Vì sao vỏ sinh vật phù du đồng loạt đổi chiều xoắn?

Trong một lớp trầm tích, phần lớn vỏ foraminifera có thể xoắn trái; sang lớp kế tiếp, vỏ xoắn phải lại chiếm ưu thế. Kiểu chuyển đổi này xuất hiện gần như cùng lúc tại nhiều vùng biển, dù những sinh vật đơn bào ấy sống cách nhau cả đại dương. Cách giải thích đang được chú ý không coi chiều xoắn là phản ứng trực tiếp với nhiệt độ: nó có thể chỉ là dấu hiệu đi kèm một biến cố tiến hóa, khi một dòng di truyền mới lan rộng và thay thế quần thể trước đó. [1]

Điều bí ẩn không chỉ nằm ở hình dạng chiếc vỏ. Một số loài duy trì cùng một chiều xoắn trong thời gian rất dài, rồi đổi hướng tương đối đột ngột trên thang địa chất. Muốn hiểu hiện tượng này, các nhà nghiên cứu phải ghép hai loại manh mối vốn thường được xem xét riêng: hồ sơ vỏ hóa thạch dưới đáy biển và di truyền học của foraminifera đang sống. [1]

Những chiếc vỏ lưu giữ điều gì?

Foraminifera, thường gọi tắt là foram, là sinh vật nhân thực đơn bào có mặt trong mọi đại dương. Chúng tạo ra lớp vỏ cứng với nhiều lỗ nhỏ; phần lớn sống dưới đáy biển, còn một số trôi nổi trong nước như sinh vật phù du. Sau khi chúng chết, vỏ chìm xuống và tích tụ trong trầm tích. Các lớp vỏ nối tiếp nhau vì thế tạo thành một hồ sơ tự nhiên kéo dài khoảng 560 triệu năm. [1]

Hình dạng vỏ cho biết thành phần loài từng hiện diện, còn đồng vị và nguyên tố vi lượng trong vỏ giúp tái dựng khí hậu cùng điều kiện đại dương cổ. Chiều xoắn cũng trở thành một dấu mốc dễ nhận ra. Ở một số loài, tỷ lệ cá thể xoắn cùng hướng có thể lên tới 97%, trong khi những loài khác phân bố gần cân bằng giữa hai hướng. Chính sự thiên lệch mạnh này khiến mỗi lần hướng ưu thế thay đổi nổi bật trong lõi trầm tích. [1]

Vì sao nhiệt độ từng là lời giải?

Hiện tượng đổi chiều được chú ý từ đầu thập niên 1950, khi kỹ thuật lấy lõi đáy biển cho phép khảo sát các lớp vỏ tích tụ. Năm 1959, nhà địa chất biển David Ericson nghiên cứu Neogloboquadrina pachyderma ở Bắc Đại Tây Dương và nhận thấy vỏ thường xoắn trái trong những giai đoạn băng hà lạnh, nhưng thiên về xoắn phải ở thời kỳ ấm hơn. Mối tương quan ấy dẫn tới giả thuyết rằng nhiệt độ quyết định hướng xoắn. [1]

Giả thuyết này hợp lý nếu chỉ nhìn một khu vực: môi trường thay đổi, hình dạng sinh vật cũng thay đổi theo. Tuy nhiên, các kết quả sau đó làm mối liên hệ trở nên kém chắc chắn. Công trình di truyền công bố năm 2006 cho thấy hai dạng N. pachyderma thực ra là hai loài khác nhau, mỗi loài có hướng xoắn riêng. Năm 2013, Yurika Ujiié khảo sát các loài từ nhiều đại dương và không tìm thấy sự tương ứng nhất quán giữa nhiệt độ với chiều xoắn. [1]

Hồ sơ toàn cầu hé lộ điều gì?

Bridget Wade và cộng sự tổng hợp khoảng năm thập niên nghiên cứu về nhiều loài foraminifera phù du trong 56 triệu năm gần đây. Họ nhận thấy các lần đổi chiều không bị giới hạn trong một vùng khí hậu hay một lưu vực. Cùng một loài có thể thay đổi kiểu xoắn tại Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương, từ vùng nhiệt đới tới vĩ độ cao. [1]

Pulleniatina obliquiloculata là trường hợp đặc biệt hữu ích vì vẫn tồn tại, phân bố rộng ở các biển nhiệt đới và để lại hồ sơ hóa thạch chi tiết. Trong khoảng 860.000 năm gần đây, vỏ của nó hầu như luôn xoắn phải. Trước mốc ấy, hướng ưu thế đã đảo qua lại trên phạm vi rộng sau mỗi vài nghìn năm. Mẫu hình này khó phù hợp với một biến đổi môi trường chỉ xảy ra cục bộ. [1]

Một loài ẩn có thể đổi dấu vết ra sao?

Tên gọi “loài ẩn” chỉ những nhóm có vỏ ngoài giống nhau đến mức từng bị xếp chung, nhưng khác biệt về di truyền. Các quần thể foraminifera nhìn có vẻ đồng nhất trên bản đồ vì vậy có thể gồm nhiều dòng riêng biệt. Giả thuyết mới cho rằng một dòng như thế đã xuất hiện trong quần thể nhỏ, mang lợi thế thích nghi không nhất thiết liên quan đến chiếc vỏ, rồi lan qua các lưu vực nhờ dòng biển và khả năng sinh tồn tốt hơn. [1]

Nếu dòng mới tình cờ chủ yếu xoắn theo hướng ngược lại, sự lan rộng của nó sẽ khiến hồ sơ hóa thạch trông như cả loài đồng loạt đổi cách xây vỏ. Theo cách hiểu này, chiều xoắn không phải đặc điểm giúp sinh vật chiến thắng; nó giống một nhãn dễ thấy đi kèm nhóm đang chiếm ưu thế. Sự thay đổi có thể phản ánh quá trình hình thành loài mới hoặc sự lan truyền của một biến thể di truyền, nhưng hai khả năng ấy chưa được phân định. [1]

Di truyền dường như có vai trò đối với chiều xoắn, song không thể mặc nhiên xem mọi cá thể xoắn trái và xoắn phải là hai quần thể di truyền tách biệt. Quan sát trong các quần thể nuôi cũng cho thấy tỷ lệ hai hướng không nhất thiết giống tỷ lệ dự đoán từ hóa thạch ngoài tự nhiên. Gene, tái tổ hợp, môi trường và yếu tố ngẫu nhiên có thể cùng tham gia vào quá trình tạo nên thiên lệch. [1]

“Đồng loạt” có thật sự tức thời?

Một ranh giới mỏng trong lõi trầm tích dễ tạo cảm giác rằng sự thay đổi xảy ra trong khoảnh khắc. Nhưng độ phân giải của hồ sơ địa chất không tương đương đồng hồ của đời sống. Một lần đảo chiều tưởng như tức thời vẫn có thể diễn ra trong 1.000 năm hoặc lâu hơn. Trong khoảng thời gian đó, nước đại dương có thể tuần hoàn khắp địa cầu, còn các khối nước liên tục dịch chuyển và kết nối những khu vực xa nhau. [1]

Vì vậy, “gần đồng thời” nên được hiểu theo thang địa chất: đủ nhanh để khó giải thích bằng tiến hóa từ từ tại từng nơi, nhưng vẫn đủ lâu để một biến thể sinh học phát tán qua nhiều đại dương. Hồ sơ vỏ chưa cho biết chính xác tuyến đường hoặc tốc độ lan truyền. Nó ghi lại kết quả cuối cùng rõ hơn quá trình diễn ra giữa hai lớp trầm tích. [1]

Bí ẩn còn lại nằm ở đâu?

Câu hỏi cơ bản nhất vẫn chưa có lời giải: vì sao một số loài lại thiên mạnh về một chiều xoắn, trong khi các loài khác chia gần đều giữa hai hướng? Foraminifera là sinh vật đơn bào, không có sự thuận tay dễ nhận biết như ở con người. Các nhà nghiên cứu cũng chưa xác định lợi thế nào, nếu có, xuất phát trực tiếp từ việc vỏ xoắn trái hay xoắn phải. [1]

Dù vậy, chính đặc điểm chưa rõ chức năng này lại cung cấp một chỉ dấu hiếm về tiến hóa quy mô lớn. Nhiều sinh vật biển khác có thể từng trải qua những đợt lan rộng tương tự, nhưng không để lại dấu hiệu bền và dễ phân biệt trong hóa thạch. Với foraminifera, một thay đổi nhỏ trong hình học chiếc vỏ đã lưu lại cuộc thay thế quần thể mà mắt thường không thể thấy khi nó diễn ra. Bí ẩn của chiều xoắn vì thế mở ra một câu hỏi rộng hơn: các đổi mới tiến hóa có thể đi khắp đại dương nhanh đến mức nào? [1]