Sinh vật phức hợp thời kỳ đầu ăn bằng cách thẩm thấu

Nghiên cứu tại Đại học công nghệ Virginia đã cho thấy những dạng sống phức hợp lâu đầu nhất – sống trong khu vực biển giàu dinh dưỡng hơn 540 triệu năm trước – có thể ăn bằng cách thẩm thấu.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu hai nhóm sinh vật Edicara, rangeomorphs có hình dạng như cây dương xỉ và erniettomorphs có hình dạng như đệm khí. Những sinh vật này, thường có kích thước vài inch, đã hấp thụ dinh dưỡng qua lớp màng bên ngoài, giống như vi khuẩn hiện đại bây giờ, theo bài báo trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) số ngày 25 tháng 8 năm 2009, "Osmotrophy in modular Edicara organisms," của Marc Laflamme, Shuhai Xiao, và Michal Kowalewski. Laflamme, hiện là nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ tại Khoa địa vật lý và địa chất, Đại học yale, đã thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Xiao tại Đại học công nghệ Virginia. Xiao và Kowalewski là giáo sư sinh địa tại Cao đẳng khoa học, Đại học công nghệ Virginia.

Rangeomorphs có hệ chia nhánh liên tục giống như lá cây dương xỉ và erniettomorphs có bề mặt gấp lại giống như một đệm khí để tạo những môđun hình ống. Laflamme cho biết: “Những sinh vật này không giống bất cứ dạng sống nào từng được biết đến, và do đó hiểu biết về chúng vẫn còn rất hạn chế”.

Cách chúng ăn là một đề tài tạo ra nhiều tranh cãi, với những giả thuyết từ ký sinh đến cộng sinh và thậm chí quang hợp. Xiao nhận định: “Nhiều giả thuyết có thể loại bỏ vì sinh vật này không có cấu trúc dùng để ăn, ví dụ như xúc tu hoặc mồm, và do đa số chúng sống trong biển sâu nơi không hề có ánh sáng để quang hợp”.

Charnia masoni, một loài rangeomorph. (Ảnh: Wikipedia)

Các nhà nghiên cứu đã quyết định mô phỏng những thay đổi về hình thành trong cấu trúc tổng thể của sinh vật để kiểm tra liệu có khả năng chúng đạt được tỷ lệ “diện tích bề mặt trên số lượng” tương đương như vi khuẩn hiện đại ăn bằng cách thẩm thấu. Những mô hình lý thuyết được xây dựng để tìm hiểu tác động của độ dài, độ rộng, độ dầy, số lượng mô đun và sự xuất hiện của những hốc nhỏ bên trong đối với diện tích bề mặt của hóa thạch tiền Cambri. Kowalewski cho biết: “Những nỗ lực xây dựng mô hình cho thấy những hốc nhỏ bên trong – những khoảng trông chứa dịch hoặc các vật liệu sinh học khác – là một cách hiệu quả để tăng tỷ lệ “diện tích bề mặt trên số lượng” của sinh vật vĩ mô và phức hợp”.

Họ phát hiện rằng hai nhóm phát triển và xây dựng cơ thể theo những cách khác nhau, tuy nhiên cả hai nhóm đều cố gắng tối đa hóa tỷ lệ “diện tích bề mặt trên số lượng” theo cách riêng của mình. Laflamme cho biết: “Erniettomorphs đạt được sự tăng về kích thước bằng cách thêm vào các mô đun hình ống, trong khi rangemorphs đạt được điều này qua việc chia nhánh và làm dẹt mô đun. Hệ thống chia nhánh liên tục ở rangeomorphs rất cần thiết để đạt được tỷ lệ “diện tích bề mặt trên số lượng” cao, cần thiết cho cơ chế ăn bằng thẩm thấu”.

Ngày nay, chỉ vi khuẩn vi mô tỏ ra hiệu quả trong khả năng ăn bằng thẩm thấu, mặc dù một số động vật, ví dụ như bọt biển và san hô sử dụng thẩm thấu như nguồn thức ăn thay thế. Trong thời kỳ Ediacaran, 635 đến 541 triệu năm trước, với đại dương giàu dinh dưỡng, thì chiến lược hấp thụ dinh dưỡng bằng cách khuếch tán có vẻ hiệu quả hơn.

Laflamme cho biết: “Chúng tôi tin rằng sinh vật hời kỳ Ediacaran ăn những cácbon hữu cơ phân hủy dưới rất nhiều dạng. Nó đại diện cho vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật, nấm, động vật phân hủy thành chất béo và protein trong quá trình phân rã hữu cơ tự nhiên. Ngày càng có nhiều bằng chứng rằng trong thời kỳ Ediacaran, do sự vắng mặt của động vật với hệ thống ruột có khả năng “đóng gói” chất hữu cơ thành những viên phân, lượng dinh dưỡng hữu cơ phân hủy rất phong phú, đặc biệt là trong vùng sâu hơn. Không có quá trình “đóng gói” này, những chất hữu cơ phân hủy thành chất béo và protein có khả năng hòa tan vào nước biển. Chúng tôi tin rằng những hợp chất này được hấp thụ qua “da” của sinh vật Ediacaran do tỷ lệ “diện tích bề mặt trên số lượng” cao”.

Bài báo trên PNAS kết luận rằng ngày nay “vi khuẩn lưu huỳnh khổng lồ, ví dụ như Thiomargarita, sinh sống tại khu vực ven biển Namibia, nơi có khả năng tiếp cận với nguồn dinh dưỡng và cácbon hữu cơ phân hủy nhiều hơn. Những khu vực giàu dinh dưỡng như vậy có thể là điển hinh cho đại dương thời kỳ Ediacaran cho thấy không phải hoàn toàn ngẫu nhiên mà những rangeomorphs đầu tiên xuất hiện trong khu vực nước sâu giàu cácbon hữu cơ phân hủy”.

Nghiên cứu do Hội đồng nghiên cứu khoa học và kỹ thuật tự nhiên của Canada (NSERC), và Quỹ Bateman của Laflamme, Chương trình sinh học tiến hóa và sinh học ngoài Trái Đất của NASA, cùng Chương trình địa chất trầm tích và cổ sinh vật học Quỹ khoa học quốc gia.

Tham khảo:

Marc Laflamme, Shuhai Xiao, Michał Kowalewski. Osmotrophy in modular Ediacara organisms. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009; DOI: 10.1073/pnas.0904836106