Mô hình 3D của hóa thạch thực vật 407 triệu năm tuổi đã định hình lại hiểu biết của chúng ta về quá trình tiến hóa của lá. Nghiên cứu này cũng cung cấp những quan điểm mới về các mô hình hấp dẫn được quan sát thấy ở thực vật.

Theo các nghiên cứu gần đây, cách sắp xếp lá của những cây ban đầu khác với nhiều loại cây hiện đại, thách thức niềm tin phổ biến về sự khởi đầu của mô hình toán học nổi tiếng được quan sát thấy trong tự nhiên. Kết quả cho thấy cấu hình xoắn ốc điển hình của lá mà chúng ta thấy trong tự nhiên hiện nay không phổ biến ở những loài thực vật trên cạn đầu tiên xuất hiện lần đầu tiên trên hành tinh của chúng ta.

Thay vào đó, ông phát hiện ra rằng thực vật cổ xưa có một loại ốc khác. Điều này bác bỏ một lý thuyết cũ về sự tiến hóa của các dạng xoắn ốc của lá thực vật, cho rằng chúng tiến hóa theo hai con đường tiến hóa riêng biệt. Cho dù đó là vòng xoáy rộng lớn của cơn lốc xoáy hay vòng xoắn ốc phức tạp của cơn lốc xoáy ADN Các đường xoắn ốc xoắn kép rất phổ biến trong tự nhiên và hầu hết chúng có thể được mô tả bằng dãy toán học nổi tiếng Fibonacci.

Được đặt theo tên nhà toán học người Ý Leonardo Fibonacci, trình tự này tạo thành nền tảng cho nhiều mô hình hiệu quả và ấn tượng nhất của tự nhiên. Xoắn ốc là phổ biến ở thực vật, với xoắn ốc Fibonacci chiếm hơn 90% số xoắn ốc. Đầu hướng dương, quả thông, quả dứa và cây trồng trong nhà mọng nước có những hình xoắn ốc đặc biệt này trên cánh hoa, lá hoặc hạt của chúng.

Thân cây hóa thạch in 3D được đặt cạnh cây cánh kiến ​​sống. Tín dụng: Tiến sĩ Sandy Hetherington

Tại sao các đường xoắn ốc Fibonacci, còn được gọi là mã bí mật của tự nhiên, lại rất phổ biến ở thực vật, đã khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều thế kỷ, nhưng nguồn gốc tiến hóa của chúng phần lớn bị bỏ qua.

Dựa trên sự phân bố rộng rãi của chúng, từ lâu người ta đã cho rằng các đường xoắn ốc Fibonacci là một đặc điểm cổ xưa đã tiến hóa ở các loài thực vật trên cạn đầu tiên và được bảo tồn ở mức độ cao ở thực vật. Tuy nhiên, một nhóm quốc tế do Đại học Edinburgh dẫn đầu đã bác bỏ giả thuyết này khi phát hiện ra các đường xoắn ốc phi Fibonacci trong một hóa thạch thực vật 407 triệu năm tuổi.

Bằng cách sử dụng các kỹ thuật tái tạo kỹ thuật số, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các mô hình 3D đầu tiên của chồi lá trong một loài rêu hóa thạch Cơm Astroxylon – Là thành viên của nhóm thực vật có lá lâu đời nhất.

Hóa thạch được bảo quản đặc biệt tốt được tìm thấy tại địa điểm hóa thạch nổi tiếng Rhynie chert, một mỏ trầm tích của Scotland gần làng Rhynie ở Aberdeenshire. Địa điểm này chứa bằng chứng về một số hệ sinh thái lâu đời nhất hành tinh – khi thực vật trên cạn lần đầu tiên phát triển và dần dần bắt đầu bao phủ bề mặt đá của Trái đất, khiến nó có thể sinh sống được.

Kết quả cho thấy lá và cấu trúc sinh sản ở… Cơm Astroxylonthường được sắp xếp theo hình xoắn ốc không phải Fibonacci và ngày nay rất hiếm ở thực vật.

Điều này làm thay đổi hiểu biết của các nhà khoa học về đường xoắn ốc Fibonacci ở thực vật trên cạn. Điều này cho thấy các đường xoắn ốc không phải Fibonacci rất phổ biến ở tảo cổ đại và sự tiến hóa của các đường xoắn ốc ở lá đã chia thành hai con đường riêng biệt. Rêu lá cổ xưa có lịch sử tiến hóa khá khác biệt so với các nhóm thực vật chính khác ngày nay như dương xỉ, cây lá kim và thực vật có hoa.

Những chiếc lá sắp xếp theo hình xoắn ốc có thể được nhận ra ở đầu các chồi hóa thạch Cơm Astroxylon. Số phần hóa thạch mỏng GLAHM Kid 2554 trong Bộ sưu tập Hunterian, Đại học Glasgow. Tín dụng: Ảnh của Sandy Hetherington. Số mẫu GLAHM Kid 2554 trong Bộ sưu tập Hunterian, Đại học Glasgow

Nhóm đã tạo ra mô hình 3D của Cơm AstroxylonLoài này đã tuyệt chủng hơn 400 triệu năm trước do làm việc với nghệ sĩ kỹ thuật số Matt Hombag, sử dụng kết xuất kỹ thuật số và in 3D.

Nghiên cứu còn có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học Cork, Ireland, Đại học Münster, Đức và Northern Rouge Studios, Vương quốc Anh.

Tiến sĩ Sandy Hetherington, nhà cổ sinh vật học tiến hóa và lãnh đạo dự án tại Đại học Edinburgh, cho biết: “Mô hình Asteroxylon makiei của chúng tôi cho phép chúng tôi kiểm tra sự sắp xếp 3D của lá lần đầu tiên”. hóa thạch và cầm chúng trên tay thật là điều không thể tin được.” Quả thực, những phát hiện của chúng tôi đưa ra một góc nhìn mới về sự tiến hóa của các đường xoắn ốc Fibonacci ở thực vật.

Holly-Anne Turner, người làm việc trong dự án khi còn là sinh viên đại học tại Đại học Edinburgh và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: “Cây rêu Cơm Astroxylon Đây là một trong những ví dụ lâu đời nhất về thực vật có lá trong hồ sơ hóa thạch. Bằng cách sử dụng những bản tái tạo này, chúng tôi có thể theo dõi các vòng xoắn ốc riêng lẻ của lá xung quanh thân của những loài thực vật hóa thạch 407 triệu năm tuổi này. Phân tích của chúng tôi về cách sắp xếp lá ở Asteroxylon cho thấy tảo từ rất sớm đã phát triển các kiểu xoắn ốc phi Fibonacci.

Tham khảo: “Lá và bào tử tiến hóa theo hình xoắn ốc phi Fibonacci hiếm gặp ở thực vật có lá sớm” của Holly Ann Turner, Matthew Hombag, Hans Kirp và Alexander J. Hetherington, ngày 15 tháng 6 năm 2023, Khoa học.
doi: 10.1126/science.adg4014

Nghiên cứu được tài trợ bởi Nghiên cứu và Đổi mới của Vương quốc Anh (UKRI), Hiệp hội Hoàng gia và Quỹ Nghiên cứu Đức.