Sự tương đồng giữa các giống loài: Mấu chốt của sự đa dạng

Một mô hình mới giải thích tại sao thiên nhiên lại đa dạng hơn so với những gì chúng ta đã biết trước đây.

Hơn bốn thập kỷ trước, các nhà sinh thái học thực địa đã bắt đầu đo lường mức độ đa dạng của cây cối trong một mảnh rừng trên đảo Barro Colorado ở Panama, nơi trở thành một trong những khu rừng được nghiên cứu tỉ mỉ nhất trên hành tinh. Họ bắt đầu đếm từng cây có thân rộng hơn một cm. Họ đã xác định loài, đo thân cây và tính toán sinh khối của từng cá thể. Họ trèo thang lên cây lớn, kiểm tra cây non và ghi lại tất cả vào những bảng tính dài dằng dặc.

Khi xem xét dữ liệu tích lũy hằng năm, họ bắt đầu nhận thấy điều kỳ lạ: với hơn 300 loài, sự đa dạng các loài cây trên hòn đảo chỉ rộng 15 km² này thật đáng kinh ngạc. Nhưng sự phân bổ này cũng rất chênh lệch, khi phần lớn cây trong số đó chỉ thuộc về một ít loài.

Đặc tính rất đa dạng và rất không đồng đều như thế đã được quan sát thấy trong các hệ sinh thái trên khắp thế giới, đặc biệt trong các khu rừng nhiệt đới. Nhà sinh thái học Stephen Hubbell của Đại học California, Los Angeles, thành viên của nhóm nghiên cứu tại Barro Colorado, ước tính, một nửa tổng số lượng cây thuộc về chưa đến 2% loài cây ở Amazon, nghĩa là 98% các loài còn lại thuộc dạng hiếm.

Tính đa dạng sinh học rất cao đi ngược lại với dự đoán của các lý thuyết phổ biến hiện nay về sinh thái học – vốn cho rằng trong một hệ sinh thái ổn định, mỗi ổ sinh thái hoặc mỗi vai trò sinh thái do một loài chiếm giữ. Lý thuyết ổ sinh thái cho rằng không đủ ổ sinh thái để cho tất cả các loài cũng tồn tại ổn định. Sự cạnh tranh ổ sinh thái giữa các loài tương đồng lẽ ra phải khiến những loài quý hiếm bị tuyệt chủng. 

Nhưng những gì chúng ta thấy ở đảo Barro Colorado và Amazon không phải như vậy. 

Một mô hình sinh thái mới của tác giả James O’Dwyer và Kenneth Jops (Đại học Illinois, Urbana-Champaign) được công bố trên tạp chí Nature ít nhất đã giải thích được một phần sự khác biệt 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 chung nếu các chi tiết về lịch sử sinh tồn của chúng  – chẳng hạn như thời gian sống và số cá thể của loài – sắp xếp theo đúng cách. 

Quay về năm 2001, mức độ đa dạng sinh học cao đầy nghịch lý của đảo Barro Colorado đã truyền cảm hứng cho Hubbell đề xuất lý thuyết mới mang tính đột phá – lý thuyết sinh thái trung tính. Khác với lý thuyết sinh thái học truyền thống nhấn mạnh sự cạnh tranh giữa các loài trong ổ sinh thái. Hubbell đã chỉ ra rằng tính cạnh tranh điều đó không thực sự là biến số quan trọng trong phương trình bởi vì trên thực tế, chính các cá thể trong cùng loài cũng cạnh tranh tài nguyên với đồng loại của nó. Ông gợi ý rằng các tính đa dạng sinh thái phần lớn là kết quả của các quá trình ngẫu nhiên.

Lý thuyết sinh thái trung tính của Hubbell bỏ qua các khác biệt về tuổi thọ, các đặc điểm dinh dưỡng và các chi tiết khác giúp phân biệt loài này với loài khác. Mô hình này xem mọi cá thể trong hệ sinh thái giả lập đều giống hệt nhau. Khi đồng hồ bắt đầu đếm, hệ sinh thái sẽ phát triển theo hướng các cá nhân cạnh tranh và thay thế lẫn nhau một cách ngẫu nhiên. Lý thuyết này hoàn toàn mâu thuẫn với các cách tiếp cận sinh thái dựa trên giống loài, và đã gây ra cuộc tranh luận gay gắt giữa các nhà sinh thái học vì nó có vẻ quá phản trực giác.

Tuy nhiên, rất đáng kinh ngạc, trải qua các bước diễn tiến ngẫu nhiên, mô hình sinh thái trung tính đã tái tạo các đặc điểm then chốt mà Hubbell và đồng nghiệp thấy được từ dữ liệu ở đảo Barro Colorado và những người khác đã thấy ở những nơi khác. Thật kỳ lạ, từ mô hình mà hầu như không thừa nhận sự khác biệt này lại lóe rạng những tia sáng của thế giới thực.

Còn đối với O’Dwyer, sự lệch pha giữa các mô hình so với thực tế đã thu hút anh từ lâu. Tại sao lý thuyết trung tính lại hiệu quả tốt như vậy. Có cách nào để cung cấp thông tin về cách thức sinh tồn của các loài để cho ra kết quả dự đoán gần thực tế hơn không?

O’Dwyer nói, một trong những điều làm cho các mô hình sinh thái trung tính trở nên hấp dẫn là nó gợi ý thực sự có những đặc điểm phổ quát sâu sắc giữa nhiều sinh vật sống. Các loài động vật khác nhau vẫn giống nhau một cách đáng kể ở cấp độ nào đó, chẳng hạn như hệ tuần hoàn. Những biểu hiện tương tự về sinh lý học lặp đi lặp lại ở động vật và thực vật, có lẽ phản ánh những ràng buộc của lịch sử tiến hóa chung. Ví dụ, theo định luật Kleiber, tốc độ trao đổi chất của động vật thường tăng theo kích thước của nó, mở rộng theo quy tắc lũy thừa, bất kể loài nào. (Đã có một số giả thuyết giải thích tính đúng đắn của định luật Kleiber được đưa ra, nhưng vẫn còn nhiều tranh luận). 

Với những gợi ý mang tính căn bản nói trên, O’Dwyer tự hỏi liệu một số chi tiết về cách thức sinh tồn có thực sự quan trọng [hơn các chi tiết khác] để xác định mức độ cạnh tranh và tồn tại thành công của các loài trong quá trình tiến hóa hay không. Hãy bàn luận thêm về 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 ‘cư dân’ trong đó, thì kích thước của các sinh vật là những con số quan trọng 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 các chi tiết khác về chế độ ăn uống hoặc đặc tính phân biệt giống loài. 

O’Dwyer tự hỏi liệu lịch sử sinh tồn có ẩn chứa yếu tố đặc thù, quan trọng nào không. Hãy tưởng tượng một cụm gồm 50 cây riêng lẻ. Mỗi loài có vòng đời và 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 riêng của chu kỳ này. Ngay cả trong cùng một loài, số lượng con cháu của từng cá thể vẫn khác nhau, có thể một chút, đôi khi rất nhiều, hiện tượng này được gọi là ‘nhiễu dân số’. Nếu sự thay đổi này là ngẫu nhiên, theo cách của lý thuyết trung lập của Hubbell, những đặc trưng nào sẽ xuất hiện qua các thế hệ tiếp nối nhau? 

O’Dwyer biết rằng anh đã tìm được người có thể giúp mình khám phá câu hỏi đó khi Jops trở thành nghiên cứu sinh của phòng thí nghiệm. Jops trước đây từng nghiên cứu liệu các mô hình dựa vào lịch sinh tồn có thể dự đoán một loài thực vật dễ bị tổn thương sẽ tiếp tục tồn tại hay đang trên đường tuyệt chủng. Họ cùng nhau bắt đầu tìm ra phép toán mô tả điều gì sẽ xảy ra khi sinh vật gặp phải sự cạnh tranh.

Trong mô hình của Jops và O’Dwyer cũng như các mô hình trung tính khác, ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên đến các tương tác tất định giữa các loài là rất quan trọng. Tuy nhiên, lịch sử sinh tồn của các loài có thể khuếch đại hoặc giảm thiểu tác động của sự ngẫu nhiên đó. “Lịch sử sinh tồn là lăng kính mà thông qua đó yếu tố ‘nhiễu dân số’ hoạt động,” O’Dwyer nói.

Khi các nhà nghiên cứu cài đặt mô hình tiến triển theo thời gian, đặt từng cá thể mô phỏng đi qua từng giai đoạn trong vòng đời của nó, họ phát hiện ra rằng một số loài nhất định có thể tồn tại bên cạnh nhau trong thời gian dài mặc dù chúng đang tranh giành cùng một nguồn tài nguyên. Jops và O’Dwyer nhận thấy rằng một mô hình phức tạp gọi là ‘quy mô dân số hiệu quả’ có thể giải thích, mô tả cách các loài có thể bổ trợ lẫn nhau. Tức là, một loài có tỷ lệ tử vong cao tại một thời điểm trong vòng đời, sau đó tỉ lệ tử vong sẽ xuống thấp hơn. Còn một loài khác sẽ có thời điểm tử vong so le: có tỷ lệ tử vong thấp ở thời điểm trước và cao hơn ở điểm thứ hai. Hai loài cùng có sự phân bố tỉ lệ tử vong này càng hợp lý thì càng có khả năng sinh tồn cạnh nhau mặc dù chúng cạnh tranh nhau về không gian và dinh dưỡng.

“Chúng trải qua cùng biên độ ‘nhiễu dân số’, đó là chìa khóa để chúng sinh tồn cùng nhau trong thời gian dài”, O’Dwyer cho biết. 

Các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu đây có phải là khuôn mẫu phổ biến trong thế giới thực hay không. Họ đã sử dụng cơ sở dữ liệu COMPADRE, nơi lưu trữ thông tin chi tiết về hàng nghìn loài thực vật, nấm và vi khuẩn được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, và chỉ tập trung vào những cây lâu năm sống cùng nhau trong cùng khu vực. Họ phát hiện ra rằng, đúng như mô hình đã dự đoán, các loài thực vật sống cùng nhau có lịch sử sinh tồn gần giống nhau: Hai loài sống trong cùng một hệ sinh thái có xu hướng bổ sung cho nhau nhiều hơn so với cặp được chọn ngẫu nhiên.

Giáo sư sinh học Annette Ostling (Đại học Texas, Austin) cho biết những phát hiện này cho thấy những cách thức mà các loài đang cạnh tranh có thể hoạt động tốt cùng nhau mà không cần tạo ra ổ sinh thái 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 giáo sư sinh thái học William Kunin tại Đại học Leeds (Anh quốc), 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 tính: Các quá trình sinh thái có thể triệt tiêu lẫn nhau, một phương trình với vô vàn các biến số lại cho ra một kết quả đơn giản. 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 tính, điều chỉnh chúng để tạo ra một chút khác biệt giữa các loài, mở rộng và thu hẹp để xem điều gì xảy ra với sự đa dạng trong một quần thể địa phương”. 

Tuy nhiên, đây chỉ là một trong những hướng nghiên cứu cách thức phát sinh và duy trì tính đa dạng sinh học. “Trong nghiên cứu sinh thái học, chúng ta phải vật lộn 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 xác định ‘quy mô dân số hiệu quả’ có thể giải thích sự cùng tồn tại [của các loài cạnh tranh nhau trong một quần thể] một cách nhất quán hay không.

Kunin hy vọng rằng bài báo sẽ truyền cảm hứng cho những người khác tiếp tục nghiên cứu lý thuyết sinh thái trung tính. Trong một lĩnh vực mà những phẩm chất độc đáo của cá nhân luôn thống trị, sự chia sẻ tương đồng của lý thuyết trung tính thách thức sức sáng tạo của các nhà sinh thái học. Ông nói: “Nó đã giúp chúng tôi thoát khỏi lối mòn tư duy và khiến chúng tôi suy xét điều gì thực sự quan trọng”. 

Hubbell, người đã đưa ra lý thuyết sinh thái trung tính cách đây nhiều năm, băn khoăn liệu bộ dữ liệu thực tế khổng lồ về các khu rừng có giúp làm sáng tỏ cho mối quan hệ giữa lịch sử sinh tồn [của các loài] với tính đa dạng sinh học hay không. “Tôi hy vọng đây là hướng phát triển lý thuyết này lên tầm cao mới, nhưng đó chỉ là một bước nhỏ để thực sự hiểu được sự đa dạng [của mẹ thiên nhiên].”□

Cao Hồng Chiến dịch 

Nguồn: https://www.quantamagazine.org/the-key-to-species-diversity-may-be-in-their-similarities-20230626/?