Hơn 12.000 vi hóa thạch hé lộ vai trò của oxy với sự sống phức tạp

Trong những lõi đá từng được khoan lên để thăm dò khoáng sản ở miền bắc Australia, các nhà nghiên cứu tìm thấy hơn 12.000 vi hóa thạch. Điều đáng chú ý không chỉ nằm ở số lượng: những dấu tích được xem là của sinh vật nhân thực, tức nhóm tế bào phức tạp có nhân, chỉ xuất hiện trong các lớp đá hình thành ở môi trường có oxy. Ở nơi thiếu oxy, họ chỉ ghi nhận những dạng nhân sơ đơn giản hơn. Sự phân bố này cho thấy oxy có thể đã giữ vai trò thiết yếu đối với sự tồn tại và phát triển của tế bào phức tạp từ rất sớm, dù chưa giải thích trọn vẹn chúng bắt nguồn như thế nào. [1]

Những lõi đá đã lưu giữ điều gì?

Các lõi đá hình trụ được doanh nghiệp thăm dò khoáng sản khoan từ độ sâu hàng trăm mét và lưu giữ tại Darwin. Một số lõi là đá bùn, loại đá hình thành khi bùn dưới đáy biển bị nén và hóa rắn. Hơn 1,5 tỷ năm trước, phần lớn miền bắc Australia nằm dưới một biển nội địa. Những vi sinh vật sống trong nước hoặc trên đáy biển khi ấy bị chôn cùng trầm tích, để lại dấu vết hữu cơ cực nhỏ trong đá. [1]

Để tìm các dấu tích này, nhóm nghiên cứu nghiền mẫu đá bùn, hòa tan phần khoáng rồi quan sát cặn hữu cơ dưới kính hiển vi. Họ đồng thời phân tích đá bao quanh hóa thạch để xác định môi trường lắng đọng và dấu hiệu oxy trong nước biển cổ. Vì thế, mỗi vi hóa thạch không chỉ cung cấp một hình dạng để phân loại. Vị trí của nó trong đá còn giúp nối sinh vật với điều kiện nơi nó từng sống. [1]

Tế bào nhân thực phức tạp ở điểm nào?

Sự khác biệt quan trọng giữa nhân thực và nhân sơ nằm ở cách tổ chức tế bào. Vi khuẩn và cổ khuẩn thuộc nhóm nhân sơ, phần lớn là sinh vật đơn bào có cấu trúc tương đối đơn giản. Tế bào nhân thực có nhân cùng các bào quan đảm nhiệm những chức năng chuyên biệt. Động vật, thực vật, nấm và tảo đều thuộc nhóm này, nhưng các đại diện nhân thực thuở đầu không phải những cơ thể lớn: chúng vẫn là sinh vật đơn bào chỉ có thể quan sát qua dấu tích hiển vi. [1]

Có thể hình dung tế bào nhân sơ như một không gian làm việc chung, còn tế bào nhân thực chia một số nhiệm vụ vào những khu vực riêng. Phép so sánh này không mô tả đầy đủ hoạt động sinh học, nhưng cho thấy vì sao cấu trúc bên trong lại quan trọng. Sự chuyên hóa giúp tế bào thực hiện và phối hợp nhiều quá trình, tạo nền tảng để các dạng sống phức tạp hơn xuất hiện về sau. [1]

Oxy đem lại lợi thế gì?

Gần như mọi sinh vật nhân thực hiện nay đều sử dụng oxy trong hô hấp hiếu khí, quá trình phân giải chất dinh dưỡng để giải phóng năng lượng. Nguồn năng lượng này có thể giúp duy trì bộ máy phức tạp của tế bào nhân thực. Bởi vậy, việc vi hóa thạch nhân thực chỉ xuất hiện trong trầm tích có dấu hiệu oxy phù hợp với giả thuyết rằng oxy không đơn thuần hiện diện bên cạnh chúng, mà còn tạo ra điều kiện sống thuận lợi. [1]

Tuy nhiên, oxy không phải yêu cầu tuyệt đối của mọi dạng sống. Nhiều vi khuẩn phát triển trong môi trường không oxy, và một số sinh vật nhân thực hiện đại cũng có thể sống trong điều kiện như vậy. Hồ sơ địa chất còn cho thấy oxy tương đối khan hiếm khi sinh vật nhân thực ban đầu tiến hóa, khiến những vùng biển không oxy có thể từng phổ biến. Do đó, nhu cầu của sinh vật ngày nay không đủ để suy ra trực tiếp nhu cầu của mọi tổ tiên xa xưa. [1]

Sự phân bố hóa thạch nói lên điều gì?

Các vi hóa thạch được xem là nhân thực xuất hiện trong nhiều bối cảnh, từ bãi bùn ven bờ đến biển khơi. Điểm chung giữa chúng không phải khoảng cách với bờ, mà là nước có oxy khi trầm tích hình thành. Ngược lại, các mẫu đại diện cho môi trường thiếu oxy chỉ chứa những dạng nhân sơ đơn giản. Sự đối lập qua nhiều môi trường khiến oxy trở thành yếu tố đáng chú ý hơn một đặc điểm địa lý riêng lẻ. [1]

Những hóa thạch nhân thực được khảo sát có niên đại trong khoảng 1,7 đến 1,4 tỷ năm; mẫu cổ nhất tại Northern Territory được xác định vào khoảng 1,75 tỷ năm. Các mốc này là tuổi của những mẫu và lớp đá khác nhau, không phải một niên đại duy nhất cho toàn bộ hơn 12.000 hóa thạch. Chúng thuộc nhóm dấu tích nhân thực cổ nhất hiện được biết đến và cho phép xem xét mối liên hệ với oxy ở một giai đoạn rất sớm. [1]

Phát hiện chưa trả lời được điều gì?

Điều được quan sát trong đá là một quy luật phân bố: dấu tích tế bào phức tạp đi cùng môi trường có oxy, còn mẫu thiếu oxy chỉ chứa dạng đơn giản hơn. Từ đó, nhóm nghiên cứu diễn giải rằng những sinh vật nhân thực cổ có thể phụ thuộc vào oxy. Đây là một giả thuyết phù hợp với dữ liệu, nhưng sự đi kèm chưa tự nó chứng minh oxy là nguyên nhân duy nhất tạo ra tế bào nhân thực. [1]

Các mẫu đá cũng không ghi lại khoảnh khắc tế bào nhân thực đầu tiên hình thành. Bằng chứng di truyền từ sinh vật hiện đại cho thấy tổ tiên chung của sinh vật nhân thực bắt nguồn từ sự cộng sinh giữa ít nhất một cổ khuẩn và một vi khuẩn. Vi hóa thạch bổ sung một mảnh khác của câu chuyện: chúng cho biết tế bào phức tạp từng hiện diện ở đâu và trong môi trường nào, chứ chưa xác định oxy đã khởi phát sự cộng sinh hay chỉ giúp các tế bào sau đó tồn tại và mở rộng. [1]

Vì sao phát hiện này đáng chú ý?

Lịch sử sự sống ban đầu phải được ghép từ nhiều loại dấu vết. Di truyền học giúp lần theo quan hệ họ hàng; hóa thạch lưu lại hình thái của những nhánh đã biến mất; địa chất mô tả môi trường bao quanh chúng. Trong trường hợp các lõi đá ở Australia, ba hướng tiếp cận cùng gợi ra một cách nhìn thận trọng: oxy có lẽ không phải công tắc tức thời tạo nên sự sống phức tạp, nhưng có thể đã quyết định nơi những tế bào phức tạp đầu tiên sinh tồn. [1]

Giá trị của hơn 12.000 vi hóa thạch vì thế nằm ở phép đối chiếu giữa sinh vật và môi trường cổ. Những vật thể chỉ còn là cặn hữu cơ dưới kính hiển vi đã biến một câu hỏi rộng về tiến hóa thành dấu hiệu cụ thể trong đá: ngay từ rất sớm, sự hiện diện của tế bào phức tạp đã gắn chặt với những vùng nước có oxy. [1]