Hóa thạch 324 triệu năm tuổi hé lộ hành trình côn trùng lên đất liền

Phát hiện cung cấp bằng chứng quan trọng cho thấy quá trình loại côn trùng - mang đồng thời những đặc điểm thích nghi với môi trường nước và trên cạn - chuyển từ môi trường nước lên đất liền diễn ra từng bước, với một giai đoạn bán thủy sinh đóng vai trò như "cầu nối" trong lịch sử tiến hóa. Nghiên cứu do Giáo sư Cai Chenyang thuộc Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, và nghiên cứu sinh Erik Tihelka tại Đại học Cambridge (Anh) dẫn đầu, với sự tham gia của các nhà khoa học Mỹ, Tây Ban Nha và một số quốc gia khác. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature ngày 26/8.

Loài mới được đặt tên là Chosha praecursor, có niên đại thuộc giai đoạn cuối thế Mississippi của kỷ Than Đá. Các mẫu hóa thạch được tìm thấy trong những kết hạch đá sét vôi thuộc hệ tầng Tesnus tại khu vực Marathon Uplift ở miền Tây bang Texas (Mỹ) và bảo tồn được nhiều chi tiết giải phẫu. Bằng kỹ thuật chụp ảnh dưới ánh sáng phân cực chéo, nhóm nghiên cứu xác định những đặc điểm hình thái của mẫu vật, qua đó điều chỉnh cách nhận định trước đây cho rằng đây là ấu trùng của động vật giáp xác.

Các hóa thạch được xác định là những cá thể cái trưởng thành, với chiều dài cơ thể 32,09 mm. Nếu tính cả sợi đuôi ở giữa và hai phần phụ đuôi, tổng chiều dài đạt 49,66 mm. Cơ thể có dạng thuôn, vừa mang những đặc điểm tiến hóa đặc trưng của động vật sáu chân và côn trùng, vừa giữ lại một số đặc điểm nguyên thủy từ tổ tiên.

Đáng chú ý, Chosha praecursor đã sở hữu cấu trúc cơ thể cơ bản của côn trùng với 6 chân đi bộ, tương đương 3 cặp chân. Hóa thạch cũng bảo tồn cơ quan đẻ trứng và một sợi đuôi ở phần cuối cơ thể. Tuy nhiên, điểm đặc biệt nhất nằm ở phần bụng. Các đốt bụng từ 1-9 vẫn mang những chi phân đốt, trong đó các chi ở phía sau đã biến đổi thành cấu trúc dạng mái chèo. Những phần phụ bụng như vậy không còn tồn tại ở các nhóm côn trùng hiện đại. Sự kết hợp giữa cấu trúc cơ thể của côn trùng và những đặc điểm thích nghi với môi trường nước cung cấp cho các nhà khoa học một dấu tích hiếm hoi về giai đoạn trung gian trong quá trình tiến hóa.

Việc phục dựng môi trường cổ cho thấy những lớp địa chất chứa hóa thạch được hình thành tại khu vực châu thổ - ven bờ nước nông. Điều này cho thấy Chosha praecursor nhiều khả năng có lối sống bán thủy sinh, sinh sống trong những môi trường ẩm ướt ở vùng giao thoa giữa nước và đất liền. Theo nhóm nghiên cứu, phát hiện này có ý nghĩa quan trọng bởi lịch sử ban đầu của côn trùng từ lâu vẫn tồn tại một khoảng trống lớn trong hồ sơ hóa thạch. Các kết quả dựa trên "đồng hồ phân tử" cho rằng động vật sáu chân đã tách khỏi những họ hàng giáp xác biển và bắt đầu thích nghi với môi trường trên cạn từ khoảng thời gian giữa kỷ Cambri và kỷ Ordovic.

Tuy nhiên, những hóa thạch cơ thể động vật 6 chân không gây tranh cãi chỉ xuất hiện trong hồ sơ địa chất từ hệ tầng Rhynie Chert thuộc kỷ Devon sớm, khoảng 405 triệu năm trước. Trong khi đó, hóa thạch côn trùng được xác định rõ ràng chỉ trở nên phổ biến vào cuối kỷ Than Đá, tạo ra khoảng trống khoảng 80 triệu năm trong hồ sơ hóa thạch.

Phát hiện cũng giúp các nhà khoa học xem xét lại một trong những biến đổi quan trọng nhất của cấu trúc cơ thể côn trùng. Các động vật 6 chân hiện đại chỉ có 6 chân đi bộ, tất cả đều gắn ở phần ngực, trong khi những phần phụ ở bụng hầu như đã biến mất. Trái lại, côn trùng thân gốc trong Đại Cổ sinh vẫn thường giữ những chi bụng phân đốt.

Các hóa thạch mới cho thấy sự thu nhỏ dần của những phần phụ bụng có thể là một đổi mới tiến hóa quan trọng trong quá trình thích nghi với đời sống trên cạn. Những cấu trúc từng phục vụ hoạt động bơi lội của tổ tiên giáp xác dần được đơn giản hóa và mất đi, cuối cùng hình thành cấu trúc cơ thể đặc trưng của côn trùng ngày nay.

Cơ quan đẻ trứng được bảo tồn ở Chosha praecursor còn cho thấy côn trùng thời kỳ đầu đã có những hình thức thích nghi đa dạng liên quan đến sinh sản. Theo các nhà nghiên cứu, đây có thể là nền tảng cấu trúc cho quá trình côn trùng sau đó mở rộng sang những môi trường sống vi mô khác nhau trên đất liền và đa dạng hóa mạnh mẽ.

Nhóm nghiên cứu cũng phục dựng một số đặc điểm sinh thái của những côn trùng sơ khai. Theo đó, chúng kết hợp khả năng vận động và hô hấp thích nghi với môi trường nước với cấu trúc cơ thể phù hợp hơn với đời sống trên cạn. Thức ăn của chúng có thể bao gồm mùn, xác thực vật và bào tử nấm. Vì vậy, chúng có thể đảm nhiệm nhiều vai trò sinh thái như phân hủy và tiêu thụ vật chất hữu cơ tại những vùng chuyển tiếp giữa hệ sinh thái nước và đất.

Các tác giả cho rằng bằng chứng từ Chosha praecursor và những côn trùng thân gốc cùng thời cho thấy hành trình chinh phục đất liền của côn trùng không phải một bước chuyển đột ngột. Thay vào đó, các cấu trúc có nguồn gốc từ tổ tiên sống dưới nước đã được duy trì, biến đổi rồi dần thu nhỏ trong một quá trình tiến hóa kéo dài. Giai đoạn bán thủy sinh vì thế có thể là một bước quan trọng, tạo cầu nối sinh thái giữa hai môi trường.