nghìn kilomet mà không đi lệch hướng nhờ khả năng cảm nhận từ trường Trái Đất. Dù vậy, cơ chế sinh học đằng sau năng lực định vị này vẫn là một trong những câu hỏi gây mò mẫm nhất của sinh học hiện đại. Một phát hiện mới từ các lớp trầm tích cổ đại dưới lòng Bắc Đại Tây Dương đã mang lại bằng chứng trực tiếp cho thấy hệ thống cảm nhận từ tính phức tạp đã tồn tại ít nhất 97 triệu năm trước. [1]

Những hóa thạch vi mô mang hình dáng kỳ lạ

Trong các mẫu trầm tích thu thập từ đáy biển Bắc Đại Tây Dương, các nhà khoa học đã tìm thấy những cấu trúc vi mô được gọi là magnetofossils. Dù chỉ có kích thước tương đương một tế bào vi khuẩn, chúng sở hữu hình thái rất đa dạng như hình đầu mũi giáo, hình thoi, hình viên đạn hay dạng kim. Các đặc điểm cấu trúc cho thấy chúng có nguồn gốc sinh học chứ không phải những khoáng vật hình thành hoàn toàn tự nhiên. [1]

Trước đây, từng có giả thuyết cho rằng các gai khoáng vật cứng này chỉ đóng vai trò cơ học như một lớp gai bảo vệ sinh vật khỏi các loài săn mồi. Tuy nhiên, kích thước của loại magnetofossils này lại lớn gấp 10 đến 20 lần so với các hạt khoáng vật từ tính magnetite thường gặp ở vi khuẩn hiện đại. Sự khác biệt về quy mô này thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm hiểu kỹ hơn về đặc tính từ tính bên trong chúng. [1]

Kỹ thuật chụp cắt lớp giải mã mô hình xoáy từ 3D

Việc nghiên cứu cấu trúc bên trong của các hạt magnetofossils khổng lồ này từng gặp nhiều rào cản kỹ thuật. Do kích thước hạt tương đối lớn so với quy mô vi mô, các chùm tia X truyền thống không thể đâm xuyên qua hiệu quả để ghi nhận cấu trúc từ tính ba chiều. [1]

Để vượt qua giới hạn đó, một nhóm nghiên cứu quốc tế kết hợp giữa Đại học Cambridge, Viện Max Planck và Helmholtz Zentrum Berlin đã ứng dụng phương pháp chụp cắt lớp từ tính tại cơ sở Diamond X-ray ở Oxford. Kỹ thuật dựng hình ba chiều này cho phép quan sát sự sắp xếp của các mômen từ sinh ra từ chuyển động tự quay của electron bên trong tinh thể. [1]

Hình ảnh thu được cho thấy các mômen từ không xếp song song theo một trục thẳng đơn giản. Thay vào đó, chúng xoắn quanh một đường trục trung tâm kéo dài suốt hạt hóa thạch, tạo nên một cấu trúc từ tính dạng xoáy lốc tương tự hình nón xoáy. Dạng hình học xoáy từ này sở hữu độ bền vững rất cao, giúp giữ ổn định các tín hiệu từ tính trước những nhiễu loạn nhỏ từ môi trường xung quanh. [1]

Khả năng nhận diện đồng thời góc nghiêng và cường độ

Theo giáo sư Rich Harrison từ Đại học Cambridge, cấu trúc xoáy từ lốc xoáy này mang lại hiệu năng cảm biến vượt trội. Một mặt, nó phản ứng với góc nghiêng của đường sức từ Trái Đất so với bề mặt địa cầu, giúp sinh vật xác định được vĩ độ hiện tại. [1]

Mặt khác, cấu trúc dạng xoáy này cực kỳ nhạy cảm với sự biến thiên về cường độ từ trường. Khi cường độ từ trường thay đổi nhẹ — vốn là hiện tượng xảy ra theo chiều kinh độ — toàn bộ mô hình xoáy từ sẽ xuất hiện một độ rung nhẹ mang tính đặc trưng. Nhờ phản ứng kép này, hạt khoáng vật có thể cung cấp cả hai tọa độ cần thiết để sinh vật xác định chính xác vị trí địa lý của mình trên quy mô đại dương, tương tự như một bản đồ đa chiều. [1]

Từ la bàn vi khuẩn đơn sơ đến thiết bị định vị sinh học

Để thấy rõ ý nghĩa tiến hóa của phát hiện này, có thể so sánh nó với cơ chế cảm nhận từ trường ở các loài vi khuẩn sống trong môi trường nước hiện đại. Các loài vi khuẩn này tạo ra các chuỗi tinh thể magnetite nhỏ với kích thước chỉ khoảng 50 đến 100 nanomet. Ở quy mô này, các hạt hoạt động như những kim la bàn tối giản, hỗ trợ vi khuẩn bơi dọc theo các đường sức từ để tìm đến độ sâu nước phù hợp. [1]

Trong khi đó, việc tạo ra các hạt magnetofossils kích thước lớn với cấu trúc xoáy lốc phức tạp vào thời điểm 97 triệu năm trước cho thấy một bước ngoặt lớn. Thay vì chỉ sử dụng từ trường để định hướng lên xuống đơn giản, sinh vật cổ đại đã tiến hóa một hệ thống cảm nhận từ tính có khả năng phân tích cả cường độ từ trường, biến khả năng định hướng thô sơ thành một công cụ định vị đường dài chuyên biệt. [1]

Truy tìm sinh vật sở hữu hệ thống định vị cổ xưa

Dù đã hiểu rõ cơ chế vận hành của hạt magnetofossils, danh tính chính xác của sinh vật tạo ra chúng vẫn là một bí ẩn chưa có lời giải cuối cùng. Sinh vật này phải là một loài động vật di cư sống trong đại dương thời kỳ kỷ Phấn trắng và có số lượng đủ lớn để lại lượng hóa thạch dồi dào trong các tầng trầm tích. [1]

Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng lươn cổ đại là một trong những ứng viên tiềm năng. Loài lươn được xác định xuất hiện khoảng 100 triệu năm trước và nhiều loài lươn ngày nay vẫn thực hiện những hành trình di cư dài hàng nghìn kilomet từ các dòng sông ra biển Sargasso để sinh sản. Mặc dù các hạt magnetite đã được phát hiện trong cơ thể lươn hiện đại, việc xác định vị trí chính xác của chúng trong các tế bào vẫn rất khó khăn do kích thước vi mô của hạt nằm rải rác trong cơ thể sinh vật. [1]

Tuy chưa thể khẳng định chắc chắn tên loài, phát hiện về các hạt magnetofossils 97 triệu năm tuổi đã cung cấp mốc thời gian sớm nhất được ghi nhận về khả năng định vị từ tính phức tạp ở động vật, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn hành trình tiến hóa của một trong những giác quan kỳ diệu nhất trong tự nhiên. [1]