Các nhà khoa học đã có thể tái tạo lại, lần đầu tiên, cấu trúc ba chiều phức tạp của xương sống của tetrapods sớm, động vật bốn chân sớm nhất.
Tia X năng lượng cao và giao thức trích xuất dữ liệu mới cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo lại xương sống của hóa thạch 360 triệu năm một cách chi tiết và làm sáng tỏ cách thức các loài động vật có xương sống đầu tiên di chuyển từ nước lên đất liền.
Nhóm các nhà khoa học quốc tế được dẫn dắt bởi Stephanie E. Pierce từ Đại học Thú y Hoàng gia ở London và Jennifer A. Clack từ Đại học Cambridge. Nó cũng bao gồm các nhà khoa học từ Đại học Uppsala (Thụy Điển) và Cơ sở bức xạ Synchrotron châu Âu ESRF ở Grenoble (Pháp).
Các tetrapod là động vật có xương sống bốn chân, ngày nay được đại diện bởi động vật lưỡng cư, bò sát, chim và động vật có vú. Khoảng 400 triệu năm trước, những con tetrapod sớm là loài động vật có xương sống đầu tiên thực hiện những chuyến du ngoạn ngắn vào vùng nước nông hơn, nơi chúng sử dụng bốn chi để di chuyển xung quanh. Làm thế nào điều này xảy ra và làm thế nào sau đó họ chuyển đến đất liền là một chủ đề tranh luận gay gắt giữa các nhà cổ sinh vật học và nhà sinh học tiến hóa.
Đây là một ấn tượng của nghệ sĩ về một Tetrapod Ichthyostega, với phần cắt ra cho thấy sự tái tạo 3-D của hai vetrebrae từ nghiên cứu. Hình ảnh tín dụng: Julia Molnar.
Tất cả các tetrapod đều có xương sống hoặc cột sống, đây là cấu trúc xương phổ biến cho tất cả các động vật có xương sống khác bao gồm cả cá, từ đó tetrapods tiến hóa. Một xương sống được hình thành từ các đốt sống nối liền nhau - từ đầu đến đuôi. Không giống như xương sống của tetrapods sống (ví dụ: con người), trong đó mỗi đốt sống chỉ gồm một xương, tetrapods sớm có các đốt sống được tạo thành từ nhiều phần.
Trong hơn 100 năm, tetrapods sớm được cho là có các đốt sống gồm ba bộ xương - một xương ở phía trước, một xương ở trên và một cặp phía sau. Nhưng, bằng cách nhìn vào bên trong các hóa thạch bằng cách sử dụng tia X synchrotron, chúng tôi đã phát hiện ra rằng quan điểm truyền thống này thực sự đã đưa nó trở lại mặt trận, theo ông Stephanie Pierce, tác giả chính của ấn phẩm.
Để phân tích, Cơ sở bức xạ Synchrotron châu Âu (ESRF) ở Pháp, nơi ba mảnh hóa thạch được quét bằng tia X, áp dụng phương pháp trích xuất dữ liệu để tiết lộ các chi tiết nhỏ của xương hóa thạch chôn sâu bên trong ma trận đá. Xương hóa thạch được nhúng trong đá dày đặc đến nỗi nó hấp thụ hầu hết các tia X. Nếu không có phương pháp mới, sẽ không thể tiết lộ các yếu tố của cột sống theo ba chiều với độ phân giải 30 Khănm, ông Sophie Sanchez, đồng tác giả của ấn phẩm, từ Đại học Uppsala và ESRF cho biết.
Trong những hình ảnh X-quang có độ phân giải cao này, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng thứ được cho là xương đầu tiên - được gọi là phần trung tâm - thực sự là phần cuối cùng trong loạt. Và, mặc dù điều này có vẻ như là một sự giám sát tầm thường, sự sắp xếp lại trong cấu trúc đốt sống này có sự phân nhánh quá mức cho sự phát triển chức năng của xương sống tứ giác.
Stephanie Pierce giải thích, bằng cách hiểu cách mỗi xương khớp với nhau, chúng ta có thể bắt đầu khám phá khả năng vận động của cột sống và kiểm tra xem nó có thể chuyển lực giữa các chi trong giai đoạn đầu của chuyển động trên đất hay không.
Nhưng, những phát hiện đã không kết thúc ở đó. Một trong những loài động vật - được biết đến với cái tên Ichthyostega - cũng được phát hiện có một loại các đặc điểm bộ xương chưa được biết đến bao gồm một chuỗi xương kéo dài xuống giữa ngực của nó.
Jennifer Clack nói, những xương ngực này hóa ra là nỗ lực tiến hóa sớm nhất để tạo ra xương ức. Một cấu trúc như vậy sẽ tăng cường sức mạnh của lồng ngực Ichthyostega, cho phép nó hỗ trợ trọng lượng cơ thể của nó trên ngực của nó trong khi di chuyển trên đất liền.
Phát hiện bất ngờ này hỗ trợ công việc gần đây của Pierce và Clack cho thấy Ichthyostega có lẽ đã di chuyển bằng cách kéo mình qua mặt đất bằng cách sử dụng các chuyển động của nạng đồng bộ của hai chân trước - giống như một chiếc bầy bùn hoặc con dấu. Tiến sĩ Pierce cho biết thêm, những kết quả của nghiên cứu này buộc chúng tôi phải viết lại cuốn sách về sự tiến hóa xương sống ở những động vật chân tay sớm nhất.
Tại hệ thống ESRF, giao thức trích xuất dữ liệu mới cho phép nghiên cứu hóa thạch trong đá dày đặc và nặng nề chưa từng thấy. Những gì chúng ta đã thấy ngày hôm nay chỉ là khởi đầu của nhiều điều bất ngờ sắp tới, Chuyên gia kết luận Sophie Sanchez.
Qua ESRF