Hình ảnh phục dựng của hóa thạch Captorhinus trong hang động.

Theo kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 8/4, mẫu vật là hóa thạch của loài bò sát cổ đại Captorhinus aguti, có niên đại khoảng 289 triệu năm, thuộc đầu kỷ Permi (kỷ địa chất cuối cùng của Đại Cổ sinh). Sinh vật này được phát hiện tại khu vực Richards Spur, bang Oklahoma (Mỹ), trong tình trạng được bảo tồn gần như nguyên vẹn dưới dạng “xác ướp” ba chiều hiếm gặp.

Theo các nhà khoa học, nhờ điều kiện môi trường đặc biệt như bùn thiếu oxy kết hợp với sự thẩm thấu của mạch dầu cổ đại đã giúp bảo tồn các mô mềm như da và sụn, những thành phần thường bị phân hủy theo thời gian, khiến mẫu vật gần như “đóng băng” trong tư thế tự nhiên ngay tại thời điểm tử vong.

Không chỉ gây ấn tượng bởi mức độ bảo tồn, hóa thạch này còn mang ý nghĩa khoa học sâu sắc khi cung cấp bằng chứng cổ xưa nhất về hệ thống cơ chế hô hấp bằng xương sườn mà các loài bò sát, chim và động vật có vú hiện đại vẫn đang dùng để thở ngày nay.

Theo ông Ethan Mooney, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Harvard và là đồng tác giả nghiên cứu, loài Captorhinus aguti là một mắt xích quan trọng trong việc giải mã quá trình tiến hóa sớm của các loài động vật có màng ối.

Dù có kích thước nhỏ bé chỉ khoảng vài inch, mẫu hóa thạch này chứa các phân tử hữu cơ có niên đại cổ hơn gần 100 triệu năm so với kỷ lục trước đó từng ghi nhận ở hóa thạch khủng long.

Trong nghiên cứu mới, nhóm khoa học đã sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính neutron (nCT) tiên tiến để quan sát cấu trúc bên trong mà không làm hư hại mẫu vật. Công nghệ này cho phép quan sát chi tiết các lớp mô và cấu trúc bên trong với độ chính xác cao.

Kết quả cho thấy lớp da của sinh vật có cấu trúc xếp nếp giống như chiếc đàn accordion bao quanh cơ thể. Kết hợp với việc phân tích thêm hai mẫu vật khác, các nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên tái dựng hoàn chỉnh hệ thống hô hấp của một loài động vật có màng ối sơ khai.

Cấu trúc này bao gồm một lồng ngực hoàn chỉnh với xương ức bằng sụn phân đoạn và các lớp xương sườn liên kết lồng ngực trực tiếp với vai. Đây là đặc điểm then chốt cho phép cơ thể thực hiện chuyển động hô hấp hiệu quả.

Phát hiện mới này đã làm rõ bước chuyển mình quan trọng trong quá trình tiến hóa: từ cơ chế hô hấp kém hiệu quả của động vật lưỡng cư sang hệ thống hô hấp chủ động bằng xương sườn.

Hình minh họa sơ đồ toàn thân nhìn từ bên trái, mô tả các thành phần sụn màu vàng, được mô tả trong nghiên cứu.

Ở các loài lưỡng cư cổ đại, không khí được “nuốt” vào phổi thông qua chuyển động của cổ họng. Đây là một quá trình tiêu tốn năng lượng, kém hiệu quả và hạn chế khả năng vận động. Trong khi đó, loài Captorhinus aguti đã phát triển cơ chế sử dụng cơ bắp để mở rộng lồng ngực, tạo áp suất âm giúp hút không khí sâu vào phổi.

Cách hô hấp này giúp tăng lượng oxy hấp thụ, từ đó cung cấp nhiều năng lượng hơn cho các hoạt động như săn mồi, di chuyển và thích nghi với môi trường khắc nghiệt trên cạn.

“Chúng tôi cho rằng hệ thống hô hấp ở Captorhinus đại diện cho dạng tổ tiên của kiểu hô hấp hỗ trợ bởi xương sườn hiện diện ở các loài bò sát, chim và động vật có vú đang sống ngày nay”, Giáo sư Robert R. Reisz (Đại học Toronto), đồng tác giả nghiên cứu, nhận định.

Từ một loài bò sát nhỏ bé sống trong hang động tối cách đây gần 300 triệu năm, loài Captorhinus aguti giờ đây được xem là hình mẫu sơ khai cho hệ thống hô hấp của phần lớn động vật trên cạn hiện đại.

Dù là chim đang bay trên bầu trời, thú săn mồi trên thảo nguyên hay con người trong đời sống thường nhật, tất cả đều đang sử dụng cơ chế hô hấp có nguồn gốc từ những bước tiến tiến hóa như vậy.

Hiện các mẫu hóa thạch quý giá này đang được lưu giữ tại Bảo tàng Hoàng gia Ontario (Canada) để phục vụ nghiên cứu lâu dài.