Phát hiện bộ não cổ đại: Sự bảo tồn phi thường của hệ thần kinh 310 triệu năm tuổi 

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện bộ não hoá thạch của một loài cua móng ngựa cổ đại 310 triệu năm tuổi tại Mazon Creek, Illinois, Hoa Kỳ.

Một nghiên cứu được công bố ngày 27/7 trên Tạp chí Geology, cho thấy bộ não phức tạp của động vật chân đốt cổ đại sống dưới nước (động vật không xương sống có chân có khớp nối) có thể được bảo tồn một cách chi tiết như thế nào.

Việc phát hiện ra một con cua móng ngựa 310 triệu năm tuổi ở Mỹ, với bộ não còn nguyên vẹn, bổ sung vào một loạt các phát hiện gần đây về các hóa thạch. Điều này đã cung cấp thông tin về một số loài động vật chân đốt cổ nhất có hệ thần kinh trung ương được bảo tồn.

Hóa thạch cua móng ngựa được ghi lại trong nghiên cứu đã làm sáng tỏ cách thức những cơ quan sinh học mỏng manh này - thường dễ bị phân hủy rất nhanh - có thể được bảo quản với độ chính xác như vậy.

(A) Mẫu hóa thạch cua móng ngựa Euproops danae từ Mazon Creek, Illinois, Hoa Kỳ, được bảo quản nguyên vẹn với bộ não của nó. (B) Cận cảnh bộ não, như được mô tả bởi hộp trong hình ảnh (A). (C) Tái tạo Euproops danae, bao gồm vị trí và giải phẫu của não. (Hình ảnh từ Russell Bicknell)

Đóng băng não: cách tạo hóa thạch cho não động vật chân đốt

Hầu hết kiến thức của chúng ta về não động vật chân đốt thời tiền sử đều có nguồn gốc từ hai loại trầm tích hóa thạch quan trọng: hổ phách và những loại đá phiến sét Burgess.

Hổ phách là nhựa hóa thạch rỉ ra qua vỏ cây và được biết đến là có tác dụng bẫy nhiều loại sinh vật. Các cá thể bị mắc bẫy thường là các loại động vật chân đốt như côn trùng - đã nổi tiếng trong bộ phim Công viên kỷ Jura.

Những hóa thạch này bảo tồn một lượng đáng kinh ngạc các chi tiết giải phẫu, cũng như các hành vi, chủ yếu là do có rất ít sự phân hủy diễn ra sau khi sinh vật bị mắc kẹt trong lớp hổ phách.

Một con rết và một con kiến lơ lửng trong hổ phách Mexico khoảng 23 triệu năm tuổi. (Hình ảnh từ Greg Edgecombe)

Sử dụng công nghệ hình ảnh tinh vi trên những hóa thạch hổ phách này, các nhà cổ sinh vật học có thể nghiên cứu não động vật chân đốt nhỏ bé ở dạng 3D ở quy mô cực nhỏ. Tuy nhiên, những động vật chân đốt lâu đời nhất trong hổ phách chỉ kéo dài tới Kỷ Trias (khoảng 230 triệu năm trước).

Trầm tích dạng đá phiến sét Burgess lâu đời hơn nhiều, có tuổi Cambri (thường là 500 đến 520 triệu năm tuổi). Chúng chứa rất nhiều loài động vật chân đốt sống ở biển được bảo tồn đặc biệt.

Những hóa thạch này rất quan trọng vì chúng đại diện cho những gì không thể nhầm lẫn được của một số loài động vật lâu đời nhất, và do đó có thể cho chúng ta biết về nguồn gốc và lịch sử tiến hóa sớm nhất của chúng. Phần còn lại của chúng chủ yếu được bảo quản dưới dạng màng carbon trong đá bùn.

Động vật chân đốt kỷ Cambri Chengjiangocaris kunmingensis từ Trung Quốc. Dây thần kinh bụng giống như hạt được bảo tồn trong hóa thạch (A) và vị trí trung tâm của nó trong quá trình tái tạo (B). (Hình ảnh từ Javier Ortega-Hernández)

Quá trình hóa thạch bắt đầu với những dòng bùn do bão gây ra cuốn theo các loài động vật mỏng manh và chôn vùi chúng dưới đáy biển trong điều kiện oxy thấp. Theo thời gian, bùn chuyển thành đá và bị nén lại, để lại những con vật nằm trong đá.

Nhiều mẫu vật chân đốt trong đá phiến sét Burgess có các cơ quan nội tạng được bảo tồn, đặc biệt là ruột. Nhưng ít hiển thị các bộ phận của hệ thống thần kinh trung ương, chẳng hạn như dây thần kinh thị giác, dây thần kinh bụng hoặc não.

Bảo tồn bộ não

Hóa thạch mới từ nghiên cứu gần đây cho thấy não động vật chân đốt có thể được bảo quản theo một cách hoàn toàn khác. Mẫu vật của loài cua móng ngựa, Euproops danae, đến từ mỏ Mazon Creek nổi tiếng thế giới ở Illinois, Hoa Kỳ. Hóa thạch từ mỏ này được bảo quản trong các bê tông làm bằng khoáng chất cacbonat sắt được gọi là “siderite”.

Một số động vật ở Mazon Creek, chẳng hạn như “Quái vật Tully”, hoàn toàn là thân mềm. Điều này cho thấy phải có những điều kiện đặc biệt để bảo quản chúng.

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các loài động vật ở Mazon Creek không chỉ được tạo khuôn bởi sự hình thành nhanh chóng của siderite bám vào toàn bộ cơ thể của chúng, mà còn bởi siderite nhanh chóng bao bọc các mô mềm bên trong của chúng trước khi chúng có thể phân hủy.

Đáng chú ý, bộ não của Euproops được tái tạo bởi một khoáng chất đất sét có màu trắng gọi là kaolinit. Khoáng vật đúc này sẽ hình thành sau đó, trong khoảng trống do bộ não để lại, rất lâu sau khi nó bị phân hủy. Nếu không có khoáng chất trắng dễ thấy này, chúng ta có thể đã không bao giờ phát hiện ra não.

Một hóa thạch dễ quan sát

Một trong những thách thức của việc giải thích giải phẫu động vật chân đốt cổ đại là thiếu các họ hàng gần hiện đại có sẵn để so sánh. Nhưng may mắn cho chúng ta, Euproops có thể được so sánh với bốn loài cua móng ngựa sống.

Ngay cả đối với những người chưa được đào tạo, việc so sánh hệ thống thần kinh của hóa thạch với hệ thống thần kinh của một loài cua móng ngựa hiện đại (bên dưới) không để lại nhiều nghi vấn rằng những cấu trúc giống nhau được tìm thấy ở cả hai loài, mặc dù chúng cách nhau 310 triệu năm.

(A) Hóa thạch và (B và C) hình vẽ giải thích của não Euproops danae, và (D) não của cua móng ngựa vị thành niên hiện đại, Limulus polyphemus. (Hình ảnh từ Russell Bicknell (A-C) và Steffen Harzsch (D))

Các hệ thống thần kinh sống và hóa thạch khớp với nhau trong cách sắp xếp các dây thần kinh đến mắt và phần phụ, đồng thời cho thấy cùng một lỗ trung tâm để thực quản đi qua.

Khám phá những mẫu vật đặc biệt này mang lại cho các nhà cổ sinh vật học cái nhìn hiếm có về quá khứ sâu xa, nâng cao hiểu biết của chúng ta về sinh học và quá trình phát triển của các loài động vật đã tuyệt chủng từ lâu.

Theo The Conversation