Có thể phải viết lại lịch sử tiến hóa của thực vật?

Khi xuất hiện lần đầu tiên trên đất liền hơn 500 triệu năm trước, thực vật phát triển từ tảo sống trong nước ngọt và làm thay đổi Trái đất bằng cách hút carbon dioxide trong không khí.

Những thay đổi này đối với bầu khí quyển và bề mặt đất của hành tinh đã mở đường cho sự phát triển của sinh quyển mà chúng ta đã biết ngày nay.

Thực vật trên cạn chiếm khoảng 80% sinh khối của Trái đất. Những loài thực vật tiên phong rất nhỏ giống như rêu phải vượt qua hai thách thức lớn để tồn tại trên cạn: Tránh bị khô và tồn tại dưới ánh sáng cực tím khắc nghiệt của Mặt trời.

Mới đây, trong các mẫu đá từ Canning Basin ở phía bắc của Tây Australia, các nhà khoa học đã phát hiện ra các bào tử hóa thạch có niên đại 480 triệu năm tuổi từ các loài thực vật trên đất liền cùng với các bào tử từ tảo sống dưới nước.

Đây là những bào tử thực vật trên cạn lâu đời nhất được tìm thấy. Chúng cung cấp cho chúng ta những manh mối mới về thời gian và địa điểm thực vật xuất hiện trên đất liền cũng như cách chúng tồn tại.

Khi thực vật xâm chiếm đất

Các ước tính về thời gian ban đầu của thực vật trên đất liền dựa trên di tích thực vật lớn đã hóa thạch, tính toán thời gian các loài khác nhau tiến hóa (được gọi là dữ liệu "đồng hồ phân tử") và hồ sơ về bào tử thực vật.

Dữ liệu đồng hồ phân tử cho thấy quá trình "thực dân hóa" trên đất liền xảy ra vào khoảng 515 triệu năm trước (trong kỷ Cambri), trong khi các hóa thạch thân cây sớm nhất xuất hiện vào khoảng 430 triệu năm trước (giữa kỷ Silur).

Những cây nhỏ ban đầu này không có hệ thống rễ hoặc mô gỗ cứng. Điều này có thể giải thích tại sao di tích hóa thạch của chúng rất hiếm.

Ngoài ra, chúng ta có thể xem xét các bào tử của thực vật. Bào tử là đơn vị sinh sản đơn giản mang vật chất di truyền, đơn giản hơn nhiều so với hạt giống, không tiến hóa cho đến sau này.

Để sinh sản thành công, các thành bào tử của thực vật trên cạn phải đủ mạnh để chống lại sự khô héo và hư hại do bức xạ tia cực tím.

Những bức tường bào tử đàn hồi này cũng là thứ cho phép các bào tử được bảo quản hàng trăm triệu năm trong các lớp trầm tích cổ và được chiết xuất từ các lớp trầm tích đó bằng cách sử dụng axit mạnh như được sử dụng trong nghiên cứu này. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu hình dạng của các bào tử dưới kính hiển vi.

Hình dạng của bào tử

Bào tử của những cây trên cạn sớm nhất xuất hiện dưới dạng các nhóm gồm hai hoặc bốn tế bào được sắp xếp hình học đều đặn hơn.

Những bào tử như vậy và đã được tìm thấy trong các lớp trầm tích có tuổi đời 465 triệu năm (thuộc kỷ Ordovic), lâu đời hơn 35 triệu năm trước bất kỳ hóa thạch thực vật lớn hơn nào được biết đến. Tuy nhiên, các bào tử già hơn (từ khoảng 505 triệu năm trước) cũng đã được tìm thấy ở Mỹ.

Nhà nghiên cứu Paul Strother và các đồng nghiệp của ông đã chỉ ra rằng những bào tử già hơn này có khả năng sinh ra từ tảo nước ngọt được gọi là charophytes.

Những bào tử già hơn này xuất hiện dưới dạng "gói" tế bào có hình dạng bất thường. Những "gói" bào tử tương tự này cũng xuất hiện trong các hóa thạch được tìm thấy ở Canning Basin, có niên đại khoảng 25 triệu năm sau.

Tảo Charophyte sống bán thủy sinh. Để tồn tại trong tình huống này, chúng đã phát triển các gene để chống lại sự hút ẩm và tác hại của tia cực tím.

Các loài thực vật trên cạn sớm nhất hoặc các bộ phận của bộ gene tảo tổ tiên đó, có lẽ đã thông qua "chuyển gene ngang", trong đó vi khuẩn di chuyển gene từ sinh vật này sang sinh vật khác hoặc tự phát triển các gene tương tự.

Với khung thời gian hàng triệu năm, nó cho thấy nguồn gốc của các loài thực vật trên đất liền không xảy ra như một sự kiện kỳ lạ.

Các nhà khoa học tìm thấy cả bào tử thực vật trên cạn, có hai hoặc bốn ô và bào tử tảo đóng gói không đều trong tập hợp cho thấy thực vật trên đất và tổ tiên tảo của chúng tồn tại cùng một lúc trong cùng một khu vực.

Nó cũng thu hẹp khoảng cách thời gian giữa ước tính về sự xâm chiếm đất đai từ dữ liệu đồng hồ phân tử (515 triệu năm trước) và bằng chứng hóa thạch.

Với khoảng 480 triệu năm tuổi, hồ sơ lưu vực Canning là hồ sơ lâu đời nhất được tìm thấy ở bất kỳ đâu trên thế giới.

Cây trồng trên cạn bắt đầu từ đâu?

Khám phá mới dựa trên các nghiên cứu trước đó về bào tử thực vật trên cạn ở Canning Basin. Năm 1991, các bào tử có niên đại khoảng 440-445 triệu năm trước được tìm thấy và các bào tử có niên đại hơn 460 triệu năm trước được tìm thấy vào năm 2016.

Hai bằng chứng trước đó chỉ được tìm thấy sau khi kiểm tra chất chiết xuất từ khoảng 100 mẫu lõi trong nỗ lực xác định tuổi của các chuỗi đá, điều này cho thấy bào tử rất hiếm.

Các trầm tích lắng đọng trong lòng chảo Canning trong giai đoạn này chủ yếu là từ môi trường biển.

Những loài thực vật trên cạn ban đầu, giống như tổ tiên tảo charophyte của chúng, phát triển trong môi trường nước ngọt ở rìa biển.

Bào tử và trầm tích đã được rửa sạch vào những khu vực này. Vì vậy, các hồ sơ hóa thạch có đến với chúng ta phụ thuộc vào địa lý của thế giới cổ đại.

Vào năm 2020, Geoscience Australia phối hợp với Cơ quan Khảo sát Địa chất Tây Úc đã khoan một giếng ở phần phía nam của Canning Basin để tìm hiểu địa chất của các lớp đá dưới bề mặt.

Sau khi chiết xuất axit các mẫu đá từ một hệ tầng địa chất gọi là Hệ tầng Nambeet, có từ thời kỳ Ordovic sớm (485 triệu đến 470 triệu năm trước), các nhà khoa học đã xác định được bào tử thực vật đất với sự sắp xếp đều đặn điển hình của hai hoặc bốn ô.

Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra các chế phẩm của bào tử thực vật từ phần ban đầu của Hệ tầng Nambeet được khoan vào năm 1958. Họ đã tìm thấy bằng chứng đầu tiên về các bào tử thực vật trên cạn kết hợp với bào tử từ tổ tiên tảo của chúng.

Những nhà khoa học cho rằng, các nghiên cứu sâu hơn thời gian rơi là cần thiết để xác định nơi xuất hiện thêm các bào tử tảo và bào tử thực vật trên đất liền trong trầm tích Úc từ các kỷ Cambri muộn và kỷ Ordovic.