Chìa khóa cho sự đa dạng của các loài có thể nằm ở những điểm tương đồng của chúng

Sự thiếu cân xứng trên đảo Barro Colorado

Hơn bốn thập kỷ trước, các nhà sinh thái học thực địa đã bắt đầu công tác định lượng sự đa dạng của cây cối trên một khu rừng trên đảo Barro Colorado ở Panama, đây là một trong những khu rừng được nghiên cứu chuyên sâu nhất trên hành tinh. Họ bắt đầu đếm từng cái cây có thân rộng hơn một cm. Họ đã xác định loài, đo đạc thân cây và tính toán sinh khối (biomass) của từng cá thể. Họ còn dựng thang lên cây, kiểm tra các cây non và ghi lại tất cả thông tin trong những bảng tính dài dằng dặc.
Khi xem xét dữ liệu tích lũy từ năm này qua năm khác, họ bắt đầu nhận thấy một điều gì đó kỳ lạ trong đó. Với hơn 300 loài, sự đa dạng của cây cối trên hòn đảo nhỏ bé rộng 15 km vuông này thật đáng kinh ngạc. Nhưng sự phân bổ cây cối giữa các loài này cũng rất chênh lệch, với hầu hết các cây chỉ thuộc về một số loài, chúng có sự đa dạng nhưng không được phân phối đều giữa các loài.
Sự bất cân xứng này nghĩa là giả sử chúng ta có 10,000 cây và ghi nhận được 300 loài, thì số cây lý tưởng thuộc mỗi loài nên là 33 cây, nhưng ở đây đa số các cây thuộc về chỉ vài loài trong khi số lượng cây ít ỏi còn lại thuộc về hàng trăm loài kia.

Ảnh trái: Lược đồ đảo Barro Colorado bên trong nước Panama. Ảnh phải: Bản đồ khu vực đảo nằm lọt trong phần phía đông hồ Gatun, hồ nước nhân tạo lớn nhất Panama và là một phần quan trọng của kênh đào cùng tên. Ảnh: Research Gate, Smithsonian TRI.

Để tiện so sánh, khu dự trữ sinh quyển Cần Giờ của Việt Nam rộng khoảng 704 km vuông, tức là gấp 47 lần diện tích đảo này. Diện tích vùng lõi Cần Giờ cũng đạt 47.21 km vuông, cũng rộng gấp hơn 3 lần so với đảo Barro Colorado. Diện tích bề mặt của chính hồ Gatun bao chứa hòn đảo cũng nhỏ hơn Cần Giờ (425 km vuông).
Kể từ những nghiên cứu ban đầu đó, thì mẫu hình quá tải dữ kiện và không đồng đều cao độ này đã được quan sát thấy lặp đi lặp lại trong các hệ sinh thái trên khắp thế giới, đặc biệt là trong các khu rừng mưa nhiệt đới. Nhà sinh thái học Stephen Hubbell của Đại học California, Los Angeles, thành viên của nhóm nghiên cứu đảo Barro Colorado, ước tính rằng chưa đến 2% số loài cây ở rừng Amazon đã chiếm một nửa tổng số cây riêng lẻ, nghĩa là 98% số loài thuộc dạng hiếm.
Sự đa dạng sinh học cao như vậy đi ngược lại với những dự đoán được đưa ra bởi một lý thuyết hàng đầu về sinh thái học, lý thuyết này cho rằng trong một hệ sinh thái ổn định, mỗi ngóc ngách (nơi ở, môi trường sống của một loài) hoặc vai trò nên do một loài chiếm giữ. Lý thuyết về ngách (niche theory) cho rằng không có đủ ngóc ngách (chỗ ở) để cho phép tất cả các loài, mà các nhà sinh thái học quan sát thấy, tồn tại ổn định. Sự cạnh tranh về chỗ ở giữa các loài tương đồng nhau lẽ ra sẽ khiến những loài quý hiếm bị tuyệt chủng.

Theo lý thuyết ngách này, các loài cây phổ biến trên đảo Barro Colorado đúng ra phải đẩy các loài cây hiếm hơn đến chỗ tuyệt chủng vì ưu thế về khả năng cạnh tranh cũng như năng lực thích ứng của chúng, nhưng ở đây chúng chỉ đạt được “thành quả” là chiếm số lượng lớn chứ không làm cho các loài nhỏ yếu hơn biến mất, và cũng không làm giảm đi số lượng loài, nghĩa tính đa dạng sinh học vẫn duy trì tốt. Đó là điểm lý thuyết này chưa giải thích được.

image (1).jpg

Ảnh trái: Bản đồ các khu vực trên đảo Barro Colorado, với trạm nghiên cứu chính (chấm đỏ) ở phía đông bắc. Nơi có màu vàng nhạt là núi cao nhất trên đảo có tháp radio. Ảnh phải: Khu vực trạm nghiên cứu. Ảnh: Smithsonian TRI.

Một bài báo về mô hình sinh thái mới trên tạp chí Nature của hai tác giả James O’Dwyer và Kenneth Jops từ Đại học Illinois, Urbana-Champaign ít nhất cũng giải thích được một phần sự thiếu nhất quán này. Họ phát hiện ra rằng các loài dường như là đối thủ cạnh tranh trực tiếp có thể chia sẻ một hệ sinh thái nếu các chi tiết về lịch sử vòng đời của chúng - chẳng hạn như thời gian sống và số con của chúng - sắp xếp theo đúng cách. Công trình của họ cũng giúp giải thích tại sao một trong những cách thành công nhất để lập mô hình hệ sinh thái thường cho kết quả chính xác, mặc dù nó che đậy đi hầu hết tất cả những gì chúng ta biết về cách thức hoạt động của các sinh vật.

Nhà sinh vật học thực vật James O’Dwyer của Đại học Illinois, Urbana-Champaign muốn hiểu xem làm thế nào các mô hình dựa trên lý thuyết trung lập về sinh thái học có thể tái tạo các mẫu hình tự nhiên về đa dạng sinh học tốt như vậy khi chúng bỏ qua các chi tiết về cách các loài sinh sống và tương tác. Ảnh: Phys.org.

Lý thuyết ngách và lý thuyết trung lập

Quay trở lại năm 2001, sự đa dạng sinh học cao một cách nghịch lý trên đảo Barro Colorado đã truyền cảm hứng cho Hubbell đề xuất lý thuyết trung lập về sinh thái mang tính đột phá. Lý thuyết sinh thái học truyền thống nhấn mạnh sự cạnh tranh giành chỗ ở giữa các loài. Nhưng Hubbell đã chỉ ra rằng yếu chủng loài có thể không thực sự quan trọng trong phương trình đó bởi vì trên thực tế, các cá thể cũng cạnh tranh tài nguyên với các thành viên cùng loài của chúng. Ông gợi ý rằng các mẫu hình đa dạng trong hệ sinh thái phần lớn có thể là sản phẩm của các quá trình ngẫu nhiên.
Đối với một lý thuyết liên quan đến đa dạng sinh học, thì lý thuyết trung lập của Hubbell có tính mong manh. Nó đã bỏ qua sự biến động về tuổi thọ, những đặc thù về dinh dưỡng và các chi tiết khác giúp phân biệt loài này với loài khác. Trong các mô hình dựa trên lý thuyết, mọi cá thể trong một hệ sinh thái trên lý thuyết đều giống hệt nhau. Khi chu kỳ sinh thái bắt đầu, hệ sinh thái sẽ phát triển một cách ngẫu nhiên, với các cá thể cạnh tranh gay gắt và thay thế lẫn nhau một cách ngẫu nhiên. Lý thuyết trung lập hoàn toàn mâu thuẫn với các cách tiếp cận sinh thái học dựa trên loài, và nó đã gây ra cuộc tranh luận sôi nổi giữa các nhà sinh thái học vì nó có vẻ quá phản trực giác.

Screenshot 2023-07-05 115523.jpg

Cơ chế của lý thuyết trung lập trong một quần xã địa phương (cấp độ thấp hơn hệ sinh thái, bao gồm các quần thể thuộc nhiều loài khác nhau). Ở đây mỗi một cây chết đi sẽ được thay thế bằng các cây khác hay cùng loài thông qua quá trình sinh sản tại chỗ hoặc "di cư" (chẳng hạn, do hạt giống đến từ nơi khác, do được trồng), tuy nhiên khi đạt đến trạng thái cân bằng thì toàn bộ quần xã sẽ có phân bố loài y hệt như trạng thái ban đầu. Nghĩa là không có sự lấn át của bất kỳ loài nào để xóa bỏ các loài khác, bất kể việc chúng có thể chiếm đa số trong trạng thái cân bằng. Ảnh: Cell.com.

Tuy nhiên, thật đáng ngạc nhiên, khi các bước đi ngẫu nhiên trong các mô hình trung lập tiến triển, chúng tái tạo các đặc điểm chính của những gì Hubbell và các đồng nghiệp của ông đã thấy trong dữ liệu của họ từ Đảo Barro Colorado và những gì những người khác đã thấy ở nhiều nơi khác. Trong mô hình mà hầu như không có sự khác biệt này, có những tia sáng của thế giới thực.
Sự căng thẳng đối kháng giữa các mô hình và thực tế từ lâu đã khiến O'Dwyer quan tâm. Tại sao lý thuyết trung lập dường như hoạt động tốt như vậy? Có cách nào để cung cấp thông tin về cách thức hoạt động của các loài để thu được kết quả trông thực tế hơn không?

O’Dwyer nói, một trong những điều làm cho các mô hình trung lập trở nên hấp dẫn là thực sự có những tính chất phổ quát chung sâu sắc giữa nhiều sinh vật sống. Mặc dù các loài động vật không giống nhau, nhưng chúng tương đồng nhau một cách đáng kể ở cấp độ, chẳng hạn như hệ thống tuần hoàn. Những con số tương tự liên quan đến sinh lý học nảy sinh lặp đi lặp lại ở động vật và thực vật, có lẽ phản ánh những hạn chế trong lịch sử tiến hóa chung của chúng. Ví dụ, theo một nguyên tắc gọi là định luật Kleiber, tốc độ trao đổi chất của động vật thường tăng theo kích thước của nó, mở rộng theo quy luật lũy thừa — quy luật lũy thừa là giống nhau, bất kể loài nào. (Một số giả thuyết về lý do tại sao định luật Kleiber lại đúng đã được đưa ra, nhưng câu trả lời vẫn còn đang được tranh luận.)

Từ lý thuyết trung lập, các nhà sinh thái học đặt lại câu hỏi về sự đấu tranh sinh tồn trong thế giới tự nhiên, vốn từng được coi như đúng tuyệt đối. Các loài thực vật không giống nhau, nhưng chúng tương đồng ở một cấp độ nào đó và vòng đời của chúng tương hỗ lẫn nhau theo nhiều cơ chế để cùng tồn tại. Ảnh: Quanta Magazine.

Dựa trên những dấu hiệu của trật tự nền tảng đó, O'Dwyer tự hỏi liệu một số chi tiết về cách các sinh vật sinh sống có quan trọng hơn những chi tiết khác hay không, trong việc xác định các loài sẽ cạnh tranh và tồn tại thành công ra sao qua thời gian tiến hóa. Hãy xem xét lại quá trình trao đổi chất: Nếu một hệ sinh thái có thể được coi là biểu hiện của quá trình trao đổi chất của các cá thể sống trong đó, thì kích thước của các sinh vật là những con số đặc biệt, có ý nghĩa. Kích thước của một cá thể có thể hữu ích hơn trong việc mô hình hóa số phận của nó theo thời gian hơn bất kỳ số lượng chi tiết nào khác về chế độ ăn uống hoặc bản sắc loài của nó.
O'Dwyer tự hỏi liệu một trong những nhân tố đặc quyền, quan trọng đó có thể được nắm bắt bởi lịch sử vòng đời hay không, một khái niệm kết hợp các số liệu thống kê về loài như số con trung bình, thời gian cho đến khi trưởng thành về giới tính và tuổi thọ. Hãy tưởng tượng một khu đất gồm 50 cây riêng lẻ. Mỗi loài có vòng đời riêng, kiểu sinh sản riêng. Sau ba tháng, một cây có thể tạo ra 100 hạt, trong khi một cây tương tự khác tạo ra 88 hạt. Có thể 80% hạt của chúng sẽ nảy mầm, tạo ra thế hệ tiếp theo, thế hệ này sẽ trải qua phiên bản chu kỳ riêng của chúng. Ngay cả trong một loài, số lượng của từng loại thực vật riêng lẻ sẽ thay đổi, đôi khi một chút, đôi khi rất nhiều, một hiện tượng được gọi là nhiễu nhân khẩu học (demographic noise). Nếu sự biến động này là ngẫu nhiên, theo cách của lý thuyết trung lập do Hubbell đề xuất, thì những khuôn mẫu nào sẽ xuất hiện qua các thế hệ kế tiếp?
O'Dwyer biết rằng ông đã tìm được người có thể giúp mình khám phá câu hỏi đó khi Jops gia nhập phòng thí nghiệm của O'Dwyer với tư cách là một nghiên cứu sinh tốt nghiệp. Jops trước đây đã nghiên cứu xem liệu các mô hình sử dụng lịch sử vòng đời có thể dự đoán được liệu một loài thực vật dễ bị tổn thương có tồn tại hay không hay nó đang trên đường biến mất. Khi làm việc cùng nhau, họ bắt đầu tìm ra phép toán mô tả điều gì sẽ xảy ra khi lịch sử vòng đời gặp phải sự cạnh tranh.

KennethJops-byDr.HannahScar.jpg

Trước khi gia nhập phòng thí nghiệm của O'Dwyer với tư cách là một sinh viên mới tốt nghiệp, Kenneth Jops đã nghiên cứu những cách thức sử dụng lịch sử vòng đời để dự đoán khả năng dễ bị tuyệt chủng của các loài thực vật. Ảnh: Quanta Magazine.

Kết luận của O'Dwyer: Có sự bù trừ lẫn nhau trong suốt vòng đời

Trong mô hình của Jops và O'Dwyer, cũng như trong các mô hình trung lập, tính ngẫu nhiên - ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên lên các tương tác có tính xác định giữa các loài - là rất quan trọng. Tuy nhiên, lịch sử vòng đời của các loài có thể khuếch đại hoặc làm giảm thiểu tác động của sự ngẫu nhiên đó. O'Dwyer nói: “Lịch sử vòng đời là một loại lăng kính mà qua đó nhiễu nhân khẩu học hoạt động."
Khi các nhà nghiên cứu cho phép mô hình của họ tiến triển theo thời gian, đưa từng cá thể mô phỏng qua các bước đi trong vòng đời của nó, họ nhận thấy rằng một số loài nhất định có thể cứ tồn tại bên cạnh nhau trong thời gian dài mặc dù chúng đang cạnh tranh để giành lấy cùng một nguồn tài nguyên. Nhìn sâu hơn vào các con số để tìm lời giải thích, Jops và O'Dwyer nhận thấy rằng một thuật ngữ phức tạp gọi là quy mô dân số hiệu dụng dường như hữu ích để mô tả một kiểu bù đắp có thể tồn tại giữa các loài. Nó gói gọn thực tế là một loài có thể có tỷ lệ tử vong cao tại một thời điểm trong vòng đời của nó, sau đó là tỷ lệ tử vong thấp ở thời điểm khác, trong khi một loài bổ sung có thể có tỷ lệ tử vong thấp ở thời điểm đầu tiên và tỷ lệ tử vong cao ở thời điểm thứ hai. Quy luật này càng tương đồng nhau đối với hai loài thì càng có nhiều khả năng cặp loài đó có thể sống cạnh nhau mặc dù cạnh tranh về không gian và dinh dưỡng. Bởi vì số lượng cá thể ở từng giai đoạn vòng đời của của chúng đã đắp đổi, bù trù trừ cho nhau để duy trì một dân số ổn định.
O'Dwyer nói: “Chúng trải qua nhiễu nhân khẩu học ở cùng một biên độ [nhưng phải đối nghịch nhau], đó là chìa khóa để chúng có thể chung sống lâu dài.”

Bốn loài cây lâu năm thân thảo (theo chiều kim đồng hồ từ trên cùng bên trái: Eryngium cuneifolium, Polygonella robusta, Lechea deckertii và Lechea cernua) này cùng tồn tại trong các cộng đồng ở Florida thay vì đẩy lẫn nhau đến chỗ tuyệt chủng. Theo dự đoán của nghiên cứu mới, bốn loài này có lịch sử vòng đời đặc biệt giống nhau. Ảnh: Quanta Magazine.

Các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu những khuôn mẫu tương tự có phổ biến trong thế giới thực hay không. Họ đã dựa trên cơ sở dữ liệu COMPADRE, nơi lưu trữ thông tin chi tiết về hàng nghìn loài thực vật, loài nấm và vi khuẩn được thu thập từ nhiều nghiên cứu và nguồn khác nhau, đồng thời họ tập trung vào những cây lâu năm sống cùng nhau trong cùng một khu đất rừng được nghiên cứu. Họ phát hiện ra rằng, như mô hình của họ đã dự đoán, các loài thực vật sống cùng nhau có lịch sử vòng đời khớp nhau chặt chã: Các cặp loài sống trong cùng một hệ sinh thái có xu hướng bổ sung cho nhau nhiều hơn so với các cặp được rút ra ngẫu nhiên.
Annette Ostling, giáo sư sinh học tại Đại học Texas, Austin, cho biết những phát hiện này cho thấy những cách thức mà các loài đang cạnh tranh có thể sinh sống hòa hợp cùng nhau mà không cần viện đến những nơi ở riêng biệt. “Điều thú vị nhất là họ nhấn mạnh rằng những ý tưởng này… có thể áp dụng cho các loài khá khác biệt nhưng bổ sung cho nhau,” bà nói.
Đối với William Kunin, giáo sư sinh thái học tại Đại học Leeds ở Anh, bài báo gợi ý một lý do tại sao thế giới tự nhiên, với tất cả sự phức tạp của nó, có thể giống với một mô hình trung lập: Các quá trình sinh thái có thể triệt tiêu lẫn nhau, vì vậy rằng những thứ tưởng chừng như đa dạng vô tận lại có thể đem lại một kết cục đơn giản mà ông mô tả là “tính trung lập nổi lên”. Về phần mình, Hubbell đánh giá cao việc mở rộng công việc ban đầu của mình. Ông nói: “Nó đưa ra một số suy nghĩ về cách khái quát hóa các mô hình trung lập, tinh chỉnh chúng bằng cách đưa vào một chút khác biệt giữa các loài, mở rộng và thu hẹp để xem điều gì xảy ra với sự đa dạng một trong quần xã địa phương."

Vòng đời cơ bản của một loài thực vật từ khi là hạt giống đến khi sinh sản, trong quá trình này mỗi loài thực vật có tỷ lệ sinh sản và tử vong khác nhau. Theo phát hiện của O'Dwyer, với hai loài cộng sinh thì các tỷ lệ này có xu hướng đắp đổi cho nhau để dân số được ổn định. Ảnh: DrZigs.

Chặng đường dài phía trước

Tuy nhiên, đây chỉ là một phần của vấn đề tìm hiểu cách mà sự đa dạng sinh học phát sinh và tại sao nó vẫn tồn tại. Ostling nói: “Trong sinh thái học, chúng ta đấu tranh với mối quan hệ giữa khuôn mẫu và quá trình. Nhiều quá trình khác nhau có thể tạo ra cùng một khuôn mẫu." O'Dwyer hy vọng rằng trong những năm tới, nhiều dữ liệu hơn về thế giới thực có thể giúp các nhà nghiên cứu nhận ra liệu quy mô dân số hiệu dụng có thể giải thích nhất quán sự cùng tồn tại hay không.
Kunin hy vọng rằng bài báo sẽ truyền cảm hứng cho những người khác tiếp tục làm việc với những ý tưởng từ lý thuyết trung lập. Trong một lĩnh vực mà những phẩm chất độc đáo của các cá thể, thay vì những điểm chung của chúng, từ lâu đã thống trị, lý thuyết trung lập đã buộc các nhà sinh thái học phải sáng tạo. Ông nói: “Nó đã giúp chúng tôi thoát khỏi lối mòn tinh thần và khiến chúng tôi suy nghĩ xem điều gì thực sự quan trọng."
Hubbell, người đã đưa ra lý thuyết trung lập về sinh thái học cách đây nhiều năm, tự hỏi liệu bộ dữ liệu thực sự khổng lồ về các khu rừng thực tế có thể đem tới loại chi tiết cần thiết để làm cho mối quan hệ giữa lịch sử vòng đời và đa dạng sinh học trở nên rõ ràng hơn hay không. “Đây là kiểu xây dựng dựa trên lý thuyết trung lập mà tôi hy vọng sẽ xảy ra,” ông nói về bài báo mới. “Nhưng đó chỉ là một bước nhỏ để thực sự hiểu được sự đa dạng sinh học.”

Theo Quanta Magazine.