Turtles finally have a place in the tree of life: X-ray study of South African fossils was a decider

Rùa cuối cùng đã có vị trí trong cây sự sống: Nghiên cứu bằng tia X các hóa thạch Nam Phi là yếu tố quyết định

Turtles finally have a place in the tree of life: X-ray study of South African fossils was a decider

Valentin Buffa, Postdoctoral Research Fellow in Palaeontology, University of Zurich Jonah Choiniere, Professor of Dinosaur Paleontology, University of the Witwatersrand Julien Benoit, Associate professor in Vertebrate Palaeontology, University of the Witwatersrand Xavier Jenkins, NSF EAR Postdoctoral Fellow, American Museum of Natural History

Palaeontologists have got a clearer picture of where turtles fit in the animal kingdom, thanks to analysis of a southern African fossil.

Các nhà cổ sinh vật học đã có cái nhìn rõ ràng hơn về vị trí của rùa trong vương quốc động vật, nhờ việc phân tích một hóa thạch Nam Phi.

The origin of turtles has always been a bit of a puzzle for scientists who study the evolution of animals. To this day, where they fit in the tree of life remains a highly debated topic.

Nguồn gốc của rùa luôn là một bí ẩn đối với các nhà khoa học nghiên cứu về sự tiến hóa của động vật. Cho đến ngày nay, vị trí của chúng trong cây sự sống vẫn là một chủ đề gây tranh cãi lớn.

The evolutionary relationships of most vertebrate groups are well understood. Thanks to genetic and morphological (anatomical, body shape) data, even animals with highly specialised skeletons can be clearly placed on the animal family tree. Examples include whales or birds.

Mối quan hệ tiến hóa của hầu hết các nhóm động vật có xương sống đã được hiểu rõ. Nhờ dữ liệu di truyền và hình thái (giải phẫu, hình dáng cơ thể) , ngay cả những loài động vật có bộ xương cực kỳ chuyên biệt cũng có thể được xác định rõ ràng trên cây họ động vật. Ví dụ bao gồm cá voi hoặc chim.

Turtles, however, have long remained an exception. Genetic studies identify them as relatives of the so-called archosaurs. This is a group that includes modern birds and crocodiles as well as extinct reptiles like dinosaurs and pterosaurs. But the fossil record seemed to tell a different story. Living turtles and their fossil relatives were so specialised that they offered few clues that would link even the oldest turtle fossils to other reptile groups. Or so scientists thought.

Tuy nhiên, rùa từ lâu vẫn là một ngoại lệ. Các nghiên cứu di truyền xác định chúng là họ hàng của nhóm được gọi là archosaur. Đây là một nhóm bao gồm chim và cá sấu hiện đại, cũng như các loài bò sát đã tuyệt chủng như khủng long và pterosaur. Nhưng hồ sơ hóa thạch dường như lại kể một câu chuyện khác. Rùa sống và các họ hàng hóa thạch của chúng quá chuyên biệt đến mức chúng chỉ cung cấp ít manh mối để liên kết ngay cả những hóa thạch rùa cổ nhất với các nhóm bò sát khác. Hoặc đó là điều các nhà khoa học đã nghĩ.

Our international team of palaeontologists has now provided a comprehensive reassessment of the turtle’s place in the animal world. Our analysis sheds new light on the relationships among primitive turtles. It confirms that Eunotosaurus africanus, a fossil from South Africa and Malawi, which was presumed to be a “proto-turtle”, is not a direct ancestor of modern turtles. Instead, this animal is very distantly related to modern reptiles, finding its deep root among much older reptilian ancestors that have no modern representatives.

Nhóm cổ sinh vật học quốc tế của chúng tôi hiện đã cung cấp một đánh giá lại toàn diện về vị trí của rùa trong thế giới động vật. Phân tích của chúng tôi làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các loài rùa nguyên thủy. Nó xác nhận rằng Eunotosaurus africanus, một hóa thạch từ Nam Phi và Malawi, vốn được cho là một “rùa tiền sử”, không phải là tổ tiên trực tiếp của rùa hiện đại. Thay vào đó, loài vật này có mối liên hệ rất xa với các loài bò sát hiện đại, tìm thấy nguồn gốc sâu xa của nó trong các tổ tiên bò sát cổ hơn nhiều mà không có đại diện hiện đại.

Based on anatomy, the phylogenetic analysis also provides the first robust support from fossil studies for the close relationship between turtles and the archosaur (bird-crocodilian) lineage.

Dựa trên giải phẫu, phân tích phát sinh chủng loại cũng cung cấp sự hỗ trợ vững chắc đầu tiên từ các nghiên cứu hóa thạch về mối quan hệ gần gũi giữa rùa và dòng dõi archosaur (chim-cá sấu) .

For more than 20 years, genetic data and anatomical data reached different conclusions about the relationships of turtles. Now they agree.

Trong hơn 20 năm, dữ liệu di truyền và dữ liệu giải phẫu đã đưa ra những kết luận khác nhau về mối quan hệ của rùa. Giờ đây, chúng đã đồng thuận.

Comparing reptile anatomy

So sánh giải phẫu bò sát

Fifteen researchers from South Africa, the US, UK, France and Germany participated in the study. Their combined expertise included:

Mười lăm nhà nghiên cứu đến từ Nam Phi, Mỹ, Anh, Pháp và Đức đã tham gia nghiên cứu này. Chuyên môn kết hợp của họ bao gồm:

computed tomography (CT) technology (advanced x-rays)

công nghệ chụp cắt lớp vi tính (CT) (tia X tiên tiến)

reptilian anatomy and phylogenetics

giải phẫu và phát sinh loài bò sát

Permo-Triassic stratigraphy (the study of rock layers where fossils are found) .

phân tầng Permo-Triassic (nghiên cứu các lớp đá chứa hóa thạch) .

The combination was critical to obtain these groundbreaking results. Collection staff from the Evolutionary Studies Institute, Iziko South African Museum, National Museum, Albany Museum and Council for Geoscience in South Africa were also instrumental in enabling access to the specimens.

Sự kết hợp này là yếu tố then chốt để đạt được những kết quả đột phá này. Nhân viên thu thập mẫu vật từ Viện Nghiên cứu Tiến hóa, Bảo tàng Iziko Nam Phi, Bảo tàng Quốc gia, Bảo tàng Albany và Hội Khoa học Địa chất Nam Phi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp cận các mẫu vật.

The team painstakingly compiled anatomical comparisons across more than 200 fossil reptile species. We hoped to find previously overlooked similarities between early shelled turtles, their shell-less predecessors, and other early reptiles. Comparisons of the bones that frame the brain cavity were particularly important. These couldn’t previously be seen by scientists, but with powerful CT scanning methods their anatomy was laid bare.

Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp tỉ mỉ các so sánh giải phẫu trên hơn 200 loài bò sát hóa thạch. Chúng tôi hy vọng tìm thấy những điểm tương đồng trước đây bị bỏ qua giữa các loài rùa có mai sơ khai, các loài tiền thân không có mai của chúng, và các loài bò sát sơ khai khác. Việc so sánh các xương tạo thành khoang não đặc biệt quan trọng. Những điều này trước đây các nhà khoa học không thể thấy được, nhưng với các phương pháp quét CT mạnh mẽ, giải phẫu của chúng đã được phơi bày.

Particularly surprising was what we learned about Eunotosaurus africanus, a 30cm-long burrowing reptile that lived in southern Africa some 260 million years ago. Previous studies considered it as the oldest known member of the turtle family, or a “proto-turtle”. Its broadened trunk and wide ribs looked something like a turtle shell. We studied almost all of the material of Eunotosaurus available in South African collections to address this idea once again.

Điều đặc biệt đáng ngạc nhiên là những gì chúng tôi học được về Eunotosaurus africanus, một loài bò sát đào hang dài 30cm sống ở nam Phi cách đây khoảng 260 triệu năm. Các nghiên cứu trước đây coi nó là thành viên lâu đời nhất được biết đến của họ rùa, hay một “rùa nguyên thủy”. Thân rộng và các xương sườn lớn của nó trông khá giống mai rùa. Chúng tôi đã nghiên cứu gần như toàn bộ vật liệu Eunotosaurus có sẵn trong các bộ sưu tập Nam Phi để giải quyết ý tưởng này một lần nữa.

Our working group at the Evolutionary Studies Institute studies some of the oldest rock layers from the Karoo Basin of South Africa, where Eunotosaurus is found. If Eunotosaurus was indeed a “proto-turtle”, we’d expect to find the forerunners of living lizards, crocodiles or birds (that is, reptiles) in these same layers. Paradoxically, we’ve found no other close relatives of modern reptiles at all. This made us suspect that even if turtles are ancient relatives of living birds and crocodilians, perhaps Eunotosaurus was no “proto-turtle” at all.

Nhóm làm việc của chúng tôi tại Viện Nghiên cứu Tiến hóa nghiên cứu một số lớp đá cổ nhất từ Lưu vực Karoo của Nam Phi, nơi Eunotosaurus được tìm thấy. Nếu Eunotosaurus thực sự là một “rùa nguyên thủy”, chúng tôi sẽ mong đợi tìm thấy những tiền thân của thằn lằn, cá sấu hoặc chim sống trong các lớp đá này. Trớ trêu thay, chúng tôi không tìm thấy bất kỳ họ hàng gần nào khác của bò sát hiện đại. Điều này khiến chúng tôi nghi ngờ rằng ngay cả khi rùa là họ hàng cổ xưa của chim và cá sấu sống, thì có lẽ Eunotosaurus không phải là một “rùa nguyên thủy” chút nào.

One breakthrough was reconstructing the bones of the braincase (housing the brain and ear) from high-resolution x-ray images of fossil and living reptiles. By peering inside the skull of Eunotosaurus, and comparing its bones with those of undisputed fossil turtles, we could see previously out-of-reach aspects of their anatomy for the first time.

Một bước đột phá là tái tạo xương hộp sọ (chứa não và tai) từ hình ảnh tia X độ phân giải cao của bò sát hóa thạch và sống. Bằng cách nhìn vào bên trong hộp sọ của Eunotosaurus, và so sánh xương của nó với xương của các loài rùa hóa thạch không thể tranh cãi, chúng tôi đã lần đầu tiên thấy được những khía cạnh giải phẫu trước đây nằm ngoài tầm với.

These x-ray scans revealed the very primitive anatomy of Eunotosaurus. For example, it has bones in the back of the skull that were lost in turtles and all living reptiles. Features like a slender ear bone (the stapes) and the hooked fifth toe that are present in many living reptiles and other fossil turtles were completely lacking in Eunotosaurus. In contrast, the braincase of unambiguous fossil turtles, such as Proganochelys quenstedti, shared a suite of characteristics that are found in the ancestors of crocodilians and birds, but absent in Eunotosaurus.

Các lần quét tia X này đã tiết lộ giải phẫu rất nguyên thủy của Eunotosaurus. Ví dụ, nó có các xương ở phía sau hộp sọ đã bị mất ở rùa và tất cả các loài bò sát sống. Các đặc điểm như xương tai mảnh (stapes) và ngón thứ năm cong móc, vốn có ở nhiều loài bò sát sống và các loài rùa hóa thạch khác, lại hoàn toàn không có ở Eunotosaurus. Ngược lại, hộp sọ của các loài rùa hóa thạch rõ ràng, như Proganochelys quenstedti, chia sẻ một loạt các đặc điểm được tìm thấy ở tổ tiên của cá sấu và chim, nhưng lại vắng mặt ở Eunotosaurus.

These lines of evidence provides firm anatomical support that turtles are the closest living relatives of archosaurs. When Eunotosaurus was considered a “proto-turtle”, many of these features were considered to have evolved independently in the turtle lineage. Now, we show that turtles share these features with their archosaur relatives because they inherited them from a common ancestor.

Những bằng chứng này cung cấp sự hỗ trợ giải phẫu vững chắc rằng rùa là họ hàng sống gần nhất của nhóm Archosaur. Khi Eunotosaurus được coi là một “rùa nguyên thủy”, nhiều đặc điểm này được cho là đã tiến hóa độc lập trong dòng dõi rùa. Giờ đây, chúng tôi chỉ ra rằng rùa chia sẻ những đặc điểm này với họ hàng archosaur của chúng vì chúng đã thừa hưởng chúng từ một tổ tiên chung.

These new results now place the origin of turtles where it fits better with both fossil and genetic data. When geneticists study living turtles, they compare their DNA to modern birds, crocodiles and lizards to infer evolutionary relationships. Our fossil findings now align with what those genetic comparisons have been suggesting all along: turtles branched off from the same ancestor that gave rise to crocodiles and birds.

Những kết quả mới này đặt nguồn gốc của rùa vào vị trí phù hợp hơn với cả dữ liệu hóa thạch và di truyền. Khi các nhà di truyền học nghiên cứu rùa sống, họ so sánh DNA của chúng với chim, cá sấu và thằn lằn hiện đại để suy ra mối quan hệ tiến hóa. Những phát hiện hóa thạch của chúng tôi hiện phù hợp với những gì các so sánh di truyền đó đã gợi ý từ trước: rùa đã tách ra từ cùng một tổ tiên đã sinh ra cá sấu và chim.

Instead of being a living group of relics with ancestors present in the Middle Permian, turtles, like other modern reptiles, diversified and evolved their shell in the Triassic Period, approximately 20 million years after Eunotosaurus was already extinct.

Thay vì là một nhóm hóa thạch sống với tổ tiên có mặt trong kỷ Permi giữa, rùa, giống như các loài bò sát hiện đại khác, đã đa dạng hóa và tiến hóa mai của chúng trong kỷ Trias, khoảng 20 triệu năm sau khi Eunotosaurus đã tuyệt chủng.

With turtles now firmly placed among their closest living relatives, palaeontologists will need to reassess other long-standing questions about reptile evolution. Advanced imaging techniques like computed tomography should now be applied to other enigmatic fossil groups, potentially clarifying their evolutionary relationships.

Với việc rùa hiện được xác định chắc chắn là một trong những họ hàng sống gần nhất, các nhà cổ sinh vật học sẽ cần đánh giá lại các câu hỏi lâu dài khác về sự tiến hóa của bò sát. Các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến như chụp cắt lớp vi tính (computed tomography) hiện nên được áp dụng cho các nhóm hóa thạch bí ẩn khác, có khả năng làm sáng tỏ mối quan hệ tiến hóa của chúng.

Our work highlights the fact that overlooked early reptile fossils, particularly those found in the South African fossil record, may hold the key to understanding reptile relationships.

Công trình của chúng tôi nhấn mạnh thực tế rằng các hóa thạch bò sát sơ khai bị bỏ qua, đặc biệt là những hóa thạch được tìm thấy trong hồ sơ hóa thạch Nam Phi, có thể nắm giữ chìa khóa để hiểu về mối quan hệ giữa các loài bò sát.

Valentin Buffa receives funding from the National Research Foundation of South Africa.

Valentin Buffa nhận tài trợ từ Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Nam Phi.

Jonah Choiniere receives research funding from the South African National Research Foundation, GENUS the DSTI/NRF Centre of Excellence in Palaeosciences, and from the Palaeontological Scientific Trust. He has an honorary affiliation with the American Museum of Natural History, New York, NY.

Jonah Choiniere nhận tài trợ nghiên cứu từ Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Nam Phi, GENUS – Trung tâm Xuất sắc về Cổ sinh học của DSTI/NRF, và từ Quỹ Khoa học Cổ sinh vật học. Ông có mối liên kết danh dự với Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ, New York, NY.

Julien Benoit receives funding from the DSTI-NRF African Origins Platform.

Julien Benoit nhận tài trợ từ Nền tảng Nguồn gốc Châu Phi DSTI-NRF.

Xavier Jenkins receives funding from the National Science Foundation as an NSF-EAR Postdoctoral Fellow.

Xavier Jenkins nhận tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia với tư cách là Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ NSF-EAR.