I. Sóng nhiệt biển Hiểu đúng mối đe dọa với hệ sinh thái biển
Trong bối cảnh nóng lên toàn cầu, sóng nhiệt biển (Marine Heatwaves - MHW) nổi lên như một trong những mối đe dọa nghiêm trọng nhất đối với hệ sinh thái biển. Đây là những giai đoạn nhiệt độ nước biển tăng cao bất thường, kéo dài và có thể gây ra những hậu quả tàn khốc. Các sự kiện này không chỉ là dấu hiệu của biến đổi khí hậu mà còn là tác nhân trực tiếp làm thay đổi cấu trúc và chức năng của môi trường đại dương. Tần suất, cường độ và thời gian của các đợt sóng nhiệt biển đã gia tăng đáng kể trong những thập kỷ qua, ảnh hưởng đến mọi sinh vật từ vi tảo đến các loài động vật ăn thịt đầu bảng. Trong đó, loài giáp xác, bao gồm các loài quan trọng về kinh tế và sinh thái như tôm hùm, cua và copepod, đặc biệt nhạy cảm. Chúng chiếm một vị trí trung tâm trong chuỗi thức ăn đại dương, là cầu nối vận chuyển năng lượng từ các sinh vật sản xuất sơ cấp lên các bậc dinh dưỡng cao hơn. Bất kỳ sự suy giảm nào trong quần thể giáp xác đều có thể gây ra hiệu ứng gợn sóng, tác động tiêu cực đến sự ổn định của toàn bộ hệ sinh thái, ảnh hưởng đến ngành khai thác thủy sản và cuối cùng là an ninh lương thực của con người. Nghiên cứu của Vũ Ngọc Anh (2024) đã cung cấp những bằng chứng rõ ràng về tác động của MHW lên loài copepod Pseudodiaptomus incisus, một đại diện quan trọng của nhóm giáp xác ở vùng biển nhiệt đới.
1.1. Định nghĩa sóng nhiệt biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu
Sóng nhiệt biển được định nghĩa là những giai đoạn mà nhiệt độ bề mặt nước biển cao hơn mức bình thường một cách đáng kể trong ít nhất năm ngày liên tiếp. Theo các nhà khoa học, một sự kiện được coi là MHW khi nhiệt độ vượt qua ngưỡng phân vị thứ 90 so với dữ liệu lịch sử 30 năm. Nguyên nhân chính của hiện tượng này liên quan sâu sắc đến sự tích tụ nhiệt trong đại dương do nóng lên toàn cầu. Các yếu tố khí quyển và hải dương học, như dòng chảy đại dương và các hiện tượng khí hậu quy mô lớn như El Niño, cũng góp phần làm tăng cường độ và tần suất của chúng. Những sự kiện nhiệt độ cực đoan này không chỉ là những dao động ngẫu nhiên mà là một xu hướng rõ ràng, ngày càng trở nên phổ biến và nghiêm trọng hơn, đặt ra thách thức lớn cho sức chống chịu của hệ sinh thái.
1.2. Vai trò của giáp xác trong chuỗi thức ăn đại dương
Giáp xác, đặc biệt là các loài động vật phù du như copepod, đóng vai trò không thể thay thế trong chuỗi thức ăn đại dương. Chúng là nguồn thức ăn chính cho ấu trùng cá, cá nhỏ và nhiều sinh vật biển khác. Sự phong phú và sức khỏe của các quần thể giáp xác quyết định trực tiếp đến năng suất của các ngư trường và sự tồn tại của các loài ở bậc dinh dưỡng cao hơn. Ví dụ, loài Pseudodiaptomus incisus là một mắt xích quan trọng trong hệ sinh thái ven biển Việt Nam. Sự sụt giảm số lượng của chúng do các yếu tố căng thẳng như sóng nhiệt biển có thể làm gián đoạn dòng năng lượng, dẫn đến suy giảm quần thể cá và ảnh hưởng trực tiếp đến ngành khai thác thủy sản.
II. Phân tích tác động kép Sóng nhiệt cá săn mồi lên giáp xác
Sinh vật biển hiếm khi phải đối mặt với một yếu tố gây căng thẳng đơn lẻ. Trong tự nhiên, sóng nhiệt biển thường xảy ra đồng thời với các áp lực sinh học khác, chẳng hạn như nguy cơ bị săn mồi. Sự kết hợp giữa căng thẳng phi sinh học (nhiệt độ cao) và sinh học (sự hiện diện của cá săn mồi) tạo ra một tác động cộng hưởng phức tạp, thường nghiêm trọng hơn nhiều so với tác động của từng yếu tố riêng lẻ. Nghiên cứu về Pseudodiaptomus incisus cho thấy rõ điều này. Khi chỉ có tín hiệu hóa học từ cá săn mồi (Fish Predator Cues - FPC), loài copepod này có xu hướng tăng cường hoạt động sinh sản như một chiến lược bù đắp cho tổn thất tiềm tàng. Tuy nhiên, khi đối mặt đồng thời với MHW, chiến lược này sụp đổ. Năng lượng mà chúng phải tiêu tốn để duy trì các chức năng sinh lý học sinh vật biển cơ bản trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt không còn đủ để duy trì mức sinh sản cao. Kết quả là, tác động tiêu cực của sóng nhiệt biển bị khuếch đại, dẫn đến suy giảm mạnh hơn về khả năng sống sót và sinh sản, đe dọa sự tồn tại lâu dài của quần thể giáp xác và gây bất ổn cho mạng lưới thức ăn.
2.1. Suy giảm sinh lý do nhiệt độ bề mặt nước biển tăng cao
Nhiệt độ cao vượt ngưỡng tối ưu gây ra hàng loạt rối loạn sinh lý ở giáp xác. Quá trình trao đổi chất tăng vọt, dẫn đến nhu cầu oxy cao hơn trong khi nồng độ oxy hòa tan trong nước ấm lại giảm (hiện tượng suy giảm oxy biển). Điều này tạo ra một "cái bẫy" sinh lý, buộc sinh vật phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn chỉ để tồn tại. Các chức năng quan trọng khác như sinh trưởng, miễn dịch và sinh sản bị ảnh hưởng nặng nề do tài nguyên năng lượng bị chuyển hướng để đối phó với stress nhiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng MHW làm giảm tỷ lệ sống, tốc độ phát triển và khả năng sinh sản của nhiều loài giáp xác, từ đó làm suy yếu toàn bộ quần thể.
2.2. Áp lực từ hành vi săn mồi trong môi trường biến đổi
Sự hiện diện của cá săn mồi, ngay cả khi không có sự săn bắt trực tiếp, cũng tạo ra áp lực đáng kể thông qua các tín hiệu hóa học. Các tín hiệu này (FPC) kích hoạt các phản ứng phòng vệ ở con mồi, chẳng hạn như thay đổi hành vi săn mồi (giảm kiếm ăn để tránh bị phát hiện) hoặc tăng cường sinh sản. Tuy nhiên, dưới tác động của sóng nhiệt biển, những phản ứng này trở nên kém hiệu quả hoặc thậm chí có hại. Năng lượng cần thiết cho các phản ứng chống lại kẻ săn mồi bị cạnh tranh bởi nhu cầu năng lượng để đối phó với nhiệt độ cao. Điều này làm cho giáp xác trở nên dễ bị tổn thương hơn trước cả hai mối đe dọa, tạo ra một vòng xoáy tiêu cực.
III. Bằng chứng tác động trực tiếp lên sinh tồn sinh sản giáp xác
Nghiên cứu của Vũ Ngọc Anh (2024) trên P. incisus đã lượng hóa các tác động trực tiếp của sóng nhiệt biển và tín hiệu cá săn mồi. Kết quả từ thế hệ F1 (thế hệ trực tiếp tiếp xúc với stress) cho thấy những bằng chứng không thể chối cãi. Khi tiếp xúc với MHW (34°C so với 30°C đối chứng), tỷ lệ sống sót của cả cá thể đực và cái đều giảm 17-18%. Đây là một minh chứng rõ ràng về tác động gây chết của nhiệt độ cực đoan lên sinh lý học sinh vật biển. Quan trọng hơn, khả năng sinh sản bị ảnh hưởng nghiêm trọng hơn. Số lượng ấu trùng nở trên mỗi túi trứng giảm tới 62%, và tổng số ấu trùng tích lũy cũng như lượng viên phân (chỉ số về mức độ ăn) đều giảm khoảng 28%. Đáng chú ý, sự hiện diện của FPC đã khuếch đại tác động tiêu cực của MHW lên việc kiếm ăn và sinh sản, xác nhận giả thuyết về tác động cộng hưởng. Mặc dù FPC có thể kích thích sinh sản trong điều kiện bình thường, lợi ích này hoàn toàn biến mất dưới stress nhiệt, cho thấy giáp xác không thể duy trì các phản ứng chống kẻ săn mồi tốn kém năng lượng khi đang phải vật lộn để sinh tồn trong môi trường quá nóng.
3.1. Giảm tỷ lệ sống sót và chức năng sinh lý học sinh vật biển
Thí nghiệm cho thấy MHW là yếu tố gây chết trực tiếp. Tỷ lệ tử vong tăng 17-18% ở thế hệ F1 cho thấy nhiệt độ 34°C đã vượt qua ngưỡng chịu đựng sinh lý của loài P. incisus. Sự suy giảm này có thể là do tổn thương tế bào, rối loạn chức năng enzyme và sự mất cân bằng giữa nhu cầu và nguồn cung oxy. Hơn nữa, kích thước cơ thể khi trưởng thành của giáp xác cũng giảm trong điều kiện MHW. Kích thước nhỏ hơn có thể làm giảm khả năng cạnh tranh, trốn thoát kẻ thù và khả năng sinh sản, ảnh hưởng lâu dài đến sự thành công của quần thể giáp xác.
3.2. Hiệu ứng cộng hưởng tiêu cực khi có tín hiệu cá săn mồi
Kết quả nghiên cứu nhấn mạnh rằng việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu cần xem xét các tương tác sinh học. Hiệu ứng của FPC thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường, FPC làm tăng số ấu trùng nở và lượng viên phân, cho thấy một phản ứng thích nghi. Tuy nhiên, dưới điều kiện MHW, sự gia tăng này không được duy trì. Tác động cộng hưởng tiêu cực thể hiện rõ rệt khi khả năng sinh sản và kiếm ăn của P. incisus giảm mạnh hơn khi có cả MHW và FPC. Điều này cho thấy các mô hình dự báo chỉ dựa trên yếu tố nhiệt độ có thể đã đánh giá thấp mức độ rủi ro thực sự đối với các hệ sinh thái biển.
IV. Bí quyết sinh tồn Thích ứng di truyền đối phó sóng nhiệt biển
Một trong những phát hiện đột phá nhất của nghiên cứu là vai trò của tính mềm dẻo xuyên thế hệ (Transgenerational Plasticity - TGP) trong việc giúp giáp xác đối phó với sóng nhiệt biển. TGP là hiện tượng môi trường mà thế hệ bố mẹ trải qua có thể ảnh hưởng đến đặc điểm của thế hệ con cháu thông qua các cơ chế phi di truyền, chẳng hạn như thay đổi biểu sinh. Đối với P. incisus, kết quả ở thế hệ F2 (con của thế hệ F1 đã tiếp xúc với stress) cho thấy một bức tranh đầy hy vọng nhưng cũng rất phức tạp. Đáng kinh ngạc nhất, tác động gây chết của MHW đã được vô hiệu hóa hoàn toàn ở thế hệ F2 có bố mẹ cũng từng trải qua MHW. Tỷ lệ sống sót của chúng trở lại mức tương đương với nhóm đối chứng. Điều này cho thấy một khả năng thích ứng nhanh chóng, giúp nâng cao sức chống chịu của hệ sinh thái ở cấp độ quần thể. Tuy nhiên, sự phục hồi này không hoàn toàn. Mặc dù sống sót tốt hơn, khả năng sinh sản và kiếm ăn của chúng vẫn thấp hơn đáng kể so với điều kiện bình thường, cho thấy có một sự đánh đổi sinh học: năng lượng được ưu tiên cho sinh tồn thay vì sinh sản. Phát hiện này mang ý nghĩa quan trọng cho bảo tồn biển.
4.1. Khái niệm và cơ chế của tính mềm dẻo xuyên thế hệ TGP
Tính mềm dẻo xuyên thế hệ (TGP) là một cơ chế thích ứng nhanh, cho phép con cái được "chuẩn bị trước" cho môi trường mà bố mẹ chúng đã trải qua. Cơ chế này không làm thay đổi trình tự DNA mà thông qua các sửa đổi biểu sinh như methyl hóa DNA, hoặc thông qua việc truyền các nguồn lực (dinh dưỡng, hormone) từ mẹ sang trứng. TGP đặc biệt quan trọng đối với các sinh vật có vòng đời ngắn như copepod, giúp chúng đối phó với những thay đổi môi trường nhanh chóng và có thể dự đoán được như sóng nhiệt biển, vốn thường kéo dài hơn một thế hệ của chúng.
4.2. Hiệu quả giảm nhẹ tác động gây chết của MHW ở thế hệ con
Nghiên cứu đã chứng minh rằng TGP có thể loại bỏ hoàn toàn tác động tiêu cực của MHW lên tỷ lệ sống sót. Những cá thể F2 có bố mẹ (F1) từng tiếp xúc MHW, khi được nuôi trong môi trường MHW, lại có tỷ lệ sống cao hơn khoảng 10% so với những cá thể F2 có bố mẹ sống trong điều kiện bình thường. Sự cải thiện này có thể do chọn lọc tự nhiên đã loại bỏ các kiểu gen nhạy cảm nhất ở thế hệ F1, hoặc do các cơ chế biểu sinh được kích hoạt. Tuy nhiên, sự thích ứng này có giới hạn, vì các chỉ số về sinh sản vẫn bị suy giảm, cho thấy cái giá phải trả cho việc sống sót trong môi trường khắc nghiệt.
V. Hệ quả cho hệ sinh thái biển ngành khai thác thủy sản
Những phát hiện từ nghiên cứu về sóng nhiệt biển và giáp xác mang lại những hệ quả sâu sắc đối với việc quản lý hệ sinh thái biển và ngành khai thác thủy sản. Mặc dù khả năng thích ứng xuyên thế hệ (TGP) mang lại một tia hy vọng về sức chống chịu của hệ sinh thái, sự phục hồi không hoàn toàn ở các chỉ số sinh sản là một cảnh báo nghiêm trọng. Việc quần thể giáp xác có thể sống sót qua các đợt MHW nhưng lại giảm mạnh khả năng sinh sản sẽ dẫn đến sự suy giảm số lượng về lâu dài. Điều này trực tiếp làm giảm nguồn thức ăn cho các loài cá có giá trị thương mại, gây áp lực lớn lên ngành khai thác thủy sản. Các loài như tôm hùm và cua, vốn cũng là giáp xác và nhạy cảm với nhiệt độ, có thể phải đối mặt với những thách thức tương tự. Sự sụt giảm sản lượng không chỉ gây tổn thất kinh tế mà còn đe dọa an ninh lương thực ở các cộng đồng ven biển phụ thuộc vào nguồn lợi hải sản. Do đó, việc hiểu rõ các tác động cộng hưởng và khả năng thích ứng có giới hạn của sinh vật biển là cực kỳ quan trọng để xây dựng các kịch bản ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu.
5.1. Rủi ro đối với quần thể giáp xác như tôm hùm và cua
Mặc dù nghiên cứu tập trung vào copepod, các cơ chế sinh lý cơ bản về stress nhiệt là tương tự ở nhiều loài giáp xác khác. Các loài có giá trị kinh tế cao như tôm hùm và cua cũng đang phải đối mặt với nguy cơ từ sóng nhiệt biển. Các sự kiện MHW đã được ghi nhận là nguyên nhân gây ra các đợt chết hàng loạt và thay đổi sự phân bố của các loài này. Sự suy giảm sinh sản được quan sát ở copepod có thể là một dấu hiệu cảnh báo sớm cho các tác động tương tự lên các loài lớn hơn, đe dọa sự bền vững của các ngành đánh bắt và nuôi trồng quan trọng.
5.2. Thách thức cho an ninh lương thực và kinh tế biển
Sự suy giảm của quần thể giáp xác và các loài cá phụ thuộc vào chúng sẽ tạo ra thách thức lớn cho an ninh lương thực toàn cầu. Nhiều quốc gia, đặc biệt là ở Đông Nam Á, phụ thuộc nhiều vào nguồn protein từ biển. Sự bất ổn trong chuỗi thức ăn đại dương do nóng lên toàn cầu có thể làm giảm sản lượng đánh bắt, tăng giá thực phẩm và ảnh hưởng đến sinh kế của hàng triệu người. Việc quản lý bền vững các nguồn lợi biển đòi hỏi phải tích hợp những hiểu biết khoa học về tác động của khí hậu vào các chính sách khai thác và bảo tồn.
VI. Hướng đi tương lai Nâng cao sức chống chịu của hệ sinh thái
Nghiên cứu về sóng nhiệt biển và giáp xác không chỉ vạch ra các mối đe dọa mà còn gợi mở những hướng đi cho tương lai trong lĩnh vực bảo tồn biển. Việc phát hiện ra cơ chế thích ứng xuyên thế hệ (TGP) cho thấy các hệ sinh thái có tiềm năng tự phục hồi nhất định, nhưng tiềm năng này là có hạn. Do đó, các chiến lược bảo tồn cần phải vượt ra ngoài các phương pháp truyền thống. Thay vì chỉ tập trung vào việc bảo vệ các loài riêng lẻ, cần có một cách tiếp cận dựa trên hệ sinh thái, nhằm nâng cao sức chống chịu của hệ sinh thái một cách tổng thể. Điều này bao gồm việc giảm thiểu các yếu tố gây căng thẳng khác như ô nhiễm, khai thác quá mức và phá hủy môi trường sống, để tạo điều kiện cho các quần thể sinh vật có không gian và nguồn lực để thích ứng với những thách thức không thể tránh khỏi của biến đổi khí hậu. Các nghiên cứu trong tương lai cần tiếp tục khám phá các tác động cộng hưởng của nhiều yếu tố gây stress, bao gồm cả axit hóa đại dương và sự xuất hiện của các loài xâm lấn, để có được một bức tranh toàn diện và xây dựng các giải pháp bảo tồn hiệu quả hơn.
6.1. Giám sát tác động cộng hưởng và các loài xâm lấn
Để bảo vệ hệ sinh thái biển, cần thiết lập các chương trình giám sát dài hạn để theo dõi tác động đồng thời của nhiều yếu tố gây stress. Bên cạnh sóng nhiệt biển và áp lực săn mồi, các yếu tố khác như axit hóa đại dương, suy giảm oxy biển và sự bùng phát của loài xâm lấn cần được đánh giá một cách tổng hợp. Việc hiểu rõ các tương tác phức tạp này sẽ giúp các nhà quản lý dự báo tốt hơn về những thay đổi của hệ sinh thái và đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời, chẳng hạn như kiểm soát các loài xâm lấn có thể tận dụng lợi thế trong điều kiện môi trường thay đổi.
6.2. Chiến lược bảo tồn biển dựa trên hiểu biết về TGP
Hiểu biết về TGP mở ra một hướng tiếp cận mới cho bảo tồn biển. Các khu bảo tồn biển có thể được thiết kế không chỉ để bảo vệ đa dạng sinh học hiện có mà còn để thúc đẩy tiềm năng thích ứng của các quần thể. Bằng cách duy trì các quần thể lớn, khỏe mạnh và có sự đa dạng di truyền cao, chúng ta có thể tối đa hóa khả năng xảy ra các phản ứng thích ứng như TGP. Các chiến lược như hỗ trợ di cư, nhằm di chuyển các cá thể từ những quần thể đã có khả năng chống chịu tốt hơn đến các khu vực dễ bị tổn thương, cũng có thể được xem xét dựa trên những hiểu biết sâu sắc về khả năng thích ứng xuyên thế hệ.
