Chuyên gia tiết lộ việc “hóa thạch sống” thực vật sinh sản tự nhiên khó đến mức nào
Trong tự nhiên, một số loài thực vật được mệnh danh là “ hóa thạch sống” vì tuổi thọ dài đến kinh ngạc của chúng, vấn đề sinh sản tự nhiên của “hóa thạch sống” thực vật
Hạt giống là chìa khóa để sinh sản thực vật. Chúng chứa thông tin di truyền của cây và có khả năng chịu đựng tốt sự khắc nghiệt của môi trường tự nhiên. Trong điều kiện môi trường thích hợp, hạt sẽ nảy mầm và phát triển thành những cá thể cây mới. Tuy nhiên, hiệu quả bảo quản hạt giống “hóa thạch sống” thực vật tương đối kém khiến việc sinh sản tự nhiên của chúng gặp khó khăn.
Hạt của hầu hết các loài thực vật đều yêu cầu những điều kiện môi trường cụ thể để bảo tồn và sinh sản. Ví dụ, hạt của một số loại cây “hóa thạch sống” chỉ có thể tồn tại trong môi trường ẩm ướt và chỉ có thể nảy mầm trong điều kiện nhiệt độ và ánh sáng nhất định. Điều này có nghĩa là nếu hạt giống không tìm được môi trường thích hợp kịp thời sẽ khó tồn tại, khiến cây không thể sinh sản tự nhiên.
Hiệu suất bảo quản kém của hạt giống “hóa thạch sống” thực vật cũng được phản ánh ở chỗ chúng phản ứng yếu với môi trường nghịch cảnh bên ngoài. Bởi vì chúng trải qua rất ít thay đổi khi lớn lên nên hạt của những cây này có khả năng chống chịu tương đối kém hơn trước các yếu tố như biến đổi khí hậu, các chất độc hại và hoạt động của con người.
Trong xã hội đương đại, các vấn đề như biến đổi khí hậu, sự can thiệp của con người và ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng đã mang đến những thách thức lớn cho quá trình sinh sản tự nhiên của các “hóa thạch sống” thực vật.
Để giải quyết vấn đề hiệu suất bảo quản kém của hạt giống “hóa thạch sống” thực vật, các nhà khoa học đã tiến hành một loạt nghiên cứu và khám phá. Họ phát hiện ra rằng bằng cách nghiên cứu biến thể di truyền ở hạt giống, các giống mới có đặc tính bảo quản tốt hơn có thể được phát triển. Ngoài ra, việc sử dụng các công nghệ hiện đại như bảo quản lạnh, ngân hàng hạt giống và chỉnh sửa gen cũng có thể cải thiện hiệu quả hiệu quả bảo quản hạt giống. Những nỗ lực này mang lại hy vọng mới cho sự sinh sản tự nhiên của “hóa thạch sống” thực vật.
Khó sinh sản và chu kỳ sinh trưởng dài
Khó khăn trong việc nhân giống những loài thực vật “hóa thạch sống” này phần lớn là do môi trường sinh thái đặc biệt và phương pháp sinh sản độc đáo của chúng. Ví dụ, cây bạch quả là một ví dụ rõ ràng. Cây bạch quả là loài cây cổ thụ mọc ở châu Á. Cách sinh sản chính của chúng là thông qua hạt giống, thay vì các phương pháp thông thường là giâm cành hoặc chia cành. Tuy nhiên, vỏ hạt của cây bạch quả rất cứng và chỉ có thể nảy mầm sau một thời gian dài bị phân hủy. Điều này khiến quá trình nhân giống cây bạch quả trở nên vô cùng phức tạp và tốn thời gian, đòi hỏi phải chờ đợi rất lâu trước khi thấy cây non mới phát triển.
Ngoài khó khăn trong việc nhân giống, chu kỳ sinh trưởng của những loài thực vật “hóa thạch sống” này cũng rất dài. Ví dụ, tuổi thọ trung bình của cây tuyết tùng Nhật Bản ở tỉnh Miyazaki có thể lên tới hơn 1.000 năm. Hơn nữa, tốc độ tăng trưởng của cây tuyết tùng Nhật Bản rất chậm, chỉ vài centimet mỗi năm và đôi khi không thể thấy sự thay đổi tăng trưởng rõ ràng trong nhiều thập kỷ. Điều này có nghĩa là các nhà khoa học cần đầu tư nhiều thời gian và sức lực vào việc nghiên cứu, bảo vệ những loài thực vật “hóa thạch sống” này để hiểu rõ hơn về vòng đời cũng như cơ chế sinh sản của chúng.
Phụ thuộc mạnh mẽ vào môi trường cụ thể
Video đang HOT
Những loài thực vật “hóa thạch sống” này thường chỉ phát triển mạnh ở những môi trường địa lý cụ thể. Ví dụ như cây thông Tương Sơn là một loại cây cổ thụ ở Trung Quốc, nó chỉ có thể mọc ở đất Tương Sơn và một số ít nơi khác. Loại cây này có khả năng thích nghi cực kỳ cao với các điều kiện môi trường mà nó tồn tại, nhưng nó cũng đặt ra những hạn chế trong quá trình sinh sản của nó. Khi môi trường thay đổi như thành phần đất thay đổi, khí hậu nóng lên…, những loài thực vật này sẽ đứng trước nguy cơ khó sinh sản cho thế hệ tương lai.
Cách những cây này sinh sản cũng hạn chế sự lây lan tự nhiên của chúng. Một số thực vật “hóa thạch sống” như cây độc cần và linh sam bạc là những cây có khả năng sinh sản chủ yếu dựa vào sự phát tán phấn hoa. Phấn hoa phải được chuyển từ hoa đực sang hoa cái để hoàn tất quá trình thụ tinh, phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như côn trùng hoặc gió. Do những khó khăn trong việc nhân giống những cây này trong môi trường khô cằn và lạnh giá nên tốc độ sinh sản tự nhiên của chúng tương đối chậm.
Một số thực vật “hóa thạch sống” cũng phụ thuộc vào các sinh vật khác, điều này càng hạn chế sự lây lan của chúng. Lấy dương xỉ làm ví dụ, thường cần có sự cộng sinh với nấm trong hệ sinh thái dương xỉ để phát triển bình thường. Mối quan hệ cộng sinh này được gọi là mycorrhizae, nơi nấm cung cấp nước và chất dinh dưỡng cho cây bằng cách hình thành cấu trúc cộng sinh với rễ cây. Nếu không có mối quan hệ cộng sinh này thì những cây này sẽ không thể sinh trưởng và phát triển tốt.
Sự suy giảm đa dạng di truyền hạn chế khả năng thích nghi
Đa dạng di truyền đề cập đến mức độ biến đổi di truyền trong một nhóm hoặc loài. Sự thích hợp của một loài thường liên quan đến sự đa dạng di truyền của nó, bởi vì ở nơi nào có sự đa dạng di truyền cao thì có thể xảy ra nhiều sự kết hợp gen và những thay đổi thích nghi hơn. Tuy nhiên, “hóa thạch sống” thực vật có độ đa dạng di truyền tương đối thấp do lịch sử tồn tại lâu dài và những hạn chế trước những thay đổi của môi trường.
Do tồn tại lâu dài và môi trường ổn định nên tính đa dạng di truyền của các “hóa thạch sống” thực vật đã bị hạn chế trong quá trình tiến hóa. Những loài thực vật này đã tồn tại trên Trái Đất trong một thời gian dài và môi trường nơi chúng phát triển tương đối ổn định, chưa trải qua những thay đổi môi trường quy mô lớn. Một môi trường như vậy sẽ gây bất lợi cho sự đa dạng di truyền của thực vật vì việc thiếu các thách thức và căng thẳng về môi trường, làm giảm cơ hội biến đổi gen. Ngược lại, thực vật sống trong môi trường phức tạp và đa dạng hơn có thể phải đối mặt với nhiều thay đổi chọn lọc và thích nghi hơn, do đó có tính đa dạng di truyền cao hơn.
Quá trình sinh sản tự nhiên của nhiều loài “hóa thạch sống” thực vật thường bị hạn chế vì chúng thường chỉ có thể sinh sản vô tính. Sinh sản vô tính là sinh sản thông qua các cơ quan vô tính như thân rễ, củ hoặc cành của cây, phương pháp này không bao gồm quá trình giao phối và tái tổ hợp di truyền. Vì vậy, không có vật liệu di truyền mới nào được đưa vào trong quá trình sinh sản của chúng, dẫn đến sự giảm đa dạng di truyền. Ngược lại, các loài thực vật khác sinh sản thông qua sinh sản hữu tính, có thể tạo ra các tổ hợp gen mới và tăng tính đa dạng di truyền cũng như khả năng thích ứng thông qua tái tổ hợp di truyền.
Sự đa dạng di truyền giảm làm hạn chế khả năng thích nghi của “hóa thạch sống” thực vật. Giảm đa dạng di truyền có nghĩa là thiếu sự kết hợp của các gen để thích nghi với môi trường mới. Những cây này không thể thích nghi nhanh chóng khi phải đối mặt với những áp lực môi trường mới vì chúng thiếu sự đa dạng di truyền để chọn ra tổ hợp gen phù hợp. Đối với những loài có tính đa dạng di truyền cao, chúng có thể nhanh chóng thích nghi với điều kiện môi trường mới thông qua quá trình tái tổ hợp và chọn lọc di truyền.
Vai trò vận chuyển mầm sống của chim và thú trong biến đổi khí hậu
Khác với thú thường trữ thức ăn lâu trong ruột, chim có tốc độ tiêu hóa rất nhanh, có loài chỉ cần 20 phút sau khi nuốt hạt là thải ra luôn.
Liệu chim có giữ được hạt đủ lâu để mang chúng đi đủ xa không?
Các nhà nghiên cứu ước tính rằng hơn một nửa số thực vật có hạt trên thế giới phụ thuộc vào việc phát tán hạt qua động vật trung gian và nếu tính riêng các khu rừng nhiệt đới, con số này là 75% hoặc cao hơn. Theo nhà sinh thái học tại Virginia Tech, Haldre Rogers, sự phụ thuộc đó diễn ra với nhiều hình thức khác nhau.
Ví dụ, như ở đảo Guam, động vật ăn trái cây đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cho thực vật bản địa được duy trì liên tục. Hạt giống được động vật phát tán ngẫu nhiên có thể rơi xuống những điểm phát triển mới tươi tốt và đảm bảo tính đa dạng của hệ sinh thái. Bởi những quả rơi rụng thì chỉ biết nằm dưới cái bóng của cây mẹ.
Và những hạt rơi như vậy cũng đã mất đi bước quan trọng thường là quá trình đi qua ruột động vật. Quá trình tiêu hóa có thể rửa trôi các phân tử ức chế sự nảy mầm và loại bỏ "thịt" xung quanh hạt mà nếu để nguyên có thể thúc đẩy nấm và các mầm bệnh khác phát triển.
Mỗi loài động vật đều có vai trò trong hệ sinh thái
Trong Đánh giá thường niên về Hệ thống Sinh thái và Tiến hóa năm 2021, Rogers và các đồng nghiệp đã mô tả một hoạt động sinh thái khác sẽ rất quan trọng để thực vật vẫn tồn tại sau biến đổi khí hậu: vận chuyển hạt giống vượt ra ngoài phạm vi hiện tại của cây cha mẹ.
Khi nhiệt độ tăng lên, thực vật sẽ phải tuân theo điều kiện khí hậu bị biến đổi mà chúng cần thích nghi. Nói đơn giản thì thực vật ở Bắc bán cầu sẽ dịch chuyển về phía Bắc càng sớm càng tốt và các loài ở Nam bán cầu cần Nam tiến càng nhanh càng hay, hoặc chuyển đến phát triển ở những nơi có cao độ lớn hơn.
Tại sao lại vậy? Juan P. González-Varo, nhà sinh thái học tại Đại học Cadiz ở Tây Ban Nha, giải thích rằng vì nhiệt độ trung bình thay đổi theo vĩ độ - càng xa xích đạo thì càng mát hơn. Từ đó, dựa trên dữ liệu về tốc độ nóng lên toàn cầu, các nhà sinh thái học có thể tính toán tốc độ mà một loài thực vật cần di chuyển về những vùng có khí hậu mát hơn để tồn tại. Ước tính tốc độ hiện tại là 4,2km mỗi thập niên.
Tốc độ đó là quá chậm với chúng ta nhưng là tốc độ di cư chóng mặt với thực vật. González-Varo cho biết tốc độ di chuyển cần thiết sẽ lớn hơn đối với cây đậu quả thân gỗ vì chúng thường mất nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập niên để trưởng thành và có khả năng sinh sản. Các nhà sinh thái học đang đặt câu hỏi liệu quần thể động vật hiện hữu có đủ sức giúp thực vật đạt được điều này hay không.
Ví dụ, công trình nghiên cứu của González-Varo tập trung vào các loài chim. Ông nói rằng vào giữa những năm 2010, khi các nhà sinh thái học mô tả tầm quan trọng của sự di cư của thực vật trong tương lai, một số đã nói rằng các loài chim di cư có lợi thế để di chuyển hạt giống đi những khoảng cách cần thiết.
Nhưng mặc dù các loài chim di cư thực hiện những hành trình dài nhưng hạt giống thường phải đi qua đường tiêu hóa của loài chim. Khác với thú thường trữ thức ăn lâu trong ruột, chim có tốc độ tiêu hóa rất nhanh, có loài chỉ cần 20 phút sau khi nuốt hạt là thải ra luôn. Liệu chim có giữ được hạt đủ lâu để mang chúng đi đủ xa không?
Các nhà nghiên cứu kiểm tra thành phần ruột của các loài chim di cư trên Quần đảo Canary của Đại Tây Dương và đã tìm thấy hạt giống từ đất liền cách đó khoảng 170 km. Điều đó cho thấy sự phát tán tầm xa vẫn có thể xảy ra. Nhưng González-Varo vẫn cảm thấy có vấn đề và vào năm 2021, ông cùng các đồng nghiệp đã công bố kết quả khảo sát các khu rừng ở châu Âu mà trong đó đưa ra kết luận đầy bi quan: Các loài chim di cư sau khi ăn trái cây thường đi sai hướng mà chúng ta mong muốn.
Các nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu từ 949 trường hợp về 46 loài chim ăn trái cây của 81 loại cây khác nhau. Họ quan sát thấy rằng các loài chim di cư có xu hướng ăn trái cây châu Âu khi chúng đi về phía nam vào mùa đông, tức là di chuyển từ nơi có khí hậu lạnh hơn đến nơi ấm hơn.
Hướng di chuyển đó rõ ràng ngược lại với mục tiêu cần thiết để thoát khỏi biến đổi khí hậu. Chỉ khoảng 1/3 số loài thực vật được nghiên cứu, gồm các loài thực vật như nhựa ruồi, ô liu dại và cây thường xuân, ra quả vào mùa xuân khi chim bay về phía bắc - thời điểm chúng di chuyển đến những vĩ độ mát mẻ hơn.
Vì vậy, nếu các loài chim di cư từng được coi là giải pháp giúp thực vật thoát khỏi biến đổi khí hậu, thì González-Varo cho biết nghiên cứu này cho thấy chúng chỉ là "một giải pháp rất cục bộ", không phải là giải pháp cho cuộc di cư tổng thể.
Nhiệt độ tăng, khoảng cách ngắn hơn
Một phần mềm mô phỏng khổng lồ được trình làng vào năm 2022 đã kiểm tra kỹ hơn khả năng di chuyển hạt giống trên toàn cầu của tất cả các loài động vật. Kết quả cũng đáng lo ngại.
Nhà sinh thái học Evan Fricke của MIT, Rogers và các đồng tác giả lần đầu tiên xây dựng cơ sở dữ liệu về mọi nghiên cứu thực địa mà họ có thể truy cập từ khoảng 18.000 tương tác giữa động vật và thực vật. Trong đó, các nhà nghiên cứu đã định lượng tỉ mỉ từng khía cạnh về việc phát tán hạt giống của động vật. Con vật nào ăn quả của cây nào? Động vật nào có thói quen nuốt, lột, tích trữ hoặc phá hủy hạt giống? Từng loài động vật vận chuyển hạt đi bao xa? Và trong trường hợp nào hạt giống sẽ nảy mầm thành công?
Tiếp theo, nhóm bổ sung dữ liệu mô tả từng loài động thực vật; nhóm cũng đưa vào dữ liệu về phạm vi địa lý tự nhiên của các loài, gồm cả ước tính về nơi các loài đã tuyệt chủng sẽ sống ngày nay nếu chúng không bị tuyệt chủng.
Cuối cùng, họ sử dụng công nghệ AI để mô phỏng mức độ mà các loài động vật phân phối hạt giống trên toàn cầu ngày nay cũng như mức độ suy giảm môi trường sống của chúng ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của hạt giống như thế nào.
Điều đầu tiên xuất hiện từ mô phỏng là mối tương quan chặt chẽ giữa kích thước của một loài động vật - đặc biệt là động vật có vú - và khoảng cách mà loài đó phát tán hạt giống. Thông thường, động vật có vú lớn có phạm vi hoạt động rộng hơn và do đó, hạt giống có nhiều thời gian trong truột chúng hơn. Ngược lại, khi không di cư thì phạm vi hoạt động của các loài chim khá hẹp. Đó là một vấn đề, bởi vì các loài động vật có vú lớn thường bị con người săn bắn nhiều hơn, dễ bị tuyệt chủng hơn so với chim.
Sau đó, nhóm của Fricke đã xem xét các vùng phân tán cách xa hơn 1km từ phạm vi của cây mẹ - khoảng cách cần thiết để thay đổi phạm vi của thực vật. Mô phỏng của họ cho thấy sự vắng bóng của động vật là "shipper chuyên nghiệp" và suy giảm môi trường sống đã làm giảm đáng kể khả năng phát tán hạt giống ở khoảng cách xa.
Fricke nhận định: "Đã có sự suy giảm trầm trọng trong việc phát tán hạt giống ở khoảng cách xa do sự mất mát lớn của các loài động vật lớn khỏi hệ sinh thái".
Cho dù đó là những bức tranh hang động ở Pháp hay những ghi chép về hóa thạch, dữ liệu lịch sử cho thấy các loài động vật có vú lớn đã từng có độ phủ rộng rãi trong quá khứ, liên tục thực hiện việc di chuyển mang hạt giống đi xa. Fricke nói: "Chính động vật lớn đã giúp giải quyết những biến đổi khí hậu đã xảy ra trong khoảng 10.000 năm qua. Nhưng hiện tại chúng không còn giúp thực vật chống lại biến đổi khí hậu nữa vì chúng đã hoàn toàn tuyệt chủng hoặc bị giới hạn ở những khu vực thực sự nhỏ so với phạm vi trước đây của chúng".
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện một mô phỏng khác, trong đó, tất cả các loài chim và động vật có vú hiện đang gặp nguy cấp đều bị tuyệt chủng. Theo kịch bản này, việc phát tán hạt giống trên phạm vi hơn 1km sẽ còn bị ảnh hưởng nặng nề hơn, với hậu quả tồi tệ như đã xảy ra ở Madagascar và các đảo ở Đông Nam Á.
Nói tóm lại, khi nhiệt độ tăng lên, sự di chuyển của hạt giống sẽ giảm đi và đáng buồn thay là lại rơi đúng vào thời điểm chúng ta cần nhất.
Những 'shipper' tự nhiên đang kêu cứu khiến cây cối khóc theo Khi khí hậu đổi thay, thực vật phải thay đổi phạm vi của chúng. Nhưng chúng có thể kịp di cư không khi 'shipper' trong thế giới tự nhiên - những loài động vật phát tán hạt giống - cũng đang kêu cứu. Cả dơi và chim ở Guam đều đang kêu cứu Rất nhiều trong số loài thực vật phụ thuộc vào...