Liên đại Phanerozoic (4 – 4,5 tỷ năm tuổi)

Bước vào Liên Đại Hiển Sinh (Phanerozoic), Trái Đất đã chứng kiến ít nhất 5 sự thay đổi lớn trong vòng 542 triệu năm. Các lục địa tiếp tục dịch chuyển để hình thành một siêu lục địa lớn khác, sau đó lại phân tách để hình thành nên Đại Tây Dương. Khí hậu liên tục biến đổi từ nóng sang lạnh, dù không đến mức cực đoan như Liên Đại Nguyên Sinh. Oxy cùng với mực nước biển cũng đã dao động dữ dội, dâng lên và hạ xuống liên tục. 

Nhưng sự thay đổi ngoạn mục nhất đó chính là sự sống đã tiến hóa một cách triệt để và không thể quay đầu được nữa. Và tất cả những biến động tinh tế và phức tạp này đã được “trình bày” rất rõ nét nhờ vào một tập hợp hồ sơ địa chất rất đa dạng và ổn định. Đó là vô số các mẫu hóa thạch được lưu giữ một cách cẩn thận – là kết quả của việc sự sống có thể tạo ra các bộ phận “cứng cáp” hơn như răng, vỏ sò, xương và gỗ.

Trong giai đoạn này, các loài động vật và thực vật tỏ ra đặc biệt nhạy cảm đối với những thay đổi trong môi trường gần bề mặt Trái Đất và do đó, các hóa thạch của chúng đã ghi lại hết các giai đoạn thích nghi này đến các giai đoạn thích nghi khác. 

Lúc này, Trái Đất không phải là một hành tinh thay đổi chậm rãi trong hàng chục hoặc hàng trăm triệu năm mà là một thế giới tiến hóa vô cùng nhanh chóng – cứ khoảng 100.000 năm lại có một sự biến đổi rõ rệt. Đây chính là bản chất của sự sống: Động vật và thực vật, đặc biệt là những sinh vật xâm chiếm đất liền, phản ứng nhanh chóng đối với các chu kỳ thay đổi trên Trái đất – một là tiến hoá để thích nghi, hai là chết. Khi các loài cũ chết đi, các loài mới sẽ tiến lên để thay thế chúng.

Vậy thì chính xác thì quá trình này diễn ra như thế nào?

1. Màn chào sân của hoạt động địa chất

Sự dịch chuyển của các lục địa trong giai đoạn 542 triệu năm này tiếp tục tạo nên một “sân khấu” để cuộc chơi tiến hóa của Trái Đất và hệ sinh vật ngày càng đa dạng của nó có thể phát triển. Nhìn chung thì đây là một vở kịch khá đơn giản gồm ba phần.

Phần 1

Vào đầu Kỷ Cambri, cách đây 542 triệu năm, siêu lục địa Rodinia đã bị phân tách thành nhiều vùng đất rải rác. Vùng đất lớn nhất, trải dài từ cực nam đến tận phía bên kia của xích đạo, đó chính là lục địa Gondwana rộng lớn.

Các mảnh lục địa còn lại đều nằm ở phía bán cầu nam, bao gồm lõi của Laurentia (ngày nay là Bắc Mỹ và Greenland) và một số vùng đất khác (tạo nên phần lớn châu Âu ngày nay). 

Ngược lại, một đại dương khổng lồ và không có đất liền đã bao phủ lấy toàn bộ bán cầu Bắc. Trong vòng 250 triệu năm tiếp theo, hoạt động kiến ​​tạo mảng đã di chuyển tất cả các lục địa này về phương Bắc trống trải.

Phần 2

Khoảng 300 triệu năm trước, trong quá trình tiến về phương Bắc, lục địa Gondwana đã hợp nhất với Laurentia để tạo thành một siêu lục địa mới, Pangaea.

Một trong những kết quả ngoạn mục nhất của sự kiện hợp nhất này đó chính là sự biến mất của đại dương cổ đại nằm giữa Bắc Mỹ và Châu Phi, từ đó tạo thành dãy núi Appalachian hùng vĩ. Khoảng 3/4 lượng đất đai ở Pangaea gần như đã được tập trung ở bán cầu Nam. Trong khoảng 100 triệu năm, siêu đại dương Panthalassa đã bao quanh siêu lục địa Pangaea rộng lớn.

Phần 3

Cách đây 175 triệu năm, sự hình thành của vùng biển Đại Tây Dương bắt đầu khi Pangaea bắt đầu bị phân ra thành 7 phần chính. Đầu tiên, Laurentia và Gondwana đã tách ra để hình thành nên Bắc Đại Tây Dương sơ khai. Nam Cực và Úc tách ra khỏi Gondwana và tiến về phía nam để hình thành nên các lục địa riêng biệt. Một vết nứt giữa Nam Mỹ và bờ biển phía tây châu Phi đã mở ra Nam Đại Tây Dương, trong khi Ấn Độ tách ra khỏi bờ biển phía đông châu Phi và bắt đầu “hải trình” 50 triệu năm tiến về phía Bắc, cuối cùng va chạm với châu Á và tạo nên dãy Himalaya kỳ vĩ mà chúng ta thấy ngày nay.

Xuyên suốt trong khoảng thời gian lịch sử dài đằng đẵng này, các vùng đất đã di chuyển tới khắp mọi nơi, hợp rồi lại tan, không khác gì đời sống của con người chúng ta. Và những chuyển động này cũng đã tạo nên những hệ quả đáng kinh ngạc. Các đường bờ biển dài hơn đã giúp nuôi dưỡng và thúc đẩy sự sống ngày càng phát triển, tăng tốc quá trình tiến hoá và dẫn tới sự cạnh tranh ngày một khốc liệt. Các khối đất ở vùng cực đã “chế tác” nên các lớp băng dày, từ đó làm suy giảm mực nước biển. Sự thay đổi vị trí của các dãy núi và đại dương cũng đã liên tục làm thay đổi nền khí hậu trên Trái Đất. Trong suốt chiều dài lịch sử (cũng như ngày nay), mọi thứ trên Trái Đất luôn luôn được kết nối và ảnh hưởng lẫn nhau trong một vũ điệu vô cùng phức tạp.

2. Sự sống bùng nổ bên dưới đại dương

Trong vòng hàng tỷ năm, sự sống trên Trái Đất đã trải qua những thăng trầm để có thể thích nghi với khí hậu, chất dinh dưỡng, ánh sáng Mặt Trời và cùng với nhiều các yếu tố khác. 

Vào cuối đại Tân Nguyên Sinh, dựa vào các bằng chứng đến từ các trầm tích nước nông, tảo đã phát triển bùng nổ. Lần đầu tiên trong lịch sử, tảo xanh đã phát triển các chiến lược mới để có thể bám rễ vững chắc trên các vùng đất đầm lầy, từ đó làm cho các lục địa có viền màu xanh lá cây (thay vì màu cam như sao Hỏa) trên nền đại dương xanh thẳm.

Lúc này, khi nồng độ oxy trong bầu khí quyển tăng vọt, tầng ozone cũng đã bắt đầu dày lên, tạo nên một “bức tường thành” giúp bảo vệ Trái Đất khỏi các tác động chết chóc của các chùm tia cực tím đến từ Mặt Trời. Lớp bảo vệ này là một nền tảng thiết yếu giúp cho sinh quyển trên cạn có thể “trỗi dậy” và tiến hành “xâm chiếm” các vùng đất.

Tuy nhiên, thật kỳ lạ, phải mất thêm 100 triệu năm nữa thì động vật mới có thể bò lên trên đất liền. Trong một khoảng thời gian rất dài, hầu hết các “thử nghiệm” trong quá tiến hóa sinh học đều diễn ra ở những vùng biển nông và tràn ngập ánh nắng Mặt Trời. Trong khoảng 40 triệu năm, sứa và giun đa bào là các loài sinh vật thống trị tại các đại dương hậu băng hà. Vô số loài động vật thân mềm (không để lại hóa thạch) tiêu thụ các mảnh vụn dưới đáy biển để sống qua ngày và ẩn náu trong các hốc đá. 

Và rồi, vào khoảng 530 triệu năm trước, một phát kiến mới đã xuất hiện: nhiều loại động vật đã học cách “chế tác” nên lớp vỏ bảo vệ của riêng mình từ các loại khoáng chất sẵn có, thường là canxi cacbonat (CaCO₃) hoặc silica.

Phát kiến mới này có ý nghĩa rất lớn trong công cuộc đấu tranh sinh tồn, vì động vật ăn thịt thà tìm kiếm một miếng mồi mềm hơn là lãng phí năng lượng để phá vỡ lớp vỏ khoáng chất cứng ngắc. Chẳng mấy chốc, lựa chọn ở đây là tự tạo ra lớp vỏ hoặc là chết. Và hồ sơ hóa thạch mà chúng ta thu được ngày nay là vô cùng phong phú, đánh dấu một thời kỳ mà các lớp trầm tích chứa đầy những “di tích khảo cổ” của sự sống – một thời kỳ được đặt tên là “Bùng nổ kỷ Cambri”.

Tuy nhiên, từ “bùng nổ” ở đây vốn là một cách gọi gây hiểu lầm. Đây không phải là một sự biến đổi đột ngột. Sự sống phải mất hàng triệu năm để có thể tạo nên lớp khoáng chất này. Một vài loài bọt biển với gai cứng, được bảo tồn trong địa tầng Doushantuo giàu hóa thạch ở tỉnh Quý Châu, miền nam Trung Quốc, rất có thể đã học được thủ thuật này cách đây 580 triệu năm trước.

Vào khoảng 550 triệu năm trước, vào cuối Kỷ Ediacaran, nhiều loài sinh vật giống giun đã học cách chế tạo khoáng chất cacbonat thành những ngôi nhà hình ống dưới đáy đại dương. Loài động vật có vỏ đầu tiên có thể nhận biết được, mặc dù khá nhỏ và mỏng manh, đã xuất hiện trên khắp thế giới trong các lớp đá có tuổi đời khoảng 535 triệu năm. 

Sự “bùng nổ” thực sự xảy ra khoảng vài triệu năm sau đó – khoảng 530 triệu năm trước – khi tất cả các loại động vật có vỏ “đột nhiên” xuất hiện. Một cuộc “chạy đua vũ trang” đã bắt đầu diễn ra. Những kẻ săn mồi có vỏ và con mồi có vỏ ngày càng lớn hơn. Răng và móng vuốt xuất hiện, cùng với đó là lớp vỏ xương bảo vệ và gai nhọn để phòng thủ. Con mắt đã trở thành một “tính năng” bắt buộc trong thế giới trù phú và khắc nghiệt của Đại Cổ Sinh (Paleozoic).

Trải qua vô số các thế hệ sinh vật có vỏ, bộ xương cacbonat của chúng đã góp phần tạo nên những lớp đá vôi dày đặc và cứng cáp, tô điểm cho nửa tỷ năm cuối cùng trong lịch sử Trái Đất trước khi loài người xuất hiện. Những vách đá và sống núi được làm nên từ một lượng cacbonat khổng lồ chứa đầy các hóa thạch nằm rải rác trên khắp địa cầu, thống trị cảnh quan ở hàng chục quốc gia, tạo thành những đỉnh núi của dãy Rockies Canada và những vách đá trắng như sứ của Dover, thậm chí còn nằm ở trên đỉnh Everest.

Trong tất cả những sự thay đổi đáng kinh ngạc đã xảy ra tại kỷ Cambri, các ví dụ tiêu biểu nhất trong “làn sóng đổi mới” này đó chính là bọ ba thuỳ và vỏ sò có vân, vỏ brachiopod hình quả hạch và bryozoa hình quạt, bọt biển xốp và san hô đã được lưu giữ một cách cẩn thận trong các lớp đá trầm tích trên khắp thế giới.

Một trong những địa điểm ấn tượng nhất để nghiên cứu sự chuyển dịch “đột ngột” từ động vật thân mềm sang động vật có vỏ là tại ngôi làng Tiout, nép mình trong dãy núi hùng vĩ Anti-Atlas tại phía tây Ma-rốc. Hàng ngàn mét trầm tích cacbonat dựng đứng đã cung cấp một chuỗi các bằng chứng về sự kết thúc của kỷ Ediacaran và sự bắt đầu của kỷ Cambri. Loài Eofallotaspis cổ đại, có lẽ là loài bọ ba thuỳ sớm nhất, đã “kích hoạt” sự khởi đầu của kỷ Cambri, cùng với các loài khác như Choubertella và Daguinaspis.

3. Sự thay đổi của đá

Ngay tại thời điểm này, Trái Đất đang có riêng cho mình một bộ sưu tập đá khổng lồ. Và mỗi loại đá này sẽ được “chế tác” ở một vị trí và độ sâu cụ thể so với mặt nước. 

Chẳng hạn, đá sa thạch sẽ được hình thành ở các vùng thủy triều nông và gồ ghề. Các cụm đá này cũng sẽ có riêng cho mình một quần thể sò và ốc với lớp vỏ dày và chắc khỏe có thể chịu được sóng đánh mạnh.

Ngược lại, đá vôi được làm nên từ các rạn san hô cổ đại và là nơi sinh sống của một hệ động vật phong phú hơn, chẳng hạn như, ốc sên, động vật tay cuộn và bọ ba thuỳ với đôi mắt có thể quay 360^o phát triển mạnh mẽ trong các đầm phá được bảo vệ và ngập tràn ánh nắng

Xa hơn ngoài khơi, đá phiến đen được tích tụ trong các vùng nước sâu, là nơi sinh sống của các loài ăn lọc và bọ ba thùy mù.

Nếu mỗi mỏm đá lộ thiên này đã vẽ nên một bức tranh riêng biệt thì một chuỗi các lớp đá chồng lên nhau lại cho chúng ta nhìn thấy được một chuỗi các thay đổi theo trình tự thời gian. Than, được hình thành với số lượng lớn ở các vùng đầm lầy ven biển cách đây 300 triệu năm, thường nằm ở giữa các lớp đá sa thạch; và các lớp đá sa thạch này lại được bao bọc bởi đá phiến đen. Các chuỗi địa tầng như thế này: đá ​​phiến đen – đá sa thạch – than – đá sa thạch – đá phiến đen…liên tục lặp đi lặp lại đã cho thấy những thay đổi rất đáng kể về mực nước biển khi nó giảm xuống, rồi tăng lên, rồi lại giảm xuống, có lẽ là kết quả đến từ sự rút lui và tiến lên của băng ở vùng cực và các dòng sông băng.

Tới đây, một kết luận không thể tránh khỏi là trong hàng trăm triệu năm, độ sâu của đại dương đã liên tục thay đổi trong phạm vi hàng chục mét. Trong vài chục nghìn năm qua, mực nước biển đã ở mức cao hơn 46m và thấp hơn hơn 91m so với ngày nay. Không còn nghi ngờ gì nữa, những thay đổi như vậy chắc chắn sẽ định hình lại các đường bờ biển trên lục địa.

4. Sự sống bùng nổ trên cạn

Tuy vậy, sự biến đổi ngoạn mục nhất mà Trái Đất đã từng chứng kiến trong toàn bộ biên niên sử của nó đã phải chờ đến khi thực vật trên cạn xuất hiện. Một sự đổi mới như vậy đã được ghi nhận trong các mẫu hóa thạch dưới dạng các bào tử nhỏ có niên đại lên đến 475 triệu năm.

Mặc dù chúng ta chưa (thể) tìm thấy hóa thạch nào của thảm thực vật mỏng manh và dễ phân hủy từ thời điểm đó, nhưng những loài thực vật đầu tiên này có lẽ không khác gì so với rêu tản hiện đại (liverworts) – những hậu duệ nhỏ bé, không có rễ và chỉ có thể sinh sống ở những nơi ẩm ướt và râm mát.

Trong vòng hơn 40 triệu năm, tại các tầng đá trên khắp thế giới, các bào tử vẫn là những bằng chứng vật lý duy nhất về một hệ thực vật sinh sống ở trên cạn. Trong khoảng 30 triệu năm tiếp theo, các bào tử giống rêu tản ngày càng trở nên ít phổ biến hơn, trong khi những bào tử giống như các loài rêu hiện đại và thực vật có mạch đơn giản bắt đầu chiếm ưu thế.

Các bằng chứng đến từ Scotland, Bolivia, Trung Quốc và Úc đã chứa những hóa thạch lâu đời nhất về những tàn tích rời rạc của cây thạch tùng (club mosses) và các loài được cho là tổ tiên của thực vật có mạch hiện đại (những loài có hệ thống giúp vận chuyển nước và chất dinh dưỡng ở bên trong). Do không có hệ thống rễ vững chắc, những loài thực vật thấp bé và mập mạp này thường chỉ có thể phát triển ở những vùng đất thấp và ẩm ướt.

Theo thời gian, các loài thực vật sơ khai ngày trở nên phổ biến và phát triển vô cùng mạnh mẽ. Khoảng 400 triệu năm trước, thực vật có mạch nguyên thủy đã bắt đầu xâm chiếm những vùng đất cằn cỗi trên khắp thế giới. Chúng xuất hiện dưới dạng những bụi cây nhỏ, khẳng khiu và không lá, với thân và cành màu xanh lục hướng về phía Mặt Trời để thực hiện quá trình quang hợp và chỉ nhô lên trên mặt đất vài cm. Rễ của chúng bám sâu vào lòng đất giúp tìm kiếm chất dinh dưỡng và tạo ra một điểm tựa vô cùng vững chắc trên các mảnh đất lộng gió.

Bằng chứng của các sinh vật này đến từ các mẫu hóa thạch nằm bên trong các mảnh đá phiến Rhynie 400 triệu năm tuổi ở Aberdeenshire, Scotland. Thảm thực vật Rhynie đã được “cứu vớt” khỏi sự phân hủy khi các suối nước nóng đã bao quanh mô của chúng bằng dòng nước giàu khoáng chất, niêm phong kín và thay thế một phần mô thực vật bằng các hạt silica mịn.

Những mẫu hóa thạch này đã hé lộ một khung cảnh xa lạ đến từ quá khứ sâu thẳm, nơi Trái Đất được bao phủ bởi các loài thực vật phân nhánh giống như thân cây, mỗi loài đều có thân màu xanh lá cây có khả năng quang hợp nhưng không có lá.

Bên cạnh đó, các mẫu hóa thạch đá phiến Rhynie chứa rất nhiều cacbon – và là cacbon có đồng vị nhẹ, một dấu hiệu vô cùng thuyết phục về nguồn gốc sinh học của nó. Ngoài ra, sự phân bố cacbon đã làm nổi bật cấu trúc hình ống đặc trưng của những loài thực vật có mạch sơ khai này

Không dừng lại ở đây, đá phiến Rhynie còn cho chúng ta biết rằng một sinh vật bí ẩn cao khoảng 9,6 mét – ngày nay được gọi là Prototaxites – là loài sinh vật lớn nhất được từng được biết đến trên đất liền cách đây khoảng 400 triệu năm.

Hóa thạch của loài sinh vật này rất bí ẩn vì chúng dường như không có một cấu trúc tế bào giống như các loài thực vật nhỏ hơn. Thay vào đó, “thân cây” của chúng dường như được cấu tạo từ các cấu trúc dạng ống đan xen rất phức tạp.

5. Những bước tiến tiếp theo của sự sống

Như vậy, cách đây khoảng 400 triệu năm trước, các sinh vật hoàn toàn có thể sinh sống khá thoải mái trên đất liền – nơi có rất nhiều oxy, nước và thực vật cũng như chúng có thể trú ẩn bên dưới những quần thể Prototaxites khổng lồ. Nhưng cảnh quan lúc này hẳn là vô cùng kỳ lạ: Trái Đất có những thân cây xanh và cành cây xanh nhưng lại hoàn toàn không có lá.

Và để có thể làm cho những chiếc lá đầu tiên xuất hiện, thực vật đã phải mất thêm hàng chục triệu năm tiến hoá nữa – một bước phát triển mang tính đột phá và làm tăng thêm áp lực trong cuộc đấu tranh tiến hóa nhằm giành lấy ánh sáng Mặt Trời. Loài cây cao nhất với những chiếc lá lớn nhất chắc chắn sẽ được hưởng những lợi thế vô cùng to lớn và do đó, những cây dương xỉ hình quạt, cành cây phân nhánh và thân cây gỗ chắc khỏe đã phát triển một cách bùng nổ.

Vào khoảng 360 triệu năm trước, các cánh rừng đã nổi lên như một hệ sinh thái trên cạn hoàn toàn mới. Lần đầu tiên trong lịch sử, các vùng đất rộng lớn trên Trái Đất đã khoác lên mình một màu xanh ngọc lục bảo.

Và sự trỗi dậy của các loài thực vật trên cạn – một số loài đã đạt đến kích thước khổng lồ như cây thân gỗ – đã gây ra những hệ quả sâu sắc về mặt khoáng vật học. Tốc độ phong hóa của nhiều loại đá – bao gồm bazan, granit và đá vôi – đã tăng lên gấp mười lần do các hoạt động của rễ cây và các quá trình sinh hóa kèm theo. Đất giàu khoáng chất và các vật liệu hữu cơ cùng với vô số các loài vi sinh vật đã cung cấp một môi trường sống ngày càng phong phú cho rất nhiều loài thực vật và nấm khác.

Hệ thống rễ cũng đã có những thay đổi theo những cách rất đáng chú ý, quan trọng nhất đó chính là mối quan hệ cộng sinh giữa rễ cây và cộng đồng vi khuẩn cũng như mạng lưới sợi nấm vô cùng phức tạp. 

Đầu tiên đó chính là vi khuẩn cố định đạm (rhizobia) – một loài sinh vật cộng sinh với rễ cây họ đậu để tạo thành các cấu trúc chuyên biệt gọi là nốt sần, nơi diễn ra quá trình khử nitơ trong bầu khí quyển thành amoniac nhờ vào enzyme nitrogenase. Thông qua quá trình cố định nitơ này, thực vật có thể tận dụng triệt để nguồn nitơ vô tận đến từ bầu khí quyển, đồng thời góp phần làm gia tăng độ phì nhiêu của đất và tạo điều kiện cho vi khuẩn cố định đạm có được “đồ ăn” (đó chính là glucose được tạo ra thông qua quá trình quang hợp) cũng như có một “ngôi nhà” an toàn.

Thứ hai đó chính là mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật và nấm rễ (mycorrhizae) – nơi nấm được tích hợp vào các cấu trúc của rễ cây. Nhờ vào mối quan hệ “làm ăn” này, nấm sẽ giúp gia tăng diện tích bề mặt của hệ rễ, từ đó hỗ trợ thực vật hấp thụ phốt phát và các khoáng chất thiết yếu (nhưng khan hiếm) khác, chẳng hạn như kẽm và đồng từ đất. Ngược lại, nấm sẽ hấp thụ chất dinh dưỡng như đường từ rễ cây.

Không dừng lại ở đây, loài nấm này cũng có thể hoạt động giống như một rào cản vật lý đối với các tác nhân gây bệnh, kích hoạt các cơ chế phòng vệ và tham gia sản xuất kháng sinh để chống lại những kẻ “ngoại lai” này.

Động vật cũng đã có cho mình những bước tiến mới khi thực vật bắt đầu mở rộng ở khắp mọi nơi. Động vật không xương sống, chẳng hạn như côn trùng, nhện, giun và các loài sinh vật nhỏ bé khác – là những người “khai hoang” đất liền lần đầu tiên. Động vật có xương sống, ban đầu xuất hiện dưới dạng cá không hàm nguyên thủy khoảng 500 triệu năm trước, đã trải qua hơn 100 triệu năm tiến hóa trong đại dương trước khi chúng thực hiện những nỗ lực đầu tiên vô cùng khó khăn để có thể xâm chiếm đất liền.

Những loài cá bọc thép hung dữ với hàm răng sắc nhọn bằng xương xuất hiện cách đây khoảng 420 triệu năm; các loài cá mập sụn và cá có xương đã xuất hiện và đa dạng hóa trong vòng 20 triệu năm tiếp theo. Nhưng đất liền hoàn toàn không có động vật có xương sống.

Việc phát hiện ra những mẫu hóa thạch xương cá có tuổi đời lên đến 395 triệu năm ở Trung Quốc đã cung cấp những bằng chứng sớm nhất về quá trình chuyển đổi từ cá có vây sang động vật bốn chân sống trên cạn. Trong vòng ít nhất 20 triệu năm, một số loài cá đã sinh sống ở môi trường ven biển nông, đôi khi là tương đối khô cằn. Lúc này, một số loài cá đã phát triển ra một bộ phổi nguyên thủy và mạo hiểm tiến lên cạn. Những mẫu hóa thạch lâu đời nhất từng được biết đến của một loài động vật bốn chân đầu tiên sống trên cạn – đó là một loài cá biết đi với bàn chân giống vây – đến từ các lớp đá có niên đại khoảng 375 triệu năm, có tên là Tiktaalik.

Quá trình chuyển đổi dần dần từ loài cá sang loài lưỡng cư diễn ra trong khoảng 30 triệu năm, với các sinh vật ngày càng thích nghi với cuộc sống ở trên cạn nhưng vẫn giữ lại những đặc điểm giải phẫu đặc trưng của cá. Các loài lưỡng cư thực sự đầu tiên xuất hiện khoảng 340 triệu năm trước, vào giữa Kỷ Than Đá (Carboniferous) – một thời kỳ mà các khu rừng đầm lầy phát triển rất mạnh ở các vùng đất trũng trên khắp thế giới.

Những loài lưỡng cư đầu tiên, được đặc trưng bởi hộp sọ rộng, phẳng và được trang bị bàn chân xòe ra năm ngón, đôi tai để lắng nghe âm thanh truyền đi trong không khí cùng với hàng tá các “tính năng” hoàn toàn mới, rõ ràng là chúng rất khác biệt so với các tổ tiên ban đầu của chúng.

Tại Kỷ Than Đá, bề mặt của Trái Đất đã được bao phủ bởi những khu rừng dương xỉ xanh tươi và rậm rạp, những đầm lầy ẩm ướt và những đồng cỏ tốt tươi với số lượng ngày càng tăng của các loài côn trùng, lưỡng cư và các loài sinh vật khác.

Dẫu sự sống đã vươn lên và phát triển một cách vô cùng mạnh mẽ nhưng đây không phải là con đường trải toàn hoa hồng: Khí hậu thường xuyên thay đổi thất thường, hạn hán và lũ lụt xảy ra liên tục cũng như những vụ va chạm thiên thạch và siêu núi lửa phun trào bất thường đã gây ra những thiệt hại không thể đong đếm được cho các dạng sống trên toàn bộ hành tinh này. Tuy nhiên, sự sống là một thứ gì đó rất kỳ lạ và cứng đầu – Trái Đất và hệ sinh vật của nó đã chứng tỏ khả năng phục hồi kỳ diệu trước các tác động tưởng chừng như không thể vực dậy. Sự sống luôn luôn tìm cách để có thể thích nghi.

6. Thảm họa Oxy lần thứ ba?

Khoảng 300 triệu năm trước, các khu rừng trên Trái Đất đã phát triển vô cùng mạnh mẽ. Thật vậy, một lượng lớn sinh khối thực vật đã được tạo ra và bị chôn vùi nhiều đến mức một loại đá mới – than đá màu đen giàu cacbon (do đó đã làm nên Kỷ Than Đá – Carboniferous) bắt đầu được “sản xuất” hàng loạt.

Một hệ quả từ quá trình cô lập carbon hữu cơ này là sự gia tăng lượng oxy trong bầu khí quyển. Lượng oxy tăng lên đều đặn, chiếm khoảng 18% bầu khí quyển cách đây 380 triệu năm lên đến 25% vào khoảng 350 triệu năm trước và đạt tới mức hơn 30% cách đây 300 triệu năm. Thậm chí, theo một số ước tính, hàm lượng oxy trong bầu khí quyển đã tăng vọt lên đến hơn 35% trong một khoảng thời gian ngắn. Vậy thì làm sao mà chúng ta có thể biết được những điều này?

Những con số cực đoan này không đơn giản chỉ là phỏng đoán: những mẫu hổ phách tuyệt đẹp – tức là nhựa cây đã bị hóa thạch lưu giữ những bong bóng khí mang theo bầu khí quyển cổ đại có nồng độ oxy lên đến hơn 30%.

Động vật tất nhiên là được hưởng lợi từ lượng oxy tưởng chừng như vô tận này. Nhiều oxy hơn có nghĩa là nhiều năng lượng hơn và tốc độ trao đổi chất sẽ tăng lên. Một số sinh vật đã tận dụng nguồn năng lượng dồi dào này bằng cách phát triển lớn hơn rất rất nhiều. Nổi bật nhất là những loài côn trùng khổng lồ, chẳng hạn như những con chuồn chuồn khổng lồ với sải cánh dài tới hơn 60cm.

Lượng oxy tăng lên cũng làm gia tăng mật độ của bầu khí quyển và làm cho việc bay lượn trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Các loài động vật khác chắc chắn đã di cư đến những vùng đất cao hơn – những nơi mà trước đây vốn dĩ không thể sinh sống được. Với bầu không khí đậm đặc oxy, giờ đây chúng đã có thể hít ​​thở mà không gặp phải một chút khó khăn nào.

Trong hàng chục triệu năm, sự sống trên siêu lục địa Pangaea đã phát triển rất mạnh mẽ. Khí hậu ôn hòa, tài nguyên dồi dào và sự sống liên tục tiến hóa và đổi mới. Nhưng rồi, đột nhiên, cách đây khoảng 251 triệu năm, tất cả đã sụp đổ trong một sự kiện tuyệt chủng thảm khốc nhất trong lịch sử Trái Đất.

7. Sự kiện Đại Tuyệt Chủng kỷ Permi – Trias

Trong vòng 540 triệu năm, các mẫu hóa thạch đã được tích tụ với số lượng vô cùng lớn với hàng trăm nghìn loài san hô và huệ biển, các loài tay cuộn và động vật thân mềm cũng như sò và ốc. Thậm chí, các chuyên gia còn ước tính rằng có tới hơn 20.000 loài bọ ba thùy khác nhau. Nếu chỉ xét riêng bọ ba thùy đã sinh sống trên Trái Đất trong khoảng 180 triệu năm (từ khoảng 430 đến 250 triệu năm trước), trung bình cứ vài nghìn năm thì lại xuất hiện một loài bọ ba thùy mới. Nếu tính đến tất cả các sự đa dạng của những mẫu hóa thạch thì trung bình, mỗi thế kỷ sẽ phải xuất hiện thêm một vài loài mới.

Và rồi, mọi thứ đột nhiên bị xoá sạch trong sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi – Trias. 

Các sự kiện gây ra những mất mát to lớn này thường rất khó có thể được nhận biết trong các hồ sơ hóa thạch. Để có thể tìm ra được những sự kiện thảm khốc này, các nhà nghiên cứu phải phân tích rất tỉ mỉ từng lớp hoá thạch ở khắp mọi nơi trên thế giới. Sau hàng thập kỷ nỗ lực, ngày nay chúng ta đã biết được rằng Trái Đất đã chứng kiến 5 cuộc Đại Tuyệt Chủng trong hơn 540 triệu năm. Khi các dữ liệu bắt đầu đổ về nhiều hơn, dường như đã có tới 15 sự kiện tuyệt chủng hàng loạt khác với mức độ ít nghiêm trọng hơn.

Kết thúc Đại Cổ Sinh (Paleozoic), cách đây 251 triệu năm, Trái Đất đã chứng kiến ​​sự kiện tuyệt chủng hàng loạt lớn nhất trong lịch sử. Ước tính có tới hơn 70% các loài sinh vật trên cạn và 96% các loài sinh vật biển đã bị xoá sạch (bao gồm tất cả các loài bọ ba thuỳ). Chưa bao giờ Trái Đất lại mất đi nhiều loài sinh vật đến như vậy.

Các nhà khoa học vẫn chưa thể thống nhất về nguồn cơn gây ra sự kiện Đại Tuyệt Chủng này. Rất nhiều nguyên nhân đã có thể xảy ra. Thứ nhất, nồng độ oxy đã bắt đầu giảm xuống từ mức rất cao trong Kỷ Than Đá (35%) trở về mức 20%. Dù rằng lượng oxy này vẫn là đủ để giúp các loài sinh vật có thể duy trì sự sống nhưng có lẽ đã gây ra rất nhiều khó khăn cho những loài động vật cần nhiều oxy hơn để có thể trao đổi chất. 

Bên cạnh đó, vào cuối Đại Cổ Sinh, ​​một giai đoạn lạnh đi toàn cầu và một kỷ băng hà nhỏ đã quét qua Trái Đất với một lớp băng dày bao phủ các vùng cực Nam của Pangaea. Lúc này, sự sụt giảm rất mạnh của mực nước biển đã làm lộ ra các thềm lục địa trên toàn thế giới. Thềm lục địa là khu vực có năng suất sinh học rất cao; vì vậy, việc mất đi một phần lớn diện tích của các vùng ven biển nông này sẽ hạn chế sự phát triển của các rạn san hô và các hệ sinh thái nước nông đa dạng khác, thu hẹp toàn bộ chuỗi thức ăn bên trong đại dương.

Không dừng lại ở đây, các hoạt động núi lửa quy mô lớn vào cuối Đại Cổ Sinh gần như trùng khớp với sự kiện tuyệt chủng này cách đây khoảng 251 triệu năm. Vụ phun trào kèm theo lượng dung nham bazan khổng lồ ở Siberia này chắc chắn đã gây tổn hại nghiêm trọng đến môi trường trên Trái Đất. 

Trong hàng trăm nghìn năm, các đợt tro và bụi núi lửa sẽ làm giảm lượng bức xạ Mặt Trời có thể đi tới mặt đất và làm trầm trọng thêm bất cứ kỷ băng hà nào. Việc giải phóng một lượng lớn các hợp chất lưu huỳnh độc hại sẽ dẫn đến mưa axit và tiếp tục làm suy thoái môi trường nhiều hơn nữa. 

Như thể tất cả các tác động tiêu cực này vẫn là chưa đủ, một số nhà khoa học đã chỉ ra rằng sự sụp đổ của tầng ozone cũng có thể là một yếu tố quan trọng khác “góp sức” vào sự kiện tuyệt chủng hàng loạt lớn nhất trên Trái Đất. Các mẫu hóa thạch của các bào tử đột biến vào cuối Đại Cổ Sinh từ Nam Cực cho đến Greenland chính là những bằng chứng không thể chối cãi. Có lẽ khí thải từ núi lửa ở khu vực Siberia đã kích hoạt các phản ứng hóa học ở tầng khí quyển trên cao, từ đó đã phá vỡ sự cân bằng của tầng ozone và mở đường cho các bức xạ tia cực tím chết chóc gây ra các đột biến không mong muốn.

Dù gì đi nữa thì sự kiện Đại Tuyệt Chủng này đã để lại một khoảng trống sinh thái khổng lồ. Và sự sống đã phải mất hơn 30 triệu năm để có thể phục hồi. Và như một quy luật lặp đi lặp lại sau mỗi sự kiện tuyệt chủng, những mất mát đã tạo ra những cơ hội mới. Một kỷ nguyên mới có tên là Đại Trung Sinh (Mesozoic) đã chứng kiến ​​sự tiến hóa của các loài động – thực vật mới để lấp đầy những khoảng trống đã bị bỏ lại.

8. Nhiều sự kiện tuyệt chủng hơn nữa…

Xuất hiện vào khoảng 230 triệu năm trước, khủng long là những loài được hưởng lợi đầu tiên từ sự kiện tuyệt chủng hàng loạt vào cuối Đại Cổ Sinh (Paleozoic). Những loài bò sát này đã nhanh chóng đa dạng hóa và lan rộng vào mọi hốc sinh thái trong hơn 160 triệu năm.

Sau một khoảng thời gian tính từ sự kiện Đại Tuyệt Chủng, khủng long đã phải cạnh tranh rất gay gắt với các loài lưỡng cư khổng lồ, nhưng sự kiện tuyệt chủng kỷ Trias – Jura cách đây 205 triệu năm (trùng với một đợt phun trào núi lửa khổng lồ khác) đã xóa sổ hầu hết các loài lưỡng cư có xương sống – ngoại trừ khủng long. Và thế là các loài bò sát này đã thừa thắng xông lên.

Dù rất nổi tiếng nhưng khủng long chỉ là một trong những loài động vật hấp dẫn và lôi cuốn nhất đã từng tồn tại trong Đại Cổ Sinh (Mesozoic). Các mẫu hóa thạch phổ biến khác trong ​​thời kỳ này đó chính là các loài động vật chân đầu có vỏ cuộn tròn một cách tinh tế và tao nhã được gọi là cúc đá (ammonite) – một lớp vỏ vô cùng đẹp với cấu trúc xoắn ốc và bề mặt óng ánh. Trong 160 triệu năm, các loài cúc đá đã tiến hóa và phát triển trong các đại dương của Đại Cổ Sinh.

Đây cũng là khoảng thời gian chứng kiến ​​rất nhiều các phát kiến sinh học quan trọng khác. Thực vật có hoa đã xuất hiện lần đầu tiên cùng với các loài động vật có vú nhỏ bé. Và cũng giống như mọi giai đoạn quan trọng khác trong lịch sử của Trái Đất, đã có nhiều thay đổi về mặt địa lý đi kèm với sự phát triển trong thế giới sinh học. Pangaea bắt đầu tan rã và Đại Tây Dương bắt đầu được hình thành. Nồng độ oxy trong bầu khí quyển tiếp tục giảm xuống mức 15% và bật tăng trở lại ở mức 21% giống như hiện nay, cùng với đó là mực nước biển liên tục dâng lên rồi lại hạ xuống.

Và rồi, vào khoảng 65 triệu năm trước, một tiểu hành tinh có đường kính rơi vào khoảng 1,8 km đã va chạm với Trái Đất ở gần bán đảo Yucatán ngày nay. Ngay sau đó, một trận sóng thần kinh hoàng đã quét qua toàn bộ hành tinh cộng với những đám cháy lớn đã thiêu rụi toàn bộ các lục địa rộng lớn. Lúc này, những đám mây khí khổng lồ đến từ các đám cháy này đã che khuất toàn bộ Mặt Trời và làm tê liệt quá trình quang hợp.

Giống như sự kiện Đại Tuyệt Chủng vào cuối Đại Cổ Sinh, một loạt các vụ phun trào núi lửa lớn ở Ấn Độ rất có thể đã làm thay đổi thành phần hoá học trong bầu khí quyển của Trái Đất và làm suy yếu hệ sinh thái của nó trong hàng trăm nghìn năm. Bên cạnh đó, mực nước biển suy giảm dường như đã làm lộ ra phần thềm lục địa, làm đảo lộn chuỗi thức ăn của đại dương và tiêu diệt gần như toàn bộ các loài cúc đá – chỉ còn lại 8 trong số hàng nghìn loài. Đây được gọi là sự kiện tuyệt chủng kỷ Cretaceous – Paleogene.

Dù sao thì tất cả các loài khủng long – ngoại trừ loài chim – đều đã tuyệt chủng, từ đó mở ra cơ hội cho các loài động vật có vú. Những loài động vật nhỏ bé này đã sinh sống bên cạnh những người anh em khủng long to lớn hơn và phát triển rất mạnh mẽ sau sự kiện tuyệt chủng của khủng long. Trong vòng 10 triệu năm sau vụ phun trào núi lửa khổng lồ ở Ấn Độ và vụ va chạm thiên thạch kinh hoàng, các loài động vật có vú đã bắt đầu đa dạng hóa. Trong vòng 15 triệu năm, tổ tiên ban đầu của cá voi, dơi, ngựa và voi đã tiến hóa.

Vì vậy, các sự kiện tuyệt chủng hàng loạt đã liên tục “sàng lọc” sự sống trên Trái Đất, có lẽ không chỉ riêng trong khoảng thời gian hơn 540 triệu năm này. Vậy thì liệu có bất kỳ sự kiện tuyệt chủng hàng loạt nào khác trước đó không? Trước “vụ nổ Cambri”, hầu như không có bất kỳ mẫu hóa thạch của các sinh vật to lớn nào được ghi lại. Nhưng chúng ta có thể chắc chắn rằng các loài vi sinh vật hẳn đã phải trải qua rất nhiều những giai đoạn khủng hoảng và mất mát. Chắc chắn phải có những vụ va chạm thiên thạch khổng lồ và các đợt phun trào núi lửa tàn khốc đã “quét đi” một lượng lớn sự sống trên bề mặt của Trái Đất. Chắc chắn sự sống đã liên tục bị đe dọa trong các giai đoạn Trái Đất bị đóng băng. Có thể đã có hàng trăm vụ tuyệt chủng hàng loạt bắt đầu từ buổi bình minh của sự sống. Nhưng chúng ta có lẽ sẽ chẳng thể nào biết được một cách chính xác khi câu trả lời đã bị chôn vùi trong dòng cát của thời gian.

9. Những con người đầu tiên

Trong suốt khoảng 99,9% thời gian tồn tại và phát triển của Trái Đất, con người không hề xuất hiện. Chúng ta chỉ là một khoảnh khắc vô cùng ngắn ngủi trong suốt chiều dài lịch sử dài đằng đẵng của hành tinh.

Sự trỗi dậy của Homo Sapiens bắt nguồn từ những loài gặm nhấm đã sống sót sau vụ va chạm thiên thạch khổng lồ cách đây 65 triệu năm. Khoảng vài triệu năm sau sự kiện khủng long bị tuyệt chủng, các loài thú có vú đã lan rộng vào các hốc sinh thái trống trải, tiến vào các cánh đồng và rừng rậm xanh tươi; những ngọn núi cao vút và những sa mạc khô cằn, bay lên trời và bơi xuống các đại dương sâu thẳm.

Tuy nhiên, 65 triệu năm này là một khoảng thời gian không hề dễ dàng. Rất nhiều các loài thú có vú “mới nổi” này đã chết trong các sự kiện tuyệt chủng “nhỏ” cách đây 56, 37 và 34 triệu năm. 

Cuối cùng, loài người chúng ta chính là những hậu duệ của những loài sống sót sau các thảm họa cuối cùng này. Và dòng dõi của Homo Sapiens đã tách ra từ một tổ tiên chung với loài tinh tinh cách đây khoảng 7 tới 8 triệu năm trước ở trung tâm của châu Phi.

Trong khi đó, sự hồi sinh của kỷ băng hà đã bắt đầu vào khoảng 20 triệu năm trước, sau đó tiếp tục gia tăng về cường độ và tần suất. Trong vòng 3 triệu năm qua, các chỏm băng đã lan ra từ các cực ít nhất 8 lần để bao phủ lấy những vùng đất rộng lớn. Mặc dù không khắc nghiệt như các kỷ băng hà trước đó nhưng nó vẫn có thể làm cho mực nước biển sụt giảm lên đến hàng trăm mét. Các “cây cầu” làm từ băng đã nối liền châu Á và Bắc Mỹ, cho phép hàng tá các loài động vật có vú, chẳng hạn như voi ma mút, voi răng mấu và con người chúng ta di chuyển đến Tân Thế giới.

Trong suốt hàng thiên niên kỷ tiếp theo, số phận của con người là phải chịu đựng và thích nghi với những thay đổi lặp đi lặp lại này. Những kỷ băng hà đến rồi lại đi – được thay thế bằng những thời kỳ “gian băng” ấm áp một cách bất thường; hạn hán rồi đến lũ lụt; nước biển rút rất nhanh rồi lại dâng cao trở lại. Tuy nhiên, những chu kỳ này diễn ra một cách rất từ từ và kéo dài qua nhiều thế hệ, tạo điều kiện cho những gã “du mục” có nhiều thời gian hơn để có thể di chuyển và sinh tồn.

10. Kết thúc loạt bài

Như vậy, trong hơn nửa tỷ năm cuối cùng trong lịch sử của Trái Đất, chúng ta đã chứng kiến ​​sự tương tác vô cùng phức tạp giữa sự sống đối với các hệ thống sinh học và địa chất khác trên hành tinh. Vào buổi bình minh của Trái Đất, các viên đá mang theo rất nhiều các loại hợp chất hữu cơ, nước và không khí đã làm nên sự sống. Đổi lại, sự sống đã làm thay đổi bầu khí quyển bằng cách liên tục bơm thêm oxy, từ đó tiếp tục bổ sung “dinh dưỡng” và làm biến đổi các vùng đất rộng lớn bằng những loại khoáng vật và tinh thể hoàn toàn mới, từ đó nuôi dưỡng thêm nhiều sự sống hơn nữa và trở thành mái nhà của vô số các loài thực vật và động vật.

Xuyên suốt trong chiều dài lịch sử của Trái Đất, không khí, biển cả, đất liền và sự sống đã được định hình bởi rất nhiều các yếu tố khác nhau: năng lượng đến từ ánh sáng Mặt Trời; nhiệt lượng nằm ở sâu bên trong Trái Đất; tính chất hoá học kỳ diệu của nước; tính linh hoạt của cacbon; khả năng dễ phản ứng của oxy và sự đối lưu không ngừng ở sâu bên trong lớp vỏ Trái Đất đã tạo ra các trận động đất, núi lửa, công cuộc “di cư” không ngừng của các mảng lục địa và những thay đổi trong nền khí hậu, chu kỳ băng hà và nóng lên…

Ngày nay, giữa tất cả những lực lượng tưởng chừng như không thể kiểm soát này, loài người chúng ta đã chứng tỏ được sự kiên cường, thông minh và khả năng thích nghi kỳ diệu. Chúng ta đã học được rất nhiều những thủ thuật để có thể định hình thế giới theo ý muốn của mình: chúng ta khai thác và tinh chế kim loại, bón phân và canh tác đất đai, chuyển hướng và khai thác dòng chảy của các con sông, chúng ta đào và đốt nhiên liệu hóa thạch và để lại rất nhiều các hậu quả khó lường theo sau. 

Lúc này, chúng ta mới bắt đầu nhận ra rằng thế giới có thể thay đổi tàn khốc đến mức nào và hoàn toàn thờ ơ với những khát vọng phù du của chúng ta ra sao.