Phát hiện cơ chế hô hấp kỳ lạ của khủng long: Thở thông qua xương

Ở đâu đó trong quá khứ của Trái Đất, một số nhánh trên cây sự sống đã áp dụng một phương pháp đặc biệt giúp cho việc thở và hạ nhiệt hiệu quả hơn đáng kể so với cách cơ thể của động vật có vú như của chúng ta thực hiện.

Bề ngoài, sự phát triển này có vẻ không nhiều cho đến khi các nhà khoa học khám phá ra rằng nó có thể đã tồn tại ở một số loài khủng long lớn nhất mà hành tinh của chúng ta từng biết đến. Nó thành công đến mức được duy trì bởi 3 nhóm loài đã tuyệt chủng khác nhau và tiếp tục tồn tại cho đến ngày nay ở hậu duệ còn sống của loài khủng long.

Trong một bộ bài báo được xuất bản vào cuối năm 2022 và đầu năm 2023, các nhà cổ sinh vật học đã kiểm tra vi cấu trúc hóa thạch bên trong một số loài khủng long được biết đến sớm nhất để xác định xem các bộ phận ban đầu của hệ thống này đã phát triển như thế nào.

Ở các loài như chim, hệ thống đó chứa các khoang, còn được gọi là “túi khí”, nằm trong xương khắp toàn bộ cơ thể. Không giống như quá trình thở của động vật có vú, nơi hít vào và thở ra là 2 quá trình riêng biệt, những xương này giúp cho phép thở một chiều: hít vào và thở ra cùng một lúc. Được gọi là khí nén của xương sau sọ, nó là một phần của một hệ thống cực kỳ hiệu quả giúp nhanh chóng đưa oxy vào máu và lấy nhiệt ra khỏi cơ thể.

Ngày nay, hệ thống túi khí đó chỉ được biết đến ở loài chim. Chim và cá sấu đều là những loài có nguồn gốc ban đầu từ thằn lằn, họ hàng còn sống của khủng long và thằn lằn bay không phải chim. Mặc dù cá sấu ngày nay có cơ chế thở một chiều qua phổi, nhưng khả năng xử lý không khí của chúng không kéo dài đến xương, bởi chúng không có bất kỳ khoang túi khí nào. Một bài báo được đăng tải trên PLOS One năm 2012 đã kiểm tra các hệ thống túi khí của các loài khủng long trong kỷ Trias và các tác giả đã xác định rằng “không có loài thằn lằn nào thuộc dòng cá sấu thể hiện bằng chứng rõ ràng về tính khí nén của bộ xương sau sọ”.

Tito Aureliano, người không tham gia nghiên cứu nói trên, giải thích về kết luận của các tác giả: “Không có dấu hiệu giải phẫu nào của bất kỳ đặc điểm khí nén thực sự nào có liên quan đến túi khí trước sự tiến hóa của thằn lằn bay và khủng long saurischian”.

Ông giải thích rằng, là động vật có vú, chúng ta có thể trở nên khó thở hoặc quá nóng do hoạt động thể chất cường độ cao hoặc nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nếu có một hệ thống túi khí xâm lấn, chúng ta sẽ không gặp phải tình trạng đó.

Vậy những túi khí này phát triển từ khi nào? Chúng đã có mặt từ khoảng 145 đến 66 triệu năm trước trong các loài theropod kỷ Phấn trắng (khủng long hai chân là loài ăn thịt hoặc ăn cỏ), thằn lằn bay và sauropod (khủng long cổ dài khổng lồ).

Không phải tất cả động vật đều sử dụng kỹ thuật và cơ quan giống nhau để thở. Trong khi con người co giãn phổi để hô hấp, chim có các túi khí bên ngoài phổi để bơm oxy vào nên phổi của chúng không thực sự chuyển động. Trong một thời gian dài, các nhà cổ sinh vật học tin rằng tất cả các loài khủng long đều thở như chim, vì chúng có cấu tạo giải phẫu hô hấp giống nhau

Do đó, để tìm ra nguồn gốc của chúng, Aureliano, một nhà cổ sinh vật học tại Đại học Liên bang Brazil do Rio Grande do Norte, là tác giả chính của 3 bài báo gần đây đã tìm kiếm xa hơn về kỷ Trias (khoảng 252 đến 201 triệu năm trước).

Nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm câu trả lời dựa trên hai loại sauropodomorphs (sauropoda sơ khai trước khi chúng tiến hóa thành cổ dài và kích thước khổng lồ) có tên là Buriolestes và Pampadromaeus, và một loại khủng long ăn thịt có tên là Gnathovorax.

Dấu vết trên mô xương hóa thạch khớp với dấu vết được tìm thấy ở các loài chim còn sống ngày nay cho thấy sự hiện diện của sự thích nghi hô hấp này. Tuy nhiên không loài khủng long nào trong số những loài ban đầu có những dấu vết này, cho thấy rằng khí nén của bộ xương sau sọ vẫn chưa tiến hóa ở thời điểm đó. Điều này có nghĩa là nó không thể có mặt trong tổ tiên chung của khủng long.

Đồng tác giả Aline Ghilardi, một nhà cổ sinh vật học và trợ lý giáo sư có nhiệm kỳ, cũng tại Đại học Liên bang Brazil do Rio Grande do Norte, cho biết: “Vì những con khủng long đầu tiên không có cấu trúc khí nén xâm lấn, nên túi khí chắc chắn đã phải tiến hóa sau đó. Và nếu nó tiến hóa sau đó, thì về mặt logic, loài thằn lằn bay phải tiến hóa nó theo một cách song song”.

Nói cách khác, những kết quả này cho thấy 3 dòng loài đã tuyệt chủng đã tiến hóa cùng một hệ thống hô hấp một cách độc lập. Hiện tượng này được gọi là tiến hóa hội tụ.

Nhưng các hóa thạch cũng gợi ý rằng sự phát triển của các túi khí đã bắt đầu vào thời điểm này. Aureliano giải thích rằng 2 con sauropodomorph và 1 con herrerasaurid mà họ nghiên cứu sống cách đây khoảng 233 triệu năm có sự xuất hiện của túi khí, nhưng loài khủng long pampadromaeus “được thu thập trong một nền đá cao hơn một chút” cũng xuất hiện những dấu vết này. Khoảng cách về thời gian này mặc dù tương đối nhỏ về mặt địa chất, nhưng đã tạo ra “một sự thay đổi lớn” trong bộ xương sauropodomorph. Pampadromaeus có một loại mô mới mà nhóm nghi ngờ có thể là một bước tiến tới sự tiến hóa của túi khí.

“Toàn bộ hệ thống mạch máu ở pampadromaeus đều khác”, Aureliano nói. “Nó ít đậm đặc hơn và có các fractal bên trong - những khoang rất nhỏ để nhận máu và các mô mỡ”. Ông nói thêm, điều này sẽ giúp “trong tương lai các túi khí xâm lấn sẽ được hình thành”.

Ali Nabavizadeh là nhà cổ sinh vật học và trợ lý giáo sư lâm sàng về giải phẫu học tại Trường Thú y thuộc Đại học Pennsylvania, người không tham gia vào nghiên cứu này. Ông ủng hộ các kết luận được tìm thấy trong các bài báo này, bao gồm ý tưởng rằng hệ thống đã phát triển 3 lần riêng biệt. Tiến hóa hội tụ là “phổ biến ở các loài động vật có xương sống”, Nabavizadeh nói

Cả Aureliano và Ghilardi đều chỉ ra rằng khí hậu nóng trong kỷ Tam Điệp là một lý do tiềm ẩn khiến sự thích ứng này phát triển. Ghilardi đề xuất: “Có lẽ nếu sinh lý học của bạn cung cấp một cơ thể đối phó với nhiệt hiệu quả, thì bạn sẽ có lợi thế hơn các đối thủ của mình. Có lẽ đây là chìa khóa để thành công của loài khủng long trong thời đại đó”.

Nhóm sau đó đã chuyển sang một loại sauropodomorph khác từ Brazil được gọi là Macrocollum itaquii. Aureliano nói: Macrocollum xuất hiện trên hành tinh “8 triệu năm sau Buriolestes, và loài vật này lớn gấp 3 lần”.

Nhóm nghiên cứu đã so sánh các thành phần xương khác nhau của những con khủng long sơ khai với những người khổng lồ cổ dài sau này. Họ ghi nhận sự vắng mặt của hệ thống túi khí ở những loài khủng long đầu tiên, chẳng hạn như Gnathovorax đã nói ở trên. Nhưng vào cuối kỷ Jura (khoảng 154 triệu năm trước), loài khủng long sauropoda khổng lồ đã có hệ thống túi khí khắp cơ thể, khiến máu chúng ít đậm đặc hơn và phân phối oxy và nhiệt hiệu quả hơn.