- Tham gia
- 25/11/2012
- Bài viết
- 351
(kenhsinhvien.vn) Những chiếc xương đầu tiên chứa tế bào sống cung cấp khoáng chất quan trọng cho phép cá có thể thực hiện những hành trình dài hơn, làm thay đổi quỹ đạo tiến hoá của động vật có xương sống.
Đây là loài cá giáp xương không hàm Bothriolepis. Ảnh minh hoạ: Brian Engh.
Qua nghiên cứu di chỉ hoá thạch của cá cổ, các nhà khoa học đã khám phá ra một bước ngoặt thay đổi trong quá trình phát triển của một trong những cơ quan quan trọng nhất của con người và động vật khác: xương. Dù xương là cấu trúc chủ yếu nâng đỡ cơ thể, nhưng những mô cứng này luôn thay đổi và mang lại nhiều lợi ích khác cho cơ thể của động vật có xương sống. Xương tự duy trì, phục hồi thương tổn và cung cấp dưỡng chất chính cho tuần hoàn máu.
Tuy nhiên những chiếc xương đầu tiên lại rất khác với bộ xương của con người ngày nay. Ở thời tiền sử, xương giống khối đúc hơn, phát triển bên ngoài cơ thể cá tạo thành lớp vỏ bảo vệ. Nhưng theo một nghiên cứu mới đây trên tạp chí Science Advances, những chiếc xương đầu tiên chứa tế bào sống tương tự xương con người đã tiến hoá khoảng 400 triệu năm trước và đóng vai trò như những bình ắc quy xương: Chúng cung cấp cho cá thời tiền sử khoáng chất cần thiết để chu du chặng đường xa hơn.
Động vật hoá thạch trong phân tích là cá giáp xương. “Tôi trìu mến gọi chúng là tiên cá bọ cánh cứng,” nghiên cứu sinh tiến sĩ Yara Haridy tại Bảo tàng Tự nhiên Berlin và cũng là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. Loài cá này có phần đầu được bọc giáp cứng và đuôi mềm mại mọc ra từ phần lưng. Chúng không có hàm, và mô xương bao bọc toàn cơ thể. Loài cá này rất quan trọng trong việc tìm hiểu nguồn gốc của bộ giáp xương cứng đã định hình nên quá trình tiến hoá của động vật có xương sống.
Nghiên cứu của Haridy tập trung vào tế bào xương, những tế bào được bao bọc bởi phần xương khoáng chất cứng, là một phần của sự phát triển khung xương. Tuy nhiên những động vật có xương đầu tiên lại không có tế bào xương, và một số loài cá hiện đại cũng không có những tế bào xương này, khiến cho các nhà cổ sinh vật học tự hỏi các tế bào xương ấy lần đầu tiến hoá là khi nào và tại sao.
“Ban đầu câu hỏi này cứ đinh ninh trong tôi: Tại sao lại là tế bào xương?” Haridy kể.
Kỹ thuật 3D mới
Giải quyết bí ẩn về tế bào xương là một thách thức đối với các nhà cổ sinh vật học. Haridy giải thích, theo thông lệ, các nhà khoa học sẽ nghiên cứu cấu trúc hiển vi của xương bằng thiết diện mỏng và kiểm tra chúng trên màn chiếu hai chiều. Nhưng phương pháp này không mang lại bức tranh ba chiều toàn cảnh về diện mạo thực sự của tế bào xương.
Một phương pháp được phát triển cho ngành khoa học vật liệu và các ứng dụng kỹ thuật khác đã cho phép Haridy và đồng nghiệp có thể khám phá cấu trúc xương mà các nhà khoa học trước đây không thể nghiên cứu. “Tôi nhìn thấy poster của một đồng nghiệp trên hành lang đang cầm những bức ảnh loang lổ tuyệt vời chụp bên trong bình ắc quy và chúng trông như những tế bào,” Haridy kể lại. Phương pháp được dùng để tạo ra những bức ảnh đó gọi là kính hiển vi điện tử quét và phay chùm ion hội tụ (FIB-SEM), tạo ra các ảnh quét ba chiều rõ nét. Haridy hỏi thăm kỹ thuật ấy có thể áp dụng cho những vật thể nào, và khi cô biết được vật liệu khô và cứng là tốt nhất, cô cho biết mình “đã reo lên, còn gì cứng hơn đá đâu cơ chứ?”
Kết quả ảnh quét hoá thạch cá giáp xương vượt ngoài mong đợi của Haridy. “Đồng tác giả nghiên cứu tuyệt vời của tôi là Markus Osenberg đã bình thản gửi tôi một email chứa những bức ảnh đầu tiên,” cô kể lại, “và tôi gọi lại anh ấy để chắc ăn rằng đó không phải là một mô hình mà là dữ liệu thực sự của chúng tôi, thật không thể tin nổi.”
Ảnh quét không thể hiện tế bào xương thật sự, vốn đã phân huỷ từ lâu, mà chúng cho thấy các khoang xương từng là nơi tế bào xương sinh trưởng bên trong loài cá cổ xưa này. “Tôi đang nhìn vào không gian mà một tế bào nhỏ bé đã sống 400 triệu năm trước,” Haridy cho biết.
Ắc quy xương
Trong lúc đánh giá ảnh quét, Haridy và nhóm nghiên cứu đã để ý thấy mô xương quanh khoang tế bào đã bị ăn mòn. Nhưng những lỗ nhỏ này không phải là dấu hiệu của bệnh tật hay chấn thương. Mà tế bào xương đã hoà tan một số mô để canxi, phốt pho và các khoáng chất khác bên trong có thể được chuyển vào tuần hoàn máu của loài cá cổ này.
Tế bào này đã chuyển mô xương thành một dạng ắc quy, giải phóng khoáng chất dự trữ cần thiết cho các quá trình sinh học của cơ thể như nuôi dưỡng cơ bắp cần cho việc bơi. Ngược lại, nhu cầu khoáng chất bổ sung ấy giúp thúc đẩy quá trình tiến hoá của xương tế bào, một thay đổi ảnh hưởng đến quỹ đạo tiến hoá của động vật có xương sống.
“Giả thuyết này đã có từ lâu, nhưng chưa được xác thực,” nhà cổ sinh vật học Martin Brazeau của Cao đẳng Hoàng gia London cho biết. Nghiên cứu mang đến chứng cứ mới mẻ cho thấy những tế bào xương đầu tiên đã thay đổi chức năng thành lớp giáp của cá giáp xương để cung cấp thêm năng lượng. “Haridy và đồng nghiệp nhận thấy phần rìa quanh tế bào xương có mật độ thấp hơn so với xương xung quanh, là minh chứng hùng hồn cho trao đổi chất bằng khoáng chất,” nhà cổ sinh vật học Sam Gile của Đại học Birmingham cho biết.
Không may là phương pháp FIB-SEM được dùng để tạo ra ảnh xương độ nét cao chỉ có thể quan sát mô xương gần bề mặt hoá thạch, và nó sẽ phá huỷ phần đó của mẫu vật trong lúc xử lý, vậy nên phương pháp này không phải lúc nào cũng là phương pháp lý tưởng để nghiên cứu xương hoá thạch. Mặc dù vậy, sử dụng kỹ thuật này trên một số xương hoá thạch chọn lọc có thể dẫn đến những khám phá mới về chức năng tiến hoá của bộ xương.
Ngoài việc khám phá các khoang xương mà tế bào từng chiếm cứ, nghiên cứu còn có thể khám phá hình dáng và liên kết tế bào giữa các xương, vốn chưa từng được nghiên cứu trước đây. “Cách tiếp cận này rất hứa hẹn,” nhà giải phẫu học Sophie Sanchez tại Đại học Uppsala, Thuỵ Điển cho biết. Cô cho biết phương pháp này có thể đặc biệt hữu dụng khi kết hợp với các kỹ thuật khác quan sát sâu hơn bề mặt bên ngoài của xương hoá thạch.
Việc cá cổ có thể sử dụng kho dự trữ khoáng chất trong bộ xương của chúng khi cần thiết đã dẫn đến những hệ quả lớn cho sự sống trên Trái Đất. Haridy nhấn mạnh, nếu xương tế bào không phát triển, có thể cá sẽ không thể di cư được những hành trình dài, vì chúng không có khoáng chất cần thiết để nuôi dưỡng cơ bắp.
Cô cho biết thêm, có lẽ động vật có xương sống sẽ không thể lên đất liền được nếu không có tế bào xương, vì ắc quy xương cung cấp canxi cho việc đẻ trứng và cho con bú. Quá trình tiến hoá có thể đã đi theo một con đường khác, con đường không có những sinh vật như khủng long hay động vật có vú.
Những khám phá mà nhóm nghiên cứu thu nhận được từ xương loài cá cổ này chỉ mới là khởi đầu, Haridy cho biết. Khám phá tế bào xương kỹ lưỡng hàng trăm triệu năm sau khi chúng tự phân huỷ mang đến nhiều khả năng tìm được lời giải cho mọi bí mật về xương mà trước đây chưa thể giải mã. “Rất giống với lần đầu tiên chụp CT đã mở ra lĩnh vực cổ sinh vật học và mang đến những phương pháp luận mới. Tôi đoán là phương pháp này sẽ tiếp tục khiến ta ngạc nhiên trong tương lai,” Haridy cho biết.
Đây là loài cá giáp xương không hàm Bothriolepis. Ảnh minh hoạ: Brian Engh.
Qua nghiên cứu di chỉ hoá thạch của cá cổ, các nhà khoa học đã khám phá ra một bước ngoặt thay đổi trong quá trình phát triển của một trong những cơ quan quan trọng nhất của con người và động vật khác: xương. Dù xương là cấu trúc chủ yếu nâng đỡ cơ thể, nhưng những mô cứng này luôn thay đổi và mang lại nhiều lợi ích khác cho cơ thể của động vật có xương sống. Xương tự duy trì, phục hồi thương tổn và cung cấp dưỡng chất chính cho tuần hoàn máu.
Tuy nhiên những chiếc xương đầu tiên lại rất khác với bộ xương của con người ngày nay. Ở thời tiền sử, xương giống khối đúc hơn, phát triển bên ngoài cơ thể cá tạo thành lớp vỏ bảo vệ. Nhưng theo một nghiên cứu mới đây trên tạp chí Science Advances, những chiếc xương đầu tiên chứa tế bào sống tương tự xương con người đã tiến hoá khoảng 400 triệu năm trước và đóng vai trò như những bình ắc quy xương: Chúng cung cấp cho cá thời tiền sử khoáng chất cần thiết để chu du chặng đường xa hơn.
Động vật hoá thạch trong phân tích là cá giáp xương. “Tôi trìu mến gọi chúng là tiên cá bọ cánh cứng,” nghiên cứu sinh tiến sĩ Yara Haridy tại Bảo tàng Tự nhiên Berlin và cũng là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. Loài cá này có phần đầu được bọc giáp cứng và đuôi mềm mại mọc ra từ phần lưng. Chúng không có hàm, và mô xương bao bọc toàn cơ thể. Loài cá này rất quan trọng trong việc tìm hiểu nguồn gốc của bộ giáp xương cứng đã định hình nên quá trình tiến hoá của động vật có xương sống.
Nghiên cứu của Haridy tập trung vào tế bào xương, những tế bào được bao bọc bởi phần xương khoáng chất cứng, là một phần của sự phát triển khung xương. Tuy nhiên những động vật có xương đầu tiên lại không có tế bào xương, và một số loài cá hiện đại cũng không có những tế bào xương này, khiến cho các nhà cổ sinh vật học tự hỏi các tế bào xương ấy lần đầu tiến hoá là khi nào và tại sao.
“Ban đầu câu hỏi này cứ đinh ninh trong tôi: Tại sao lại là tế bào xương?” Haridy kể.
Kỹ thuật 3D mới
Giải quyết bí ẩn về tế bào xương là một thách thức đối với các nhà cổ sinh vật học. Haridy giải thích, theo thông lệ, các nhà khoa học sẽ nghiên cứu cấu trúc hiển vi của xương bằng thiết diện mỏng và kiểm tra chúng trên màn chiếu hai chiều. Nhưng phương pháp này không mang lại bức tranh ba chiều toàn cảnh về diện mạo thực sự của tế bào xương.
Một phương pháp được phát triển cho ngành khoa học vật liệu và các ứng dụng kỹ thuật khác đã cho phép Haridy và đồng nghiệp có thể khám phá cấu trúc xương mà các nhà khoa học trước đây không thể nghiên cứu. “Tôi nhìn thấy poster của một đồng nghiệp trên hành lang đang cầm những bức ảnh loang lổ tuyệt vời chụp bên trong bình ắc quy và chúng trông như những tế bào,” Haridy kể lại. Phương pháp được dùng để tạo ra những bức ảnh đó gọi là kính hiển vi điện tử quét và phay chùm ion hội tụ (FIB-SEM), tạo ra các ảnh quét ba chiều rõ nét. Haridy hỏi thăm kỹ thuật ấy có thể áp dụng cho những vật thể nào, và khi cô biết được vật liệu khô và cứng là tốt nhất, cô cho biết mình “đã reo lên, còn gì cứng hơn đá đâu cơ chứ?”
Kết quả ảnh quét hoá thạch cá giáp xương vượt ngoài mong đợi của Haridy. “Đồng tác giả nghiên cứu tuyệt vời của tôi là Markus Osenberg đã bình thản gửi tôi một email chứa những bức ảnh đầu tiên,” cô kể lại, “và tôi gọi lại anh ấy để chắc ăn rằng đó không phải là một mô hình mà là dữ liệu thực sự của chúng tôi, thật không thể tin nổi.”
Ảnh quét không thể hiện tế bào xương thật sự, vốn đã phân huỷ từ lâu, mà chúng cho thấy các khoang xương từng là nơi tế bào xương sinh trưởng bên trong loài cá cổ xưa này. “Tôi đang nhìn vào không gian mà một tế bào nhỏ bé đã sống 400 triệu năm trước,” Haridy cho biết.
Ắc quy xương
Trong lúc đánh giá ảnh quét, Haridy và nhóm nghiên cứu đã để ý thấy mô xương quanh khoang tế bào đã bị ăn mòn. Nhưng những lỗ nhỏ này không phải là dấu hiệu của bệnh tật hay chấn thương. Mà tế bào xương đã hoà tan một số mô để canxi, phốt pho và các khoáng chất khác bên trong có thể được chuyển vào tuần hoàn máu của loài cá cổ này.
Tế bào này đã chuyển mô xương thành một dạng ắc quy, giải phóng khoáng chất dự trữ cần thiết cho các quá trình sinh học của cơ thể như nuôi dưỡng cơ bắp cần cho việc bơi. Ngược lại, nhu cầu khoáng chất bổ sung ấy giúp thúc đẩy quá trình tiến hoá của xương tế bào, một thay đổi ảnh hưởng đến quỹ đạo tiến hoá của động vật có xương sống.
“Giả thuyết này đã có từ lâu, nhưng chưa được xác thực,” nhà cổ sinh vật học Martin Brazeau của Cao đẳng Hoàng gia London cho biết. Nghiên cứu mang đến chứng cứ mới mẻ cho thấy những tế bào xương đầu tiên đã thay đổi chức năng thành lớp giáp của cá giáp xương để cung cấp thêm năng lượng. “Haridy và đồng nghiệp nhận thấy phần rìa quanh tế bào xương có mật độ thấp hơn so với xương xung quanh, là minh chứng hùng hồn cho trao đổi chất bằng khoáng chất,” nhà cổ sinh vật học Sam Gile của Đại học Birmingham cho biết.
Không may là phương pháp FIB-SEM được dùng để tạo ra ảnh xương độ nét cao chỉ có thể quan sát mô xương gần bề mặt hoá thạch, và nó sẽ phá huỷ phần đó của mẫu vật trong lúc xử lý, vậy nên phương pháp này không phải lúc nào cũng là phương pháp lý tưởng để nghiên cứu xương hoá thạch. Mặc dù vậy, sử dụng kỹ thuật này trên một số xương hoá thạch chọn lọc có thể dẫn đến những khám phá mới về chức năng tiến hoá của bộ xương.
Ngoài việc khám phá các khoang xương mà tế bào từng chiếm cứ, nghiên cứu còn có thể khám phá hình dáng và liên kết tế bào giữa các xương, vốn chưa từng được nghiên cứu trước đây. “Cách tiếp cận này rất hứa hẹn,” nhà giải phẫu học Sophie Sanchez tại Đại học Uppsala, Thuỵ Điển cho biết. Cô cho biết phương pháp này có thể đặc biệt hữu dụng khi kết hợp với các kỹ thuật khác quan sát sâu hơn bề mặt bên ngoài của xương hoá thạch.
Việc cá cổ có thể sử dụng kho dự trữ khoáng chất trong bộ xương của chúng khi cần thiết đã dẫn đến những hệ quả lớn cho sự sống trên Trái Đất. Haridy nhấn mạnh, nếu xương tế bào không phát triển, có thể cá sẽ không thể di cư được những hành trình dài, vì chúng không có khoáng chất cần thiết để nuôi dưỡng cơ bắp.
Cô cho biết thêm, có lẽ động vật có xương sống sẽ không thể lên đất liền được nếu không có tế bào xương, vì ắc quy xương cung cấp canxi cho việc đẻ trứng và cho con bú. Quá trình tiến hoá có thể đã đi theo một con đường khác, con đường không có những sinh vật như khủng long hay động vật có vú.
Những khám phá mà nhóm nghiên cứu thu nhận được từ xương loài cá cổ này chỉ mới là khởi đầu, Haridy cho biết. Khám phá tế bào xương kỹ lưỡng hàng trăm triệu năm sau khi chúng tự phân huỷ mang đến nhiều khả năng tìm được lời giải cho mọi bí mật về xương mà trước đây chưa thể giải mã. “Rất giống với lần đầu tiên chụp CT đã mở ra lĩnh vực cổ sinh vật học và mang đến những phương pháp luận mới. Tôi đoán là phương pháp này sẽ tiếp tục khiến ta ngạc nhiên trong tương lai,” Haridy cho biết.
Dịch bởi Kenhsinhvien.vn
(Theo National Geographic)
(Theo National Geographic)
