Hoá thạch là dấu tích của sinh vật cổ được lưu giữ trong đá hoặc vật liệu tự nhiên khác: xương, vỏ, lá đã khoáng hoá, khuôn in thân thể, dấu chân, hang đào, cả phân hoá đá. Phần lớn hoá thạch hình thành khi xác sinh vật bị chôn vùi nhanh trong trầm tích trước khi phân huỷ, rồi qua thời gian dài nước ngầm mang khoáng chất thấm vào thay thế hoặc lấp đầy các khoảng trống.
Tuổi của hoá thạch được xác định bằng hai cách bổ trợ. Định tuổi tương đối dựa vào vị trí các lớp đá — lớp dưới thường cổ hơn lớp trên — và các hoá thạch chỉ thị. Định tuổi tuyệt đối dựa vào sự phân rã đều đặn của đồng vị phóng xạ trong đá núi lửa nằm trên và dưới lớp chứa hoá thạch. Carbon-14 chỉ dùng được cho mẫu dưới khoảng 50 nghìn năm, nên không dùng để đo tuổi khủng long.
Vì sao hoá thạch hiếm đến vậy
Phần lớn sinh vật chết đi không để lại hoá thạch. Xác bị ăn, bị vi sinh vật phân huỷ, bị gió mưa phá vỡ trong vài ngày đến vài năm. Để thành hoá thạch, cần một chuỗi điều kiện: chôn vùi nhanh (do bùn sông, tro núi lửa, cát bão, trầm tích đáy biển), môi trường ít ôxy làm chậm phân huỷ, rồi trầm tích phải hoá đá, và đá phải tồn tại hàng triệu năm mà không bị nung chảy hay bào mòn — cuối cùng lại phải lộ ra đúng chỗ có người tìm.
Vì thế hồ sơ hoá thạch có thiên lệch rõ rệt. Sinh vật có phần cứng như vỏ, xương, răng được lưu giữ tốt hơn hẳn sinh vật thân mềm. Sinh vật sống ở biển nông và vùng trầm tích tích tụ (đồng bằng, hồ, đầm lầy) để lại nhiều hơn sinh vật sống trên núi cao hay rừng khô. Loài phổ biến, sống lâu dài có nhiều cơ hội hoá thạch hơn loài hiếm, sống ngắn.
Ngành nghiên cứu quá trình từ chết đến hoá thạch gọi là taphonomy (hoá thạch hình thành học). Hiểu nó giúp nhà khoa học không đọc sai hồ sơ: một lớp đá vắng hoá thạch chưa chắc là thời ấy vắng sinh vật, có thể chỉ là điều kiện lưu giữ kém. Đây cũng là lý do mọi con số về đa dạng sinh học cổ đại đều đi kèm phương pháp hiệu chỉnh và khoảng sai số.
Các kiểu hoá thạch thường gặp
Không phải hoá thạch nào cũng là “xương hoá đá”. Dưới đây là các dạng chính, từ phổ biến đến hiếm:
- Khoáng hoá lấp đầy: nước ngầm mang khoáng (silica, canxit, sắt) thấm vào lỗ rỗng của xương hay gỗ, lấp đầy mà giữ nguyên cấu trúc vi thể. Phần lớn xương khủng long trong bảo tàng thuộc dạng này; gỗ hoá thạch có khi giữ được cả vòng năm.
- Thay thế: chất hữu cơ gốc bị hoà tan từng phân tử và thay bằng khoáng khác, như vỏ sò bị thay bằng pyrit (“vàng của kẻ ngốc”) óng ánh.
- Khuôn và đúc: vỏ hay thân sinh vật tan đi để lại khoảng rỗng mang hình dạng (khuôn); khoảng rỗng đó về sau được lấp bởi khoáng tạo ra bản sao (đúc).
- Than hoá – nén ép: lá cây, cá, côn trùng bị ép mỏng giữa các lớp đá phiến, chỉ còn lại một màng cacbon in rõ hình dạng.
- Hổ phách: côn trùng, nhện, lông chim, có khi cả phần đuôi khủng long nhỏ bị nhựa cây bao bọc, giữ lại chi tiết ba chiều rất tinh.
- Đông lạnh và khô hoá: xác voi ma mút trong băng vĩnh cửu, xác thú khô trong hang sa mạc — giữ được da, lông, đôi khi ADN, nhưng chỉ với mẫu tương đối trẻ.
- Hoá thạch dấu vết: dấu chân, hang đào, tổ trứng, vết cắn, phân hoá đá. Chúng không phải cơ thể sinh vật nhưng kể về hành vi — thứ xương không thể kể.
Hoá thạch dấu vết đặc biệt giá trị: một chuỗi dấu chân cho biết con vật đi hay chạy, đi một mình hay theo đàn; phân hoá đá cho biết nó ăn gì. Những thông tin ấy giúp dựng lại đời sống của các loài đã mất, không chỉ hình dáng của chúng.
Mỏ hoá thạch đặc biệt: khi mô mềm cũng được giữ
Có một số địa điểm hiếm hoi mà điều kiện chôn vùi đặc biệt giữ lại cả mô mềm: da, lông, nội tạng, sinh vật thân mềm. Giới chuyên môn gọi chúng bằng thuật ngữ tiếng Đức Lagerstätte. Đây là những “cửa sổ” hiếm hoi nhìn thấy sự sống cổ đại đầy đủ hơn.
Đá phiến Burgess ở Canada, khoảng 508 triệu năm tuổi, lưu giữ các động vật thân mềm kỳ lạ của kỷ Cambri — thứ gần như không bao giờ hoá thạch ở nơi khác. Đá vôi Solnhofen ở Đức, cuối kỷ Jura, cho ta mẫu Archaeopteryx với dấu lông vũ rõ ràng. Các tầng đá ở Liêu Ninh (Trung Quốc), đầu kỷ Phấn Trắng, giữ lại hàng loạt khủng long có lông vũ nhờ lớp tro núi lửa mịn chôn vùi nhanh. Mỏ Messel ở Đức lưu giữ thú có vú và chim khoảng 47 triệu năm tuổi với cả đường viền lông và thức ăn trong dạ dày.
Từ các mẫu bảo quản kiểu này, các nhà khoa học còn tìm thấy cấu trúc nhỏ gọi là melanosome — túi sắc tố trong lông và da. Hình dạng melanosome tương ứng với một số màu, nên lần đầu tiên người ta có thể suy luận màu sắc của một vài loài khủng long nhỏ. Đây là ví dụ điển hình cho việc một kỹ thuật mới mở ra câu hỏi mà vài chục năm trước bị coi là không bao giờ trả lời được.
Định tuổi tương đối và tuyệt đối
Hai cách xác định tuổi trả lời hai câu hỏi khác nhau, và thường được dùng cùng nhau:
| Phương pháp | Trả lời câu hỏi | Dựa vào | Giới hạn |
|---|---|---|---|
| Địa tầng học | Cái nào cổ hơn cái nào | Nguyên lý chồng chất: lớp dưới hình thành trước lớp trên, nếu không bị đảo lộn | Không cho ra số năm; lớp đá có thể bị uốn, đứt gãy |
| Hoá thạch chỉ thị | Lớp đá này thuộc thời kỳ nào | Loài sống ngắn, phân bố rộng như cúc đá, trùng lỗ, conodont | Cần đã có thang chuẩn được hiệu chỉnh |
| Urani–chì (zircon) | Đá kết tinh cách đây bao nhiêu năm | Urani phân rã thành chì với chu kỳ bán rã rất dài | Chỉ đo được đá núi lửa, không đo trực tiếp đá trầm tích chứa hoá thạch |
| Argon–argon | Tuổi của tro, dung nham | Kali phóng xạ phân rã thành argon | Giống trên; mẫu phải không bị mất argon |
| Carbon-14 | Tuổi của vật chất hữu cơ trẻ | Carbon phóng xạ phân rã, chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm | Chỉ dùng cho mẫu dưới khoảng 50 nghìn năm |
Cách làm phổ biến là “kẹp” lớp hoá thạch giữa hai lớp tro núi lửa đã định tuổi. Nếu lớp tro bên dưới 76 triệu năm và lớp bên trên 75 triệu năm (ví dụ giả định), hoá thạch nằm giữa có tuổi trong khoảng đó. Khi nhiều mặt cắt trên thế giới được kẹp như vậy và đối chiếu bằng hoá thạch chỉ thị, ta có niên biểu địa chất với các mốc ngày càng chính xác.
Hoá thạch kể chuyện tuyệt chủng như thế nào
Mọi hiểu biết về các cuộc đại tuyệt chủng đều bắt đầu từ hoá thạch. Người ta ghi lại lần xuất hiện đầu và cuối của từng loài trong từng lớp đá, rồi đếm xem mỗi tầng có bao nhiêu loài mới xuất hiện, bao nhiêu loài biến mất. Một tầng có số loài biến mất vọt lên cao bất thường, ở nhiều nhóm khác nhau, trên nhiều lục địa cùng lúc, là dấu hiệu của tuyệt chủng hàng loạt.
Nhưng hoá thạch còn cho biết ai sống sót và vì sao. So sánh kích thước, chế độ ăn, môi trường sống của nhóm còn và nhóm mất giúp kiểm tra các giả thuyết về nguyên nhân: nếu sinh vật xây vỏ vôi chết nhiều hơn hẳn, đó là manh mối về axit hoá đại dương; nếu loài nhỏ, ăn tạp trụ lại, đó là manh mối về sụp đổ chuỗi thức ăn. Hoá thạch dấu vết như hang đào cũng cho biết đáy biển có còn sự sống hay đã thành vùng chết.
Với tuyệt chủng thời gần đây, xương trong hang động, trầm tích hồ và mẫu bảo tàng thế kỷ trước còn mang theo ADN và đồng vị, cho phép dựng lại quy mô quần thể, chế độ ăn, thời điểm biến mất. Vì thế các bộ sưu tập mẫu vật, kể cả những ngăn kéo xương cũ ít ai để ý, là tài sản khoa học không thể thay thế.
Từ nguyên lý Steno đến niên biểu địa chất
Ý tưởng rằng lớp đá kể chuyện theo thứ tự có lịch sử dài. Năm 1669, Nicolas Steno, một nhà giải phẫu người Đan Mạch làm việc ở Florence, phát biểu nguyên lý chồng chất và nhận ra những “lưỡi đá” tìm thấy trong núi là răng cá mập hoá thạch — không phải vật thể tự mọc trong đá như nhiều người thời ấy tin.
Đầu thế kỷ XIX, William Smith, một kỹ sư khảo sát kênh đào ở Anh, nhận ra mỗi lớp đá chứa một tập hợp hoá thạch đặc trưng và có thể dùng hoá thạch để đối chiếu các lớp đá cách xa nhau. Bản đồ địa chất nước Anh mà ông hoàn thành năm 1815 là một trong những bản đồ địa chất quy mô quốc gia đầu tiên. Cũng thời kỳ đó, Georges Cuvier ở Pháp dùng giải phẫu so sánh để chứng minh nhiều hoá thạch thuộc loài đã tuyệt chủng.
Phải đến thế kỷ XX, với phát hiện phóng xạ, các nhà khoa học mới gắn được số năm vào thang thời gian đó. Ngày nay Uỷ ban Địa tầng Quốc tế duy trì niên biểu địa chất chính thức và định kỳ cập nhật, nên các mốc như ranh giới K–Pg được nêu với độ chính xác tới vài chục nghìn năm. Khi đọc một con số như “66 triệu năm”, nên hiểu đó là một ước tính có khoảng sai số đã được đo, không phải con số đoán chừng.
Hoá thạch ở Việt Nam và cách ứng xử đúng
Việt Nam có nhiều loại hoá thạch: tay cuộn, san hô, cúc đá trong các dãy đá vôi cổ; hoá thạch thực vật trong các bể than; hoá thạch thú và người cổ trong trầm tích hang động thời Pleistocen ở miền Bắc. Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam và các viện nghiên cứu địa chất lưu giữ nhiều mẫu, và các vùng như cao nguyên đá Đồng Văn (nay thuộc tỉnh Tuyên Quang) được công nhận là công viên địa chất toàn cầu.
Nếu tình cờ thấy thứ nghi là hoá thạch, ứng xử tốt nhất là chụp ảnh tại chỗ với vật so kích thước, ghi lại vị trí chung và lớp đá, rồi báo cho cơ quan văn hoá, bảo tàng hoặc viện nghiên cứu địa phương — thay vì đục lấy mang về. Giá trị khoa học của hoá thạch nằm phần lớn ở bối cảnh: nó nằm trong lớp đá nào, cùng với những gì. Một mẫu đẹp bị bứt khỏi bối cảnh mất phần lớn thông tin.
Về pháp lý, nhiều quốc gia coi hoá thạch, đặc biệt hoá thạch có giá trị khoa học, là tài sản quốc gia hoặc di sản được quản lý; việc khai thác, mua bán, mang ra nước ngoài thường bị hạn chế. Quy định cụ thể ở Việt Nam nên được kiểm tra trong các văn bản hiện hành về di sản và khoáng sản. Cũng nên cảnh giác với hoá thạch bày bán trên mạng: nhiều mẫu là đồ giả, đồ ghép, hoặc có nguồn gốc không rõ ràng.
Câu hỏi thường gặp
Hoá thạch có phải là xương thật không?
Phần lớn hoá thạch xương khủng long là xương đã được khoáng hoá: hình dạng và nhiều cấu trúc vi thể còn nguyên nhưng thành phần hoá học đã thay đổi lớn, nên nặng như đá. Trong một số trường hợp hiếm, các nhà khoa học báo cáo dấu vết phân tử gốc, nhưng điều này vẫn còn tranh luận.
Có thể tìm được ADN khủng long không?
Không. ADN phân rã theo thời gian; ADN cổ nhất được giải trình tự đến nay có tuổi khoảng hơn hai triệu năm, từ trầm tích đóng băng ở Greenland. Với 66 triệu năm trở lên, gần như chắc chắn không còn ADN đọc được.
Dầu mỏ có phải được tạo từ xác khủng long không?
Không đúng. Phần lớn dầu mỏ hình thành từ sinh vật phù du và tảo biển chôn vùi trong trầm tích thiếu ôxy, còn than đá chủ yếu từ thực vật. Khủng long chỉ chiếm phần không đáng kể.
Làm sao biết một hoá thạch là thật hay giả?
Người thường khó tự phân biệt, vì có mẫu ghép nhiều mảnh hay đúc nhựa sơn màu. Chuyên gia dùng kính lúp, đèn cực tím, chụp cắt lớp và đối chiếu với lớp đá gốc. Mẫu bán kèm lời hứa “hiếm” mà không có nguồn gốc rõ ràng nên được nghi ngờ.
Mất bao lâu để một xác sinh vật thành hoá thạch?
Không có con số cố định. Khoáng hoá có thể bắt đầu sau vài nghìn năm, nhưng một mẫu thường được coi là hoá thạch khi có tuổi trên khoảng mười nghìn năm. Những hoá thạch cứng như đá ta thấy trong bảo tàng thường đã trải qua hàng triệu năm.
Học sinh có thể tìm hiểu hoá thạch ở đâu tại Việt Nam?
Có thể bắt đầu ở bảo tàng thiên nhiên, bảo tàng địa chất và các trung tâm khoa học tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh; một số công viên địa chất có khu trưng bày. Học sinh nên đi cùng thầy cô hoặc hướng dẫn viên để hiểu bối cảnh mẫu vật.