Tác giả: Lưu Vân, Vương Ba, Sử Công Lạc (Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc)
Bài viết được trích từ tài khoản chính thức của Viện Hàn lâm Khoa học (ID: kexuedayuan)
——
Lời nhắc nhở ấm áp: Một số hình ảnh côn trùng trong bài viết này đã bị ẩn. Những độc giả thực sự sợ côn trùng có thể nhấp chuột để đọc mà không cần lo lắng.
Như chúng ta đều biết, ngày lễ Lao động nên dành cho lao động (rõ ràng là không). Các nhà khoa học đều biết rõ điều này và đã tìm được một người trong bệnh viện ủng hộ việc "học hành chăm chỉ hơn trong kỳ nghỉ" để nói với mọi người về một khám phá mất "mười năm để mài một thanh kiếm".
Phát hiện này là Khu bảo tồn sinh vật Zhangpu, một kho chứa hóa thạch rừng mưa nhiệt đới nằm ở Phúc Kiến. Trong thập kỷ qua, một nhóm gồm 30 nhà nghiên cứu từ nhiều chuyên ngành, do Vương Bác và Thạch Công Lạc từ Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đứng đầu, đã tiến hành các nghiên cứu chi tiết về tính đa dạng, cổ sinh thái và ý nghĩa cổ khí hậu của hệ sinh vật này.
Các mỏm đá lộ thiên và nhiều hóa thạch khác nhau của quần thể sinh vật Zhangpu (Nguồn ảnh: Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh)
Từ Khí hậu Tối ưu giữa Miocene
Quá khứ là chìa khóa để hiểu những thay đổi về môi trường trong tương lai và hóa thạch chắc chắn là chìa khóa quan trọng nhất. Năm 2010, quần thể sinh vật Zhangpu được phát hiện tại địa tầng nhóm Fotan ở huyện Zhangpu, bờ biển đông nam Phúc Kiến. Là một tập hợp các tầng đá bao gồm các đá trầm tích và đá núi lửa xen kẽ (tức là hai tầng đá xuất hiện nhiều lần), phân bố chủ yếu ở huyện Chương Phố và huyện Long Hải ở phía nam Phúc Kiến, huyện Minh Tây và huyện Ninh Hoa ở phía tây Phúc Kiến. Thời đại địa chất (khoảng 14,7 triệu năm trước) nằm trong giai đoạn cuối của thời kỳ khí hậu tối ưu của thế Miocene giữa.
Thời kỳ khí hậu tối ưu giữa Miocene xảy ra vào giữa thời kỳ Miocene cách đây 17 đến 14 triệu năm và là sự kiện ấm lên mạnh mẽ trong lịch sử địa chất. Vào thời điểm đó, hàm lượng carbon dioxide trong khí quyển cao hơn đáng kể so với mức hiện tại và nhiệt độ trung bình hàng năm toàn cầu cao hơn 3~7℃ so với hiện nay, rất giống với môi trường khí hậu hiện tại được dự đoán vào năm 2100. Do đó, việc hiểu được các quá trình thay đổi của khí hậu và sinh vật trong giai đoạn thích hợp này có ý nghĩa to lớn trong việc dự đoán những thay đổi trong tương lai về khí hậu và sinh vật trong bối cảnh nóng lên toàn cầu và có thể giúp con người ứng phó hiệu quả hơn với các cuộc khủng hoảng môi trường trong tương lai.
Mặc dù nhiều loài hóa thạch từ thời Trung Miocene đã được phát hiện, nhưng hiểu biết của chúng ta về hệ sinh vật nhiệt đới trong thời kỳ này vẫn còn rất hạn chế. Khu hệ sinh vật Zhangpu có thể cung cấp dữ liệu hóa thạch phong phú cho nghiên cứu liên quan. Vậy, những vật liệu hóa thạch này được bảo quản như thế nào?
Kho lưu trữ hóa thạch có nhiều loài nhất thế giới của rừng mưa nhiệt đới Cenozoic
Trong suốt lịch sử địa chất, khi có lũ quét hoặc mưa lớn, một số lá cây rụng vào mùa thu sẽ bị cuốn trôi vào suối và cuối cùng chảy vào sông hoặc hồ. Khi hồ bị chôn vùi nhanh chóng, trầm tích đã phủ kín nó. Trong những trường hợp rất hiếm, những chiếc lá này được bảo quản và trở thành thứ mà ngày nay chúng ta gọi là hóa thạch thực vật. Những hóa thạch thực vật này là biểu tượng chính cho sự phân chia và phục hồi các lục địa cổ đại, khí hậu cổ đại và sự phân chia địa lý thực vật trong các thời kỳ địa chất.
Sau 10 năm liên tục thu thập thực địa, nhóm nghiên cứu đã thu được hơn 25.000 mẫu hổ phách có chứa côn trùng và hơn 5.000 mẫu hóa thạch nén/in của thực vật. Trong số các loài thực vật cổ đại, các nhóm có sự đa dạng cao nhất và mẫu hóa thạch phong phú nhất bao gồm Dipterocarpaceae, Fabaceae, Lauraceae và Luteaceae. Các họ khác phân bố ở vùng nhiệt đới bao gồm Annonaceae, Anacardiaceae, Oleaceae, Euphorbiaceae, Melastomataceae, Moraceae, Myristicaceae và Myrtaceae. Thực vật thuộc các họ này là nhóm chiếm ưu thế trong các khu rừng mưa nhiệt đới ở Đông Nam Á ngày nay. Trong số đó, hóa thạch lá thực vật bao gồm 2 loài dương xỉ, 3 loài thực vật một lá mầm và 78 loài thực vật hai lá mầm. Ngoài ra, còn có hơn 20 loài hóa thạch quả và hạt. Dựa trên các loài động vật và thực vật hóa thạch đã được phát hiện, Khu hệ sinh vật Zhangpu đã trở thành kho chứa hóa thạch rừng mưa nhiệt đới kỷ Cenozoic giàu loài nhất thế giới.
Hóa thạch thực vật tiêu biểu của quần thể Zhangpu (Nguồn ảnh: Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh)
Bộ sưu tập hổ phách lấp lánh
Không chỉ vậy, rất nhiều hổ phách cũng được tìm thấy ở khu sinh vật Zhangpu. Hổ phách là một loại hóa thạch rất đặc biệt được hình thành sau khi nhựa cây cổ đại bị chôn vùi dưới lòng đất và trải qua quá trình địa chất lâu dài. Hổ phách Zhangpu rất giàu tạp chất và có ý nghĩa nghiên cứu quan trọng. Hổ phách Zhangpu được phát hiện cho đến nay có nguồn gốc từ họ Dipterocarpaceae. Nhựa của cây họ Dầu sau khi nhỏ giọt được đưa vào hồ và lắng đọng, bảo quản cùng với thực vật, đất sét, v.v.
Đất nước chúng ta là một đất nước rộng lớn có nguồn tài nguyên hóa thạch vô cùng phong phú. Tuy nhiên, hổ phách (đặc biệt là hổ phách côn trùng), là một loại hóa thạch đặc biệt, rất hiếm khi được tìm thấy ở đất nước tôi và chỉ có một địa điểm sản xuất hổ phách được biết đến rộng rãi là Phủ Thuận. Mọi nhà cổ côn trùng học đều mong muốn khám phá ra hệ sinh vật hổ phách hàng đầu thế giới ngay tại đất nước mình. Kể từ khi ông Bingzhi bắt đầu nghiên cứu hổ phách Trung Quốc vào năm 1931, mong muốn này cuối cùng đã thành hiện thực sau 90 năm nỗ lực của nhiều thế hệ nhà cổ côn trùng học Trung Quốc.
Năm 2014, nhóm nghiên cứu hổ phách của Viện Địa chất và Cổ sinh vật Nam Kinh đã báo cáo về sự xuất hiện và thành phần của quần thể hổ phách Phủ Thuận (Current Biology, 2014), khiến nơi đây trở thành một trong những quần thể hổ phách phong phú về loài nhất trên thế giới, lấp đầy khoảng trống về quần thể hổ phách của lục địa Châu Á trong thời kỳ Eocene, cho thấy đã có sự trao đổi sinh học sâu rộng giữa hai đầu lục địa Á-Âu cách đây 50 triệu năm; Nhóm nghiên cứu cũng đã báo cáo lần đầu tiên vào năm 2018 về đặc điểm ngoại hình của quần thể sinh vật hổ phách Tilin ở Myanmar vào cuối kỷ Phấn trắng (Nature Communications, 2018), lấp đầy khoảng cách 24 triệu năm trong hóa thạch côn trùng và giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của côn trùng trước và sau sự kiện tuyệt chủng hàng loạt vào cuối kỷ Phấn trắng. Ngày nay, quần thể hổ phách Zhangpu là quần thể hổ phách thứ ba mà nhóm nghiên cứu hoàn thành sau quá trình nghiên cứu có hệ thống và đa ngành. Hệ sinh vật này là hệ sinh vật hổ phách phong phú nhất được phát hiện trong thế kỷ qua và là một trong bốn hệ sinh vật hổ phách chính trên thế giới. Phát hiện này cũng chứng minh rằng đất nước tôi là một đất nước giàu tài nguyên hổ phách.
Bản đồ phục hồi sinh thái của quần thể sinh vật Zhangpu (Hình ảnh do Yang Dinghua, Viện Cổ sinh vật học Nam Kinh vẽ)
Hổ phách Zhangpu chứa một lượng lớn hóa thạch động vật và thực vật. Xét về sự đa dạng của động vật chân khớp, quần thể hổ phách Zhangpu hiện đứng thứ ba về độ đa dạng với 250 họ được phát hiện, chỉ đứng sau quần thể hổ phách Kachin ở Myanmar (kỷ Phấn trắng giữa, khoảng 100 triệu năm trước; gần 600 họ) và quần thể hổ phách Baltic (kỷ Eocene, khoảng 48 đến 34 triệu năm trước; gần 600 họ), và cao hơn quần thể hổ phách Dominica (kỷ Miocene giữa, khoảng 20 đến 15 triệu năm trước; khoảng 200 họ).
Trong số hổ phách được phát hiện, côn trùng là loài phong phú nhất, bao gồm ít nhất 20 bộ và 200 họ. Phổ biến nhất trong số này là Bộ Hai cánh, chiếm khoảng 55% tổng số; tiếp theo là Hymenoptera (nhiều loại ong và kiến); sau đó là Coleoptera (bọ cánh cứng) và Hemiptera (rệp, ve sầu, bọ xít, v.v.). Ngoài ra, hổ phách còn chứa một lượng lớn lông vũ, thực vật, động vật thân mềm và hóa thạch vi khuẩn.
Thực vật và động vật tiêu biểu trong hổ phách Zhangpu (Nguồn ảnh: Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh)
Không giống như hầu hết các loại hổ phách khác, hổ phách Zhangpu có dữ liệu về tuổi địa chất và cổ khí hậu chính xác, có thể được sử dụng để hiểu rõ bối cảnh môi trường của quần thể hổ phách. Phần lớn các loài chân khớp trong quần thể động vật hổ phách Zhangpu (đặc biệt là kiến, ong, bọ đuôi bật, dế, muỗi, v.v.) đều là các chi còn sống, cung cấp điểm hiệu chỉnh thời gian tốt cho các nghiên cứu hệ thống phân tử về nhiều cộng đồng khác nhau. Tính ổn định của các yếu tố cấp chi cho thấy quần thể sinh vật rừng mưa nhiệt đới châu Á đã đạt đến cấu trúc sinh thái hiện tại từ 15 triệu năm trước, điều này cũng ủng hộ quan điểm cho rằng "rừng mưa nhiệt đới là bảo tàng đa dạng sinh học".
Quan trọng hơn, cộng đồng hổ phách Zhangpu cũng là cộng đồng hổ phách giàu có nhất được thu thập cho mục đích nghiên cứu khoa học (khai thác phi thương mại), bảo tồn hoàn toàn thông tin cổ sinh thái và thạch học ban đầu, cung cấp dữ liệu so sánh có giá trị cho việc phục hồi cổ sinh thái và hiệu chỉnh độ lệch thạch học (hình thành hóa thạch) của các cộng đồng hổ phách khác.
Vuốt sang trái và phải để xem thêm hình ảnh
Côn trùng đại diện trong hổ phách Zhangpu (Nguồn ảnh: Viện Cổ sinh vật học Nam Kinh)
Nhiều loại kiến trong hổ phách Zhangpu (Nguồn ảnh: Viện Cổ sinh vật học Nam Kinh)
Lịch sử cung cấp bài học để hiểu về biến đổi khí hậu
Sau khi nghiên cứu và phân tích, cả thành phần hệ thực vật và thành phần lá của hệ thực vật đều cho thấy hệ thực vật Trương Phố thời kỳ Miocene giữa đại diện cho rừng gió mùa nhiệt đới và thành phần lá của nó rất giống với thảm thực vật ở miền trung Thái Lan, miền trung Ấn Độ và đồng bằng sông Hằng ngày nay. Phân tích cổ khí hậu của các pha lá hóa thạch thực vật cho thấy khu vực Trương Phố nằm ở rìa phía bắc của vùng nhiệt đới vào giữa Miocen, với nhiệt độ trung bình hàng năm là 22,5 ± 2,4 °C, nhiệt độ trung bình mùa hè là 27,1 ± 2,9 °C và nhiệt độ trung bình mùa đông là 17,2 ± 3,6 °C. Mùa sinh trưởng kéo dài khoảng 12 tháng, lượng mưa trong suốt mùa sinh trưởng là 1929 ± 643 mm và mùa xuân là mùa khô nhất. Nhiệt độ mùa hè ở khu vực Trương Phố trong thời kỳ Miocene giữa được tái tạo định lượng bằng phân tích pha lá cao hơn nhiệt độ mùa đông khoảng 10 °C, thấp hơn mức chênh lệch nhiệt độ theo mùa hiện tại ở Trương Phố (khoảng 15 °C). Ngoài ra, sự khác biệt về lượng mưa theo mùa ở Chương Phố trong thời kỳ Miocene giữa cũng gần giống với hiện nay.
Đồng thời, các hóa thạch sinh vật Zhangpu chứa một số lượng lớn các nhóm sinh vật nhiệt đới đặc trưng của Đông Nam Á, như một số loài thực vật có hoa, rêu, ốc sên, nhện và nhiều loài côn trùng như kiến, ong, dế, bọ cánh cứng, v.v., hiện chỉ phân bố ở các khu vực rừng mưa nhiệt đới của Đông Nam Á (thậm chí cả Bắc Đại Dương). Trong bối cảnh hiệu ứng nhà kính giữa Miocene, nhiệt độ mùa đông tối thiểu ở khu vực Zhangpu tăng đáng kể, làm suy yếu hiệu ứng mùa đông chết chóc, có thể là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến sự di cư về phía bắc của sinh vật nhiệt đới. "Cuộc viễn chinh phương Bắc" của sinh vật nhiệt đới đã mang theo một số lượng lớn các loài xâm lấn và gây ra những thay đổi trong chuỗi thức ăn địa phương, chu trình sinh địa hóa và điều kiện khí hậu, có thể đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến các cộng đồng sinh học ban đầu ở Đông Á và định hình thêm sinh vật Đông Á hiện tại.
"Phải mất mười năm để mài một thanh kiếm." Thành tựu nghiên cứu này là kết tinh của mười năm làm việc chăm chỉ và cống hiến hết mình của toàn thể thành viên trong nhóm. Nghiên cứu này là kết quả sơ bộ của Khu hệ động vật Zhangpu, tập trung vào việc thể hiện diện mạo tổng thể của Khu hệ động vật Zhangpu, nhưng vẫn còn một số lượng lớn hóa thạch cần được xác định chi tiết (ví dụ, cho đến nay chỉ có hơn 8.000 hổ phách côn trùng được xác định). Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về phân loại, phát sinh loài và cổ sinh thái đối với một số nhóm động vật và thực vật quan trọng. Nghiên cứu này cũng cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng để hiểu được sự tiến hóa của các hệ sinh thái rừng mưa nhiệt đới châu Á hiện đại và cách chúng phản ứng với tình trạng ấm lên của khí hậu trong tương lai.
Các kết quả nghiên cứu có liên quan được hoàn thành chung bởi một nhóm nghiên cứu quốc tế gồm Viện Địa chất và Cổ sinh vật học Nam Kinh, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Viện Hàn lâm Khoa học thuộc Đại học Trung Quốc, Vườn thực vật nhiệt đới Tây Song Bản Nạp, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Viện Động vật học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Tôn Dật Tiên, Đại học Nông nghiệp Trung Quốc, Đại học Sư phạm Thủ đô, Đại học Lâm Nghi, Đại học Sư phạm Khúc Phụ, Đại học Hồng Kông, Đại học Mở, Đại học Göttingen, Đại học Munich, Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Senckenberg, Musée d'Histoire Naturelle, Đại học Rennes, Đại học Indiana tại Urbana-Champaign, Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ, Đại học Kansas, Đại học Gdańsk, Ba Lan và Đại học Lebanon. Nghiên cứu liên quan đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Science Advances vào ngày 30 tháng 4 năm 2021.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Bộ Khoa học và Công nghệ và Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc. Viện Khảo sát Địa chất Phúc Kiến và Công viên Địa chất Quốc gia Núi lửa ven biển Chương Châu đã cung cấp hỗ trợ quan trọng cho nghiên cứu này. Ông Zhu Li, người đam mê hóa thạch, đã phát hiện ra nhiều mỏ hổ phách mới và tiến hành công tác thu thập lâu dài, nghiền hơn 20.000 mẫu vật, cung cấp hỗ trợ quan trọng cho nghiên cứu hổ phách côn trùng này. Ông Shen Huazhu đã hỗ trợ rất nhiều cho việc thu thập hóa thạch Zhangpu.
Tài liệu tham khảo:
[1] Wang Bo*, Shi Gongle*, Xu Chunpeng, Spicer RA, Perrichot V., Schmidt AR, Feldberg K., Heinrichs J., Chény C., Pang Hong, Liu Xingyue, Gao Taiping, Wang Zixi, Ślipiński A., Solórzano-Kraemer MM, Heads SW, Thomas MJ, Sadowski E.-M., Szwedo J., Azar D., Nel A., Liu Ye, Chen Jun, Zhang Qi, Zhang Qingqing, Luo Cihang, Yu Tingting, Zheng Daran, Zhang Haichun, Engel MS (2021) Hệ sinh vật Zhangpu vào giữa Miocene cho thấy một quần xã sinh vật rừng mưa nhiệt đới cực kỳ phong phú ở Đông Á. Tiến bộ khoa học, 7: eabg0625. https://doi.org/10.1126/sciadv.abg0625.
