Buzz
Sự mất cân bằng tại hòn đảo Barro Colorado
Hơn bốn thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu sinh thái đã bắt đầu hành trình đo lường sự đa dạng của cây cỏ trên lãnh thổ của đảo Barro Colorado ở Panama - một trong những vùng rừng được khám phá sâu rộng nhất trên trái đất. Họ bắt đầu đếm số cây có đường kính lớn hơn một cm, xác định loại cây, đo lường kích thước cơ thể và tính khối lượng của từng cá thể. Trên những cây cao, họ leo lên để kiểm tra cây non và ghi chép chi tiết trên các bảng tính dài kỳ. Duyệt qua dữ liệu tích lũy từ năm này sang năm khác, nhà nghiên cứu bắt đầu nhận thức điều đặc biệt đáng chú ý. Trên hòn đảo nhỏ có diện tích chỉ 15 km vuông, có đến hơn 300 loại cây, tạo nên sự đa dạng động thực sự. Tuy nhiên, sự phân phối giữa chúng lại không đồng đều, với hầu hết cây thuộc về một số loài nhất định, tạo ra sự đa dạng nhưng không đồng đều giữa các loài. Sự không cân xứng này có nghĩa là nếu chúng ta có 10,000 cây và ghi nhận được 300 loài, thì số lượng cây lý tưởng cho mỗi loài nên là 33 cây. Tuy nhiên, thực tế lại cho thấy đa số cây thuộc về chỉ vài loài, trong khi số lượng cây ít ỏi còn lại phải chia sẻ cho hàng trăm loài khác nhau.
Hình ảnh bên trái: Bản đồ đảo Barro Colorado nằm ở Panama. Hình ảnh bên phải: Bản đồ vùng đảo, một phần của hồ Gatun, hồ nước nhân tạo lớn nhất ở Panama và cũng là một phần quan trọng của kênh đào cùng tên. Ảnh: Nghiên cứu Cổng, Viện Smithsonian TRI.
Với mục đích so sánh thuận tiện, khu bảo tồn sinh quyển Cần Giờ tại Việt Nam có diện tích rộng khoảng 704 km vuông, tương đương với 47 lần diện tích của đảo này. Diện tích của vùng lõi Cần Giờ cũng đạt 47.21 km vuông, vượt xa đảo Barro Colorado hơn 3 lần. Bề mặt của hồ Gatun chứa hòn đảo nhỏ hơn Cần Giờ (425 km vuông).
Kể từ những nghiên cứu ban đầu, mô hình quá tải dữ liệu và độ cao không đồng đều này đã xuất hiện lặp đi lặp lại trong các hệ sinh thái trên khắp thế giới, đặc biệt là trong các khu rừng mưa nhiệt đới. Stephen Hubbell, nhà sinh thái học tại Đại học California, Los Angeles, một thành viên của nhóm nghiên cứu đảo Barro Colorado, ước tính rằng chưa đến 2% số loài cây ở rừng Amazon đã chiếm nửa tổng số cây riêng lẻ, tức là 98% số loài thuộc dạng hiếm.
Mức độ đa dạng sinh học cao như vậy đối lập với những dự đoán của 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 sống, môi trường sống của một loài) hoặc vai trò nên thuộc về một loài cụ thể. Lý thuyết về ngóc ngách (niche theory) cho rằng không đủ ngóc ngách (nơi ở) để tất cả các loài tồn tại ổn định. Sự cạnh tranh về nơi sống giữa các loài tương đồng sẽ dẫn đến tình trạng loài quý hiếm bị tuyệt chủng.
Hình ảnh bên trái: Bản đồ đồng bộ các vùng trên hòn đảo Barro Colorado, với trạm nghiên cứu chính (đánh dấu bằng chấm đỏ) nằm ở phía đông bắc. Các khu vực có màu vàng nhạt đại diện cho những ngọn núi cao nhất trên đảo, nơi có tháp radio. Hình ảnh bên phải: Khu vực của trạm nghiên cứu. Ảnh: Smithsonian TRI.
Một bài báo độc đáo về mô hình sinh thái mới xuất hiện trên tạp chí Nature, do hai tác giả James O’Dwyer và Kenneth Jops từ Đại học Illinois, Urbana-Champaign biên soạn. Bài báo ít nhất cũng giải thích một phần về sự không nhất quán này. Họ phát hiện rằng các loài dường như có thể chia sẻ một hệ sinh thái trực tiếp nếu chi tiết về lịch sử phát triển của chúng - như thời gian sống và số con - được sắp xếp theo cách hợp lý. Công trình nghiên cứu của họ cũng giúp làm sáng tỏ vì sao mô hình hệ sinh thái dựa trên một trong những cách tiếp cận hiệu quả nhất có thể đạt được kết quả chính xác, mặc dù nó che giấu hầu hết thông tin về cách sinh vật hoạt động.
Chuyên gia sinh thái thực vật James O’Dwyer từ Đại học Illinois, Urbana-Champaign, có mong muốn tìm hiểu xem làm thế nào các mô hình dựa trên lý thuyết trung lập về sinh thái học có thể tái tạo đúng các mô hình tự nhiên về đa dạng sinh học khi chúng bỏ qua những chi tiết về cách sinh vật tồn tại và tương tác. Ảnh: Phys.org.Lý thuyết đa dạng sinh học và quân bình sinh thái
Năm 2001, đối diện với sự phong phú đặc biệt trên đảo Barro Colorado, Hubbell đã đề xuất một quan điểm mới về quân bình sinh thái. Khác biệt với lý thuyết sinh thái truyền thống về sự cạnh tranh giành lãnh thổ giữa các loài, Hubbell đã làm nổi bật rằng sự đối đầu không chỉ xảy ra giữa các loài khác nhau mà còn bên trong cùng một loài. Ông chỉ ra rằng sự cạnh tranh tài nguyên diễn ra không chỉ giữa các loài khác nhau mà còn giữa các cá thể cùng một loài. Ông đề xuất rằng sự đa dạng sinh học trong hệ sinh thái chủ yếu là kết quả của các quá trình ngẫu nhiên. Đối với một lý thuyết liên quan đến đa dạng sinh học, lý thuyết quân bình sinh thái của Hubbell mang tính linh hoạt. Nó không mơ hồ về sự biến đổi về tuổi thọ, đặc tính dinh dưỡng và các chi tiết khác có thể phân biệt loài này với loài khác. Trong mô hình dựa trên lý thuyết này, mỗi cá thể trong hệ sinh thái không giống nhau. Khi chu kỳ sinh thái bắt đầu, hệ sinh thái phát triển một cách ngẫu nhiên, với sự cạnh tranh giữa các cá thể xảy ra một cách ngẫu nhiên. Lý thuyết quân bình sinh thái không hoàn toàn xung đột với các cách tiếp cận sinh thái học dựa trên loài, và đã gây ra nhiều tranh cãi giữa các nhà sinh thái học vì nó thách thức những quan điểm truyền thống.
Cơ chế hoạt động của lý thuyết trung lập trong một cộng đồng địa phương (tức là ở mức độ thấp hơn so với hệ sinh thái, bao gồm các dân số thuộc nhiều loài khác nhau). Ở đây, mỗi cây cỏ chết sẽ được thay thế bằng những cây cỏ mới cùng loài thông qua quá trình sinh sản tại chỗ hoặc 'di cư' (ví dụ như hạt giống từ nơi khác, hoặc do việc trồng mới), tuy nhiên, khi đạt đến trạng thái cân bằng, toàn bộ cộng đồng sẽ có sự phân bố loài giống như trạng thái ban đầu. Điều này có nghĩa là không có sự áp đặt của bất kỳ loài nào để loại bỏ các loài khác, bất kể chúng chiếm ưu thế đến đâu trong trạng thái cân bằng. Ảnh: Cell.com.
Tuy nhiên, là điều đáng kinh ngạc, khi các bước ngẫu nhiên trong các mô hình trung lập phát triển, chúng tái tạo các đặc tính quan trọng nhất của những gì Hubbell và đồng nghiệp của ông đã quan sát trong dữ liệu tại Đảo Barro Colorado và những điều mà những người khác đã ghi nhận tại nhiều địa điểm khác nhau. Trong mô hình gần như không có sự khác biệt này, có những chớp sáng từ thế giới thực.
Sự đối kháng căng thẳng giữa các mô hình và thực tế đã lâu đã khiến O'Dwyer quan tâm. Tại sao lý thuyết trung lập dường như hoạt động hiệu quả như vậy? Có cách nào để cung cấp thông tin chi tiết về cách các loài hoạt động để thu được kết quả gần gũi với thực tế hơn không?
Theo O’Dwyer, một yếu tố làm cho mô hình trung lập hấp dẫn là sự hiện diện của những đặc tính chung sâu sắc giữa nhiều sinh vật. Mặc dù chúng có sự khác biệt, nhưng chúng thể hiện sự tương đồng đáng kể ở mức độ nào đó, ví dụ như hệ thống tuần hoàn. Các con số liên quan đến sinh lý học lặp lại ở động vật và thực vật, có thể phản ánh những hạn chế trong quá trình tiến hóa của chúng. Định luật Kleiber, ví dụ như, mô tả rằng tốc độ trao đổi chất tăng theo kích thước của động vật theo quy luật lũy thừa - một nguyên tắc phổ quát bất kể loài nào. (Nguyên tắc này vẫn đang gây tranh cãi về lý do tại sao nó lại đúng.)
Từ lý thuyết trung lập, những nhà sinh thái học đặt ra thách thức với quan điểm truyền thống về sự cạnh tranh sinh tồn trong thế giới tự nhiên. Các loài thực vật khác nhau, nhưng chúng chia sẻ một số đặc điểm ở một mức độ nào đó và tương hỗ lẫn nhau qua nhiều cơ chế để tồn tại. Hình ảnh này thể hiện sự đồng thuận của Quanta Magazine.
Dựa trên những dấu hiệu của trật tự nền tảng đó, O'Dwyer đặt ra câu hỏi liệu có những chi tiết quan trọng hơn trong cuộc đua sinh tồn và sự tồn tại của các loài qua thời gian tiến hóa hay không. Hãy xem xét 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 sinh vật là một con số đặc biệt quan trọng. Kích thước có thể đóng góp nhiều hơn trong việc mô hình hóa số phận của cá thể theo thời gian hơn bất kỳ chi tiết nào khác về chế độ ăn uống hoặc bản sắc loài.
O'Dwyer tự đặt câu hỏi liệu sức sống đặc biệt có thể được hiểu thông qua lịch sử vòng đời hay không, một khái niệm kết hợp các dữ liệu về loài như số con trung bình, thời gian đến khi trưởng thành theo giới tính và tuổi thọ. Hãy tưởng tượng một khu vườn với 50 cây độc đáo. Mỗi loại cây có vòng đời và phương thức sinh sản riêng. Sau ba tháng, một cây tạo ra 100 hạt, trong khi cây khác tạo ra 88 hạt. Có 80% hạt sẽ nảy mầm, tạo ra thế hệ tiếp theo, trải qua chu kỳ riêng của chúng. Trong cùng một loài, số lượng cây loại riêng sẽ thay đổi, đôi khi ít, đôi khi nhiều, hiện tượng được gọi là biến động dân số ngẫu nhiên (demographic noise). Nếu biến động này là ngẫu nhiên, theo lý thuyết trung lập của Hubbell, những mô hình nào sẽ xuất hiện qua các thế hệ tiếp theo?
O'Dwyer nhận ra rằng ông đã tìm thấy người có thể giúp ông giải quyết câu hỏi này khi Jops gia nhập phòng thí nghiệm với tư cách là một nghiên cứu sinh tốt nghiệp. Jops trước đây đã nghiên cứu liệu mô hình sử dụng lịch sử vòng đời có thể dự đoán liệu một loài thực vật dễ bị tổn thương có thể sống sót hay nó đang trên đường biến mất. Khi họ làm việc cùng nhau, họ bắt đầu khám phá phép toán mô tả những gì xảy ra khi lịch sử vòng đời đối mặt với sự cạnh tranh.
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 cách sử dụng lịch sử vòng đời để dự đoán khả năng tuyệt chủng của các loài thực vật. Ảnh: Quanta Magazine.Nhận định của O'Dwyer: Sự đối trọng tạo nên cuộc sống
Trong cấu trúc của Jops và O'Dwyer, cũng như trong các mô hình trung ương khác, yếu tố ngẫu nhiên - tác động của sự ngẫu nhiên lên các tương tác quy định giữa các loài - đó là một yếu tố vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, quá trình tiến hóa của các loài có thể làm tăng hoặc giảm thiểu tác động của yếu tố ngẫu nhiên đó. O'Dwyer mô tả: “Quá trình tiến hóa là một loại kính lúp giúp hiểu rõ hơn về nhân khẩu học của nhiễu.' Khi các nhà nghiên cứu cho phép mô hình của họ phát triển theo thời gian, diễn giả lịch sử qua từng bước đi trong vòng đời, họ phát hiện rằng một số loài cụ thể có thể tồn tại cùng nhau trong thời gian dài, ngay cả khi chúng đang đấu tranh để chiếm lấy cùng một nguồn tài nguyên. Đi sâu vào con số để tìm giải thích, Jops và O'Dwyer nhận ra rằng một thuật ngữ phức tạp gọi là quy mô dân số hiệu dụng có vẻ hữu ích để mô tả một loại sự cân bằng có thể tồn tại giữa các loài. Nói chung, nó tóm gọn ý rằng một loài có thể có tỷ lệ tử vong cao tại một giai đoạn trong vòng đời, sau đó là tỷ lệ tử vong thấp ở giai đoạn khác, trong khi một loài khác có thể có tỷ lệ tử vong thấp ở giai đoạn đầu và tỷ lệ tử vong cao ở giai đoạn sau. Nguyên tắc này càng tương đồng giữa hai loài thì khả năng chúng sống cùng nhau mặc dù cạnh tranh về không gian và dinh dưỡng càng cao. Vì số lượng cá thể ở mỗi giai đoạn của vòng đời đã được đánh đổi, chúng bù trừ lẫn nhau để duy trì một dân số ổn định. O'Dwyer chia sẻ: “Chúng trải qua một hành trình độc đáo trong lĩnh vực nhân khẩu học ở cùng một biên độ [nhưng ngược lại nhau], điều này quả thực là chìa khóa để chúng ta có thể chung sống lâu dài.”
Bốn loài cây thân thảo lâu năm (theo chiều kim đồng hồ từ trên cùng bên trái: Eryngium cuneifolium, Polygonella robusta, Lechea deckertii và Lechea cernua) này đồng tồn tại trong các cộng đồng ở Florida thay vì đẩy lùi nhau đến bờ vực tuyệt chủng. Dựa vào ước lượng của nghiên cứu mới, bốn loài này có lịch sử vòng đời đặc biệt giống nhau. Hình ảnh: Quanta Magazine.
Các nhà nghiên cứu đặt ra câu hỏi liệu những mô hình tương tự có phổ biến trong thế giới thực hay không. Họ tham chiếu vào cơ sở dữ liệu COMPADRE, nơi chứa thông tin chi tiết về hàng nghìn loài thực vật, nấm và vi khuẩn, được thu thập từ nhiều nghiên cứu và nguồn đa dạng, và tập trung vào những cây lâu năm sống chung trong cùng một khu đất rừng được nghiên cứu. Họ khám phá rằng, theo mô hình dự đoán, các loài thực vật sống cùng nhau có lịch sử vòng đời khớp nhau chặt chẽ: Các cặp loài sống trong cùng một hệ sinh thái thường bổ sung cho nhau nhiều hơn so với các cặp được chọn ngẫu nhiên.
Annette Ostling, nhà nghiên cứu sinh học tại Đại học Texas, Austin, chia sẻ rằng những khám phá này thể hiện cách các loài đang cạnh tranh có thể chung sống hòa thuận mà không cần đến việc phải chia nhau các khu vực sống. “Điều thú vị nhất là họ nhấn mạnh rằng những ý tưởng này… có thể áp dụng cho các loài đa dạng, tạo nên sự bổ sung cho nhau,” bà nói.
Đối với William Kunin, giáo sư sinh thái học tại Đại học Leeds ở Anh, bài báo đề xuất một lý do vì sao thế giới tự nhiên, với tất cả sự phức tạp của nó, có thể giống như một mô hình trung lập: Các quá trình sinh thái có thể tương hỗ lẫn nhau, khiến những yếu tố có vẻ vô số hóa lại mang lại một kết quả đơn giản mà ông mô tả là “tính trung lập nổi lên”. Về phần mình, Hubbell đánh giá cao việc mở rộng phạm vi nghiên cứu của mình. Ông nói: “Nó mở ra một số suy nghĩ về cách tổng hợp các mô hình trung lập, điều chỉnh chúng bằng cách thêm vào một chút độ khác biệt giữa các loài, mở rộng và thu hẹp để xem sự đa dạng trong một cộng đồng địa phương sẽ điều chỉnh như thế nào.”
Vòng đời cơ bản của một loài thực vật, từ khi là hạt giống đến khi sinh sản, trong suốt quá trình này, mỗi loài thực vật đều có tỷ lệ sinh sản và tử vong riêng biệt. Theo phát hiện của O'Dwyer, với hai loài cộng sinh, các tỷ lệ này có xu hướng điều chỉnh lẫn nhau để duy trì sự ổn định trong dân số. Ảnh: DrZigs. 
