Cổ sinh vật học là gì: cách tìm, khai quật và đọc hoá thạch

Cổ sinh vật học là ngành khoa học nghiên cứu sự sống thời xa xưa qua hoá thạch: xương, vỏ, dấu chân, trứng, phân hoá đá, cả hạt sắc tố trong lông. Nhà cổ sinh tìm hoá thạch ở những lớp đá trầm tích bị xói mòn, đào và bó thạch cao để mang về phòng thí nghiệm, rồi đọc chúng bằng giải phẫu so sánh, kính hiển vi, máy chụp cắt lớp và phương pháp định tuổi phóng xạ. Công việc thật ít giống phim phiêu lưu, nhiều kiên nhẫn hơn.

Hoá thạch hình thành thế nào

Đa số sinh vật chết đi không để lại gì: xác bị ăn, bị phân huỷ, xương mục ra. Để thành hoá thạch, xác phải được vùi nhanh dưới bùn, cát hay tro núi lửa, tránh xa không khí và kẻ ăn xác. Sau đó, qua hàng triệu năm, nước ngấm khoáng chất vào lỗ rỗng của xương hoặc thay dần chất hữu cơ bằng khoáng chất. Xương hoá thành đá nhưng giữ nguyên hình dạng, có khi cả cấu trúc vi mô.

Hoá thạch không chỉ là xương. Các nhà cổ sinh chia làm hai nhóm lớn:

Một hàng dấu chân có thể kể nhiều điều hơn cả bộ xương: khoảng cách giữa các bước cho phép tính tốc độ di chuyển; nhiều hàng song song gợi ý con vật đi theo đàn.

Đọc tầng đá: từ Steno đến William Smith

Năm 1669, Niels Stensen (Steno) nêu một nguyên tắc nghe đơn giản: trong các lớp đá trầm tích chưa bị xáo trộn, lớp dưới hình thành trước, lớp trên hình thành sau. Đó là nguyên lý chồng chất — nền móng để xếp thứ tự thời gian của Trái Đất.

Đầu thế kỷ 19, người thợ đo đạc kênh đào William Smith ở Anh nhận ra mỗi lớp đá có một bộ hoá thạch riêng, xuất hiện theo trật tự cố định ở nhiều nơi. Năm 1815 ông in tấm bản đồ địa chất đầu tiên của cả một quốc gia. Từ đó, hoá thạch trở thành "đồng hồ" để đối chiếu tầng đá giữa các vùng.

Định tuổi bằng phóng xạ

Thứ tự trước sau chưa cho biết bao nhiêu năm. Con số tuyệt đối đến từ phân rã phóng xạ: một số nguyên tố trong khoáng vật núi lửa (như urani trong tinh thể zircon, hay kali–argon) phân rã với tốc độ đã biết. Đo tỉ lệ chất mẹ và chất con, người ta tính được tuổi của lớp tro. Hoá thạch kẹp giữa hai lớp tro thì tuổi nằm giữa hai con số ấy. Phương pháp carbon-14 nổi tiếng thì chỉ dùng được cho vật dưới khoảng 50.000 năm tuổi — không dùng cho khủng long.

Đi thực địa: tìm ở đâu

Hoá thạch nằm trong đá trầm tích (sa thạch, đá phiến, đá vôi), không có trong đá granite hay bazan. Nơi lý tưởng là vùng đất khô cằn, ít cây, bị gió và nước bào mòn liên tục, gọi là "đất xấu" (badlands): sa mạc Gobi ở Mông Cổ, Hell Creek ở Montana, Patagonia ở Argentina. Mưa mỗi năm bóc thêm một lớp đất, làm lộ ra xương mới.

Phương pháp chính vẫn là đi bộ, mắt dán xuống đất, tìm những mảnh xương vụn trôi xuống chân dốc rồi lần ngược lên chỗ chúng xuất phát. Các nhà cổ sinh hay nói: phần lớn phát hiện lớn bắt đầu bằng một mảnh nhỏ bằng móng tay.

Đào và bó thạch cao

1. Lộ dần hoá thạch bằng dao nhỏ, chổi, dùi; ghi chép, chụp ảnh, đo vị trí từng mảnh.
2. Phết keo làm cứng những xương giòn.
3. Đào một bệ đá quanh xương, phủ giấy ướt cách ly, rồi bọc vải bố nhúng thạch cao — giống bó bột chân gãy.
4. Khi lớp áo khô cứng, lật khối lên, bó nốt mặt dưới, rồi chở về phòng thí nghiệm. Một khối lớn có thể nặng hàng tấn.

Trong phòng thí nghiệm

Phần lớn thời gian của nghề nằm ở đây. Kỹ thuật viên dùng bút khí nén rung (air scribe), kim, kính hiển vi để gỡ từng hạt đá khỏi xương — một hộp sọ có thể mất cả năm. Hoá thạch trong đá vôi đôi khi được ngâm axit loãng để hoà tan đá mà không hại xương.

Rồi đến phần "đọc":

• Giải phẫu so sánh: so từng chiếc xương với loài đã biết, tìm đặc điểm mới để xác định loài và vị trí trên cây phả hệ.
• Cắt lát mô xương: soi dưới kính hiển vi, đếm vòng tăng trưởng như vòng gỗ để biết tuổi và tốc độ lớn.
• Chụp cắt lớp (CT), chụp synchrotron: nhìn vào bên trong hộp sọ mà không phải cắt, dựng lại não, tai trong, phôi trong trứng.
• Hoá học: đồng vị trong răng cho biết con vật ăn gì, uống nước ở đâu, thân nhiệt cao hay thấp.
• Mô hình máy tính: mô phỏng cơ bắp để ước tính lực cắn, tốc độ chạy.

Khi nhà cổ sinh cãi nhau

Ngành này có những trận cãi nổi tiếng. "Cuộc chiến xương" (Bone Wars) giữa Edward Drinker Cope và Othniel Charles Marsh ở Mỹ cuối thế kỷ 19 là ví dụ điển hình: hai người thuê người do thám, phá hoại công trường của nhau, vội vàng đặt tên loài mới. Kết quả có hơn một trăm loài khủng long mới, nhưng cũng để lại nhiều tên trùng lặp phải dọn dẹp suốt mấy chục năm sau. Cái tên Brontosaurus từng bị coi là trùng với Apatosaurus của chính Marsh, đến năm 2015 một nghiên cứu lớn lại đề xuất khôi phục nó thành chi riêng.

Khoa học tiến lên bằng cách đó: một giả thuyết được nêu, người khác kiểm tra, có khi lật lại. Điều quan trọng là bằng chứng được công bố và mẫu vật được lưu giữ ở bảo tàng để người sau kiểm tra lại.

Hoá thạch thuộc về ai

Ở nhiều nước, hoá thạch có giá trị khoa học tìm thấy trên đất công thuộc quản lý nhà nước; muốn khai quật phải có giấy phép. Một số nước như Mông Cổ, Trung Quốc cấm xuất khẩu hoá thạch có xương sống. Bộ xương bán đấu giá cho tư nhân có thể biến mất khỏi tầm nghiên cứu, vì một công bố khoa học cần mẫu vật mà ai cũng có thể đến kiểm lại.

Ở Việt Nam, hoá thạch nằm trong nhóm di sản địa chất được pháp luật bảo vệ. Ai tình cờ thấy xương hay dấu vết lạ trong đá nên chụp ảnh, ghi vị trí, để nguyên tại chỗ và báo cho chính quyền địa phương hoặc các cơ quan chuyên môn như Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam, Bảo tàng Địa chất.

Góc nhìn hôm nay: muốn theo nghề thì bắt đầu từ đâu

Nhà cổ sinh thường học sinh học hoặc địa chất ở đại học rồi đi sâu ở bậc sau đại học. Nhưng không cần là nhà khoa học mới tham gia được: nhiều phát hiện quan trọng đến từ người nghiệp dư tinh mắt, từ cô bé Mary Anning ở Lyme Regis thế kỷ 19 đến người chăn tuần lộc tìm thấy xác ma mút Lyuba năm 2007.

• Ở Việt Nam: tham quan Bảo tàng Địa chất (6 Phạm Ngũ Lão, Hà Nội), Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam; Công viên địa chất toàn cầu UNESCO Cao nguyên đá Đồng Văn (Hà Giang cũ, nay thuộc tỉnh Tuyên Quang) có nhiều điểm lộ hoá thạch sinh vật biển cổ.
• Đọc thêm: The Rise and Fall of the Dinosaurs (Steve Brusatte) kể cả đời sống thực địa của nhà cổ sinh.
• Với trẻ: làm "hoá thạch" bằng cách ấn vỏ ốc, lá cây vào đất nặn hoặc thạch cao — hiểu ngay khuôn và dấu in.