Nóng lên toàn cầu châm ngòi bùng nổ tiến hóa

ThienNhien.Net – Các nhà nghiên cứu tin rằng, chỉ trong vài năm hay vài thập kỷ, động thực vật đã có thể tiến hóa để thích nghi với một thế giới đang ấm dần lên. Một số loài không thể thích ứng kịp sẽ bị tuyệt chủng, nhưng những loài khác sẽ tiến hóa và chọn lọc tự nhiên giúp chúng tồn tại trong một môi trường đã thay đổi.

Thế giới tự nhiên đang thay đổi để thích nghi

Năm 1997, Arthur Weis, khi đó còn giảng dạy tại Đại học California (Hoa Kỳ), đã thu gom một ít hạt cải để nghiên cứu. Khi nghiên cứu hoàn thành, ông quyết định không vứt xô hạt đi mà để nó vào một chiếc lò ấp lạnh và khô ráo, dù chẳng có lý do gì đặc biệt. Song giờ đây Weis rất hài lòng vì đã làm như vậy. Khi một đợt hạn hán nghiêm trọng xảy ra ở phía nam California, Weis đã có dịp mang xô hạt giống kia ra tiến hành một thí nghiệm.

Năm 2004, ông và các đồng sự thu nhặt thêm hạt cải ở nơi đã lấy hạt cải bảy năm trước đó. Họ lấy số hạt giống đã thu nhặt năm 1997 trong lò ra rồi gieo cả hai loại hạt trong điều kiện như nhau. Các hạt giống mới lớn lên thành các cây có kích thước nhỏ hơn, ít hoa hơn và đặc biệt là vào mùa xuân chúng ra hoa sớm hơn tám ngày. Như vậy, biến đổi khí hậu đã khiến cây cải tiến hóa chỉ trong một vài năm.

Weis tin rằng thí nghiệm của ông chỉ là một sự báo trước cho những điều sắp xảy ra. Hiện tượng nóng lên toàn cầu sẽ làm nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng, đồng thời cũng khiến khí hậu thế giới có thêm nhiều biến đổi, chẳng hạn, sẽ có thêm nhiều đợt hạn hán ở California. Weis cũng như những nhà nghiên cứu khác tin chắc rằng, cuộc sống vì thế sẽ trải qua một sự bùng nổ tiến hóa.

Weis hiện đã chuyển sang nghiên cứu tại Đại học Toronto. Ông phát biểu: “Darwin cho rằng tiến hóa chỉ diễn ra từ từ, một thay đổi nhỏ nhất cũng phải mất một khoảng thời gian dài hơn cuộc đời của một nhà nghiên cứu. Đó có thể là trường hợp thông thường, nhưng tiến hóa cũng có thể diễn ra rất nhanh chóng trong những điều kiện thích hợp. Biến đổi khí hậu sẽ là một trong những môi trường khiến các điều kiện ấy hội tụ”.

Ở thập niên trước, các nhà sinh học bảo tồn đã công bố một loạt các nghiên cứu chứng minh rằng sự nóng lên toàn cầu đang thay đổi bộ mặt của tự nhiên. Loài sóc đỏ ở Canada sinh sản sớm hơn vào mùa xuân, cừu hoang ở Scotland cũng trở nên nhỏ hơn là một vài ví dụ. Nhiều loài chim, động vật, thực vật cũng thay đổi phạm vi cư trú. Các loài sống trên núi đang di chuyển lên cao, trong khi một số loài khác rời xích đạo để đổ về hai cực.

Thích nghi và chọn lọc tự nhiên

Có hai nguyên nhân có thể gây ra những thay đổi này. Một nguyên nhân được gọi là sự thích nghi. Ở rất nhiều loài thực vật, các cá thể giống hệt nhau về yếu tố gen sẽ có thân thấp trong điều kiện sống nhiều gió và có thân cao trong điều kiện sống lặng gió. Loài người cũng có tính thích nghi: hai thế kỷ trước, người dân ở các nước công nghiệp cao lớn hơn tổ tiên của họ, chủ yếu là do họ ăn thực phẩm chứa nhiều protein hơn và sống trong môi trường tốt hơn (và những phụ nữ mang thai cũng được ăn thực phẩm nhiều protein hơn và sống trong môi trường tốt).

Tính thích nghi có thể giúp động thực vật phát triển mạnh khi các điều kiện sống thay đổi. Vào mùa xuân, côn trùng chui ra từ kén vì chúng cảm nhận thấy ngày dài hơn. Đồng hồ sinh học của chúng được mã hóa theo gen, nhưng chúng cũng đủ linh hoạt để chui ra khỏi kén sớm hơn nếu loài thực vật mà chúng ăn bắt đầu phát triển nhanh hơn.

Mặt khác, chính gen cũng có thể thay đổi. Khi môi trường thay đổi, các cá thể có kiểu gen nhất định có thể có nhiều khả năng sống sót hơn những cá thể khác và sinh sản nhiều hơn. Chúng di truyền gen của mình cho thế hệ sau và theo thời gian toàn bộ loài đó sẽ thay đổi nhờ chọn lọc tự nhiên.

Tuy nhiên các nhà sinh học bảo tồn ít khi xem xét nguyên nhân nào – tính thích nghi hay sự chọn lọc tự nhiên – gây ra những biến đổi do khí hậu mà họ đã đề cập. Họ ít chú ý đến tiến hóa vì cho rằng nó chỉ diễn ra trong khoảng thời gian hàng nghìn năm. Tuy nhiên những năm gần đây, các nhà sinh học tiến hóa đã chứng minh rằng các tác động của con người – gồm cả biến đổi khí hậu – có thể làm cho chọn lọc tự nhiên diễn ra nhanh chóng.

Con đường phức tạp của tiến hóa

Quan điểm thay đổi về tiến hóa này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu đi tìm kiếm bằng chứng để chứng minh rằng sự nóng lên toàn cầu đang điều khiển quá trình tiến hóa. William Bradshaw và Christina Holzapfel thuộc Đại học Oregon là một ví dụ. Nhóm đã nghiên cứu một loài muỗi đẻ trứng trong các cây ăn thịt. Ấu trùng nở vào mùa xuân và ăn các côn trùng chết rơi vào trong lá cây. Bradshaw và Holzapfel chứng minh rằng những con muỗi này đã trải qua quá trình chọn lọc tự nhiên, khiến chúng nở sớm hơn so với một phần tư thế kỷ trước.

Trong một số trường hợp, chọn lọc tự nhiên đi theo đường thẳng. Ví dụ, những đợt hạn hán khiến cho cây cải nở hoa sớm hơn. Vào những năm ẩm ướt, điều đó sẽ có lợi cho hoa khi chúng trưởng thành trước khi ra hoa và như vậy có thể cho nhiều hạt. Nhưng trong những năm nóng hạn, cơ thể chúng cạn nước trước khi có thể hưởng được lợi ích đó. Vì thế, những cây ra hoa sớm sẽ tốt hơn. Và thực tế đã chứng kiến những gì mà mô hình lý thuyết dự đoán.

Tuy nhiên, quá trình tiến hóa do khí hậu còn nhiều điều phức tạp mà các nhà khoa học vẫn chưa thể hiểu cặn kẽ. Loài sóc đỏ ở Canada sinh sản sớm hơn 18 ngày vào mùa xuân, nhưng sự thay đổi này không chỉ là vấn đề chọn lọc tự nhiên hay tính thích nghi. Cả hai nguyên nhân cùng tác động đồng thời. Nói cách khác, tất cả những con sóc đó đang phản ứng lại sự biến đổi khí hậu bằng cách đẩy nhanh chu kỳ sinh sản, và các gen liên quan tới thời gian sinh sản sớm hơn đang xuất hiện trong cả loài.

Trong nhiều trường hợp, khí hậu nóng lên làm động vật thay đổi theo cách làm cho chọn lọc tự nhiên yếu đi, chứ không phải mạnh lên. Trước đây, với loài cừu hoang ở Scotland, những con cừu lớn hơn thường có khả năng sống sót qua mùa đông khắc nghiệt cao hơn. Giờ đây, khi mùa đông bớt lạnh, những con cừu nhỏ cũng có thể sống sót qua mùa đông, kích thước không còn là ưu thế nữa. Kết quả là, kích thước trung bình của cừu đang giảm đi.

Juha Merilä, Đại học Helsinki cảnh báo rằng trong rất nhiều trường hợp tưởng như quá trình chọn lọc tự nhiên đang diễn ra nhưng thực tế chưa hẳn như vậy. Merilä và các cộng sự đã nghiên cứu một đàn mòng biển mỏ đỏ ở New Zealand, được cho là đang dần giảm cân trong 50 năm vừa qua. Nhưng khi các nhà khoa học phân tích phả hệ của 16.520 con chim, họ không tìm thấy bằng chứng nào về gen cho thấy loài này đang bị nhỏ dần mà chỉ vì số lượng chim nhỏ nhiều hơn chim lớn. Có điều gì đó trong môi trường sống đang khiến cho những con chim này giảm kích thước cơ thể mà không liên quan tới gen. Theo Merilä, có rất nhiều khả năng, nguồn thức ăn đang trở nên khan hiếm cũng có thể là một lý do.

Merilä đề nghị các đồng nghiệp của mình sử dụng phương pháp khoa học chính xác như phương pháp mà Weis và cộng sự của ông đã áp dụng đối với cây cải để tìm kiếm chọn lọc tự nhiên. Vì theo ông, chọn lọc tự nhiên có thể đang diễn ra song phương pháp mà ông sử dụng không đáp ứng được những tiêu chuẩn chính xác như mong muốn.

Nghiên cứu tiến hóa trong bối cảnh biến đổi khí hậu

Nếu thực sự cuộc sống đang tiến hóa để thích nghi với biến đổi khí hậu, nhiều nhà khoa học nhận định rằng sự tiến hóa này sẽ diễn ra nhanh trong những thập niên tới khi mà nhiệt độ tăng lên và những biến đổi khác xuất hiện. Tiến hóa sẽ trở nên quan trọng trong tương lai. Điều đó có nghĩa là các nhà sinh học bảo tồn phải chú ý tới tiến hóa khi đưa ra những dự báo về tương lai của đa dạng sinh học khi hành tinh ấm lên.

Báo cáo mới nhất của Ủy ban liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) cảnh báo rằng gần một phần tư số loài có thể sẽ tuyệt chủng do sự nóng lên toàn cầu. Ước tính của IPCC dựa trên các nghiên cứu về môi trường sống của loài. Các nhà khoa học tính toán những điều kiện mà một loài phải thích nghi – nhiệt độ, lượng mưa… và từ đó dự đoán môi trường sống của loài trong tương lai. Trong một số trường hợp, môi trường thay đổi nhanh hơn khả năng di cư loài. Và ở một số trường hợp khác, môi trường phù hợp bị thu hẹp. Song với trường hợp nào thì một loài cũng sẽ bị kìm hãm trong môi trường đang dần thu hẹp và rất có thể bị tuyệt chủng.

Nhưng những nghiên cứu này giả định rằng loài đó chỉ có thể đối mặt với biến đổi khí hậu bằng cách di cư, chứ không phải bằng tiến hóa. Trong khi đó, các nhà khoa học đều hiểu rằng một số loài đã bắt đầu tiến hóa để thích nghi với sự nóng lên toàn cầu. Họ dự đoán tiến hóa sẽ cứu nhiều loài khỏi nguy cơ tuyệt chủng. Song tiến hóa không phải lúc nào cũng là một chiếc phao cứu sinh. Trong khi một số loài có khả năng tiến hóa nhanh, một số loài lại tiến hóa chậm và có thể chọn lọc tự nhiên sẽ không kịp cứu chúng khỏi nguy cơ tuyệt chủng. Chọn lọc tự nhiên có thể vấp phải những rào cản sinh thái vì có những giới hạn mà sinh vật không thể vượt qua, cũng tựa như con người không thể sống trong nhiệt độ -273^oC vậy. Chính vì thế, một số loài cũng không thể thích nghi với điều kiện khí hậu mới.

Đáng tiếc là có thể các nhà khoa học không thể biết được đầy đủ tầm ảnh hưởng của tiến hóa trong vài thập kỷ. Weis hiện nay đang đặt nền móng cho nghiên cứu này với công trình mà ông và các đồng nghiệp gọi là Sáng kiến Hồi sinh. Họ bắt đầu thu nhặt và cất giữ những hạt giống với kỳ vọng rằng năm mươi năm sau, các nhà thực vật học có thể tạo ra những giống cây cũ từ ngân hàng hạt giống này và tiến hành những thí nghiệm phức tạp, trên quy mô lớn hơn nhiều. Và nghiên cứu đó sẽ cung cấp những chi tiết vô cùng quan trọng về chính quá trình tiến hóa.

Carl Zimmer là cây bút viết về khoa học của tờ The New York Times và một số tạp chí khác. Năm 2007 Zimmer đạt giải Truyền thông Khoa học của Viện Khoa học Hàn lâm Quốc gia Mỹ. Zimmer cũng là tác giả của 6 đầu sách trong đó có Thế giới vi mô: E. coli và Khoa học cuộc sống mới.