Meet Odontochelys semitestacea. This little creature spends its days splashing in Late Triassic swamps with a host of other reptiles. Under the surface lies its best defense against attack: a hard shell on its belly.
Hãy gặp Odontochelys semitestacea. Sinh vật nhỏ bé này sống ở các đầm lầy vào cuối kỷ Tam Điệp cùng với nhiều loài bò sát khác. Dưới thân nó là lớp bảo vệ tối ưu chống lại sự tấn công: một lớp vỏ cứng phía trên bụng.
Odontochelys is an early ancestor of the turtle. Its half-shelled body illustrates an important point about the modern turtle: it actually has two shells that develop totally separately while the turtle is still an embryo. Both are extensions of the animal’s skeleton, and together they are made of almost 60 bones.
Odontochelys là tổ tiên cổ xưa nhất của loài rùa. Cấu trúc mai chưa hoàn chỉnh của nó cho thấy một đặc tính quan trọng của loài rùa hiện đại: trên thực tế, rùa có hai lớp vỏ phát triển riêng biệt khi còn là phôi thai. Cả hai đều là phần mở rộng của khung xương, với tổng cộng gần 60 chiếc xương.
Like other embryos, turtle embryos are made of undifferentiated cells that become specific cell types, and then organs and tissues, through gene activity and communication between cells.
Giống như những loài khác, phôi thai rùa được tạo thành từ các tế bào chưa phân hóa sẽ phát triển thành tế bào chuyên biệt, rồi thành cơ quan và mô, nhờ hoạt động di truyền và giao tiếp giữa các tế bào.
At first, turtle embryos look very similar to those of other reptiles, birds, and mammals, except for a bulge of cells called the carapacial ridge. The ridge expands around the body between the neck and lower back, creating a disc shape. It guides the formation of the upper part of the turtle’s shell, called the carapace, likely by attracting the cells that will become ribs. Instead of curving downwards to make a regular rib cage, the ribs move outwards towards the carapacial ridge. They then secrete a signaling protein that converts surrounding cells into bone-forming cells. These fifty bones grow until they meet and connect with sutures. A ring of bone solidifies the carapace’s edges. The outer layer of skin cells produces the scales, known as scutes, that cover the carapace.
Ban đầu, phôi thai rùa rất giống với phôi thai của các loài bò sát, chim, và thú có vú khác, trừ phần tế bào phình ra gọi là viền mai. Viền mai chạy dài quanh cơ thể từ cổ đến hết lưng, tạo thành hình đĩa, làm tiền đề cho sự hình thành lớp vỏ bên trên gọi là mai bằng cách thu hút các tế bào xương sườn đến vùng này. Thay vì uốn cong tạo thành xương sườn như bình thường chúng phát triển theo hướng viền mai. Sau đó, tiết ra protein đặc hiệu biến các tế bào xung quanh thành tế bào xương. 50 chiếc xương này sẽ tiếp tục phát triển, liên kết lại với nhau tại viền mai. Vành xương giúp rìa mai thêm cứng chắc. Lớp da ngoài phát triển thành vảy gọi là các tấm lưng, bao phủ lấy phần mai trên.
The development of the bottom half of the shell, the plastron, is driven by neural crest cells, which can produce a variety of different cell types including neurons, cartilage and bone. A thick shield of these cells spreads across the belly, coming together in regions that produce nine plate-like bones. Eventually, these connect to the carapace by sutures.
Sự phát triển của phần vỏ dưới thân, phần yếm rùa được tạo thành từ tế bào mào thần kinh, có thể phát triển thành nhiều loại tế bào khác nhau như nơ-ron, sụn và xương. Lớp yếm dày chứa các tế bào mào thần kinh trải dài khắp bụng, tụ lại thành chín mảng cứng chắc. Cuối cùng, liên kết với mai trên qua viền mai.
A turtle’s shell has obvious advantages for guarding against predators, but the rigid casing also presents some challenges. As the turtle grows, the sutures between the bones of the carapace and plastron spread. Most mammals and reptiles rely on a flexible rib cage that expands to allow them to breathe, but turtles use abdominal muscles attached to the shell instead: one to breathe in, and one to breathe out.
Rõ ràng, mai rùa giúp bảo vệ chúng trước thú săn mồi, nhưng lớp vỏ cứng chắc cũng mang lại vài rắc rối. Khi rùa lớn lên, lớp vỏ cũng lớn theo. Hầu hết các động vật có vú và bò sát nhờ vào khung xương sườn linh hoạt giãn nở để hô hấp, nhưng rùa dùng cơ bụng gắn với mai: một để hít vào, một để thở ra.
So how did the shell evolve? Though there are still gaps in the fossil record, the first step seems to have been a thickening of the ribs. The oldest known turtle ancestor, a creature called Eunotosaurus africanus, lived 260 million years ago and looked almost nothing like a modern turtle, but it had a set of broad, flat ribs that anchored the muscles of its powerful forearms. Eunotosaurus was likely a burrowing creature, digging homes for itself in what’s now southern Africa.
Vậy mai rùa đã tiến hóa như thế nào? Dù không có đầy đủ các dữ liệu hóa thạch, ta có thể đoán bước đầu tiên là sự mở rộng của xương sườn. Tổ tiên cổ xưa nhất của loài rùa có tên Eunotosaurus africanus, sống cách đây 260 triệu năm và khác hẳn với rùa hiện đại, có khung xương sườn rộng và phẳng, gắn liền với cơ bắp của chi trước chắc khỏe. Eunotosaurus có lẽ là loài đào bới, đào tổ ở miền Nam châu Phi.
Odontochelys semitestacea illustrates another, later step in turtle evolution, with thick ribs like Eunotosaurus plus a belly plate for protection. Our first fossil evidence of the full shell characteristic of modern turtles is about 210 million years old, and belongs to a species called Proganochelys quenstedti, whose ribs had fused. Proganochelys could move between water and land. Unlike modern turtles, it couldn’t retract its head into its shell, but had defensive spines on its neck.
Odontochelys semitestacea minh họa một bước khác trong quá trình tiến hóa của rùa, có xương sườn mở rộng như Eunotosaurus và bụng hình dĩa để bảo vệ. Bằng chứng hóa thạch đầu tiên có đầy đủ đặc tính của loài rùa hiện đại có tuổi đời khoảng 210 triệu năm, và thuộc về một loài tên Proganochelys quenstedti, sở hữu xương sườn hợp nhất. Proganochelys có thể sống cả ở trên cạn lẫn dưới nước. Khác với rùa hiện đại, nó không thể thu đầu vào mai, nhưng lại có gai trên cổ để bảo vệ.
Modern turtle shells are almost as diverse as the turtles themselves. Sea turtles have flatter, lighter shells for streamlined gliding through the water. Land-dwelling tortoises, meanwhile, have domed shells that can slip free of predators’ jaws and help them turn right-side up if they fall on their backs. Leatherback and softshell turtles have shells without the ring of bone around the edge of the carapace or the tough scutes covering it, making it easier for them to squeeze into tight spaces.
Mai rùa hiện đại cũng đa dạng như chính loài rùa. Rùa biển có mai phẳng, nhẹ, dễ dàng lướt nước. Còn rùa cạn có mai hình vòm, để có thể trượt khỏi hàm thú săn mồi và giúp chúng trở mình khi ngã. Rùa da và rùa mai mềm có mai không có vành xương và vảy cứng bao phủ trên mai, giúp chúng dễ dàng len vào những không gian chật hẹp.