Phát hiện quy luật chung của mọi cuộc đại tuyệt chủng trong lịch sử Trái Đất

Một nghiên cứu mang tính đột phá phối hợp giữa Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Mỹ) và Đại học Leicester (Anh) đã làm sáng tỏ quy luật cốt lõi của mọi cuộc đại tuyệt chủng trong lịch sử Trái Đất.

Công trình này dựa trên một mô hình lý thuyết do Giáo sư Daniel Rothman (MIT) và Giáo sư Sergei Petrovskii (Đại học Leicester) phát triển, được gọi là "Giả thuyết về sự lệch pha tốc độ".

Ý tưởng trung tâm của giả thuyết này chỉ ra rằng, khi tốc độ biến đổi của môi trường vượt quá ngưỡng mà sự sống có thể tiến hóa để thích nghi, các nhánh sinh vật lớn sẽ hoàn toàn bị xóa sổ trên quy mô toàn cầu xuyên suốt 450 triệu năm lịch sử.

Đáng chú ý, mô hình toán học này không chỉ giải thích nguyên nhân mà còn có khả năng dự báo mức độ nghiêm trọng của từng sự kiện tuyệt chủng.

Nghiên cứu mới cho thấy, khi tốc độ biến đổi của môi trường vượt quá ngưỡng mà sự sống có thể tiến hóa để thích nghi, các nhánh sinh vật lớn sẽ hoàn toàn bị xóa sổ trên quy mô toàn cầu xuyên suốt 450 triệu năm lịch sử. Hình minh họa: Richard Bizley/Science Photo Library

Dù ý niệm về việc môi trường tác động đến sự sinh tồn của các loài không hoàn toàn mới, nhưng lịch sử khoa học đã phải trải qua một hành trình dài để đúc kết thành quy luật toàn diện này.

Từ thế kỷ 18, nhà tự nhiên học người Pháp Georges Cuvier từng đề xuất rằng các loài có thể biến mất do thảm họa môi trường, trước khi giới khoa học dần chuyển sang ủng hộ quan điểm về các quá trình biến đổi chậm rãi.

Đến giữa thế kỷ 20, nhà địa chất học người Mỹ Norman Newell đã đưa ra một nhận định chính xác hơn, đó là sự tuyệt chủng xảy ra khi môi trường thay đổi nhanh hơn khả năng tiến hóa để thích nghi của sinh vật.

Dù các nhà sinh học sau này đã quan sát thấy hiện tượng trên ở một vài loài riêng lẻ, nhưng việc chứng minh liệu quy luật ấy có đúng trên quy mô toàn cầu đối với các đợt đại tuyệt chủng hàng loạt hay không vẫn luôn là một câu hỏi lớn mà Rothman và Petrovskii quyết tâm tìm lời giải.

Khi môi trường "chạy" nhanh hơn tiến hóa

Để chứng minh giả thuyết của mình, hai nhà khoa học đã không chọn con đường thu thập dữ liệu quan sát trực tiếp, bởi việc theo dõi một dòng dõi tiến hóa liên tục qua hàng triệu năm là điều bất khả thi.

Thay vào đó, họ đã kiến tạo một mô hình toán học dựa trên các nguyên lý tiến hóa căn bản, nơi sự thích nghi thành công được định nghĩa là sự giao thoa của nhiều yếu tố như biến dị di truyền, sự khác biệt về khả năng sống sót và lợi thế sinh sản của những cá thể vượt trội.

Khi kết hợp các xác suất này lại với nhau, kết quả tạo ra một đường quan hệ có hình chuông chuẩn, phản ánh thực tế rằng đa số các nhóm động vật chỉ sở hữu khả năng thích nghi ở mức trung bình, trong khi số lượng các nhóm có tốc độ thích nghi cực chậm hoặc cực nhanh chiếm tỷ lệ rất ít.

Nhóm nghiên cứu sau đó đã tiến hành đối chiếu đường cong lý thuyết này với hồ sơ địa chất của 27 đợt biến động nghiêm trọng trong chu trình carbon toàn cầu suốt 450 triệu năm qua, đồng thời kết hợp với dữ liệu về tỷ lệ tuyệt chủng do nhà cổ sinh vật học John Alroy tổng hợp.

Kết quả thu được vô cùng ấn tượng khi chứng minh sự hiện diện của "sự lệch pha tốc độ" trong hầu hết các sự kiện tuyệt chủng lớn. Khoảng cách chênh lệch giữa tốc độ thay đổi của môi trường và tốc độ thích nghi của sinh vật càng lớn bao nhiêu, thì tỷ lệ các loài bị xóa sổ càng cao bấy nhiêu.

Nhờ vậy, mô hình toán học này đã thể hiện khả năng dự báo mức độ tàn phá của từng sự kiện lịch sử với một độ chính xác đáng kinh ngạc.

Khoảng cách chênh lệch giữa tốc độ thay đổi của môi trường và tốc độ thích nghi của sinh vật càng lớn bao nhiêu, thì tỷ lệ các loài bị xóa sổ càng cao bấy nhiêu. Hình minh họa: Earth

Minh chứng điển hình cho quy luật này chính là cuộc đại tuyệt chủng cuối kỷ Permi diễn ra cách đây 252 triệu năm - một thảm họa của lịch sử Trái Đất khi xóa sổ hơn 80% loài sinh vật biển.

Theo phân tích từ mô hình, thảm kịch này bắt nguồn từ quá trình axit hóa đại dương diễn ra với tốc độ quá nhanh, khiến các sinh vật không thể tiến hóa kịp các cơ chế phòng vệ sinh lý nhằm tự bảo vệ mình.

Cuộc đại tuyệt chủng này là sự kết hợp chết chóc giữa hai yếu tố diễn ra cùng lúc: môi trường biến đổi ở tốc độ cực hạn và một tỷ lệ lớn các nhóm loài có năng lực thích ứng rơi xuống dưới ngưỡng yêu cầu.

Điểm yếu "chí tử" trước biến đổi khí hậu

Một phát hiện khác khiến các nhà khoa học đặc biệt chú ý là phạm vi tốc độ thích nghi của các nhóm động vật lại trùng khớp một cách kỳ lạ với phạm vi biến đổi tự nhiên của môi trường qua hàng trăm triệu năm.

Giáo sư Rothman nhận định, đây chắc chắn không phải là một sự tình cờ ngẫu nhiên, mà chính sự sống đã tự tiến hóa theo hướng tối ưu hóa, sao cho khả năng thích ứng của nó vừa vặn hài hòa với những áp lực thường xuyên từ thiên nhiên.

Tuy nhiên, chính cơ chế "cân bằng động" này lại trở thành điểm yếu, bởi một khi nhịp độ thay đổi của môi trường đột ngột tăng tốc và vượt ra ngoài phạm vi quen thuộc, sự sống sẽ ngay lập tức trở nên mong manh và dễ bị tổn thương hơn bao giờ hết.

Trong bối cảnh hiện tại, các dữ liệu cho thấy lượng khí carbon dioxide trong các đại dương đang gia tăng với tốc độ đáng báo động. Khi được quy đổi và điều chỉnh theo thang đo thời gian phù hợp, tốc độ này chỉ thấp hơn một chút so với các đợt biến động carbon từng kích hoạt những đại tuyệt chủng tàn khốc trong quá khứ.

Dù các tác giả nghiên cứu không áp đặt trực tiếp mô hình này vào thời điểm hiện tại, tuy nhiên họ vẫn đưa ra một thông điệp cảnh báo rằng, tốc độ biến đổi môi trường ngày nay đang tiệm cận vùng nguy hiểm, nơi mà khả năng thích nghi của sinh vật sẽ bị đẩy đến giới hạn cùng cực.

Công trình này đã được công bố trên tạp chí khoa học Physical Review Letters, mở ra một khung lý thuyết thống nhất bằng toán học để giải mã những thảm họa sinh học lớn nhất từng định hình nên lịch sử hành tinh chúng ta.