Tiến sỹ Lê Minh Đương (Đại học Otago, New Zealand) và cộng sự đã lần đầu tiên xác định được ngưỡng nhiệt của bào tử và giai đoạn nảy mầm của tảo bẹ khổng lồ - một loài sinh vật vốn là nhà của rất nhiều sinh vật biển khác.

Nhiệt độ đại dương tăng lên đang làm suy giảm các rừng tảo bẹ trên toàn thế giới, và hiện tượng này cũng ngày càng có nguy cơ trở nên nghiêm trọng hơn trong tương lai. Theo Báo cáo mới về đại dương của một nhóm các nhà khoa học do Lijing Cheng của Viện Khoa học Trung Quốc dẫn đầu, năm 2022 là năm thứ tư liên tiếp các đại dương trên thế giới hấp thụ nhiều nhiệt lượng nhất từng được ghi nhận; hệ quả là mực nước biển dâng cao và góp phần gây ra các thảm họa khí hậu. Các phát hiện này cũng cho thấy xu hướng dài hạn về sự nóng lên của hành tinh, đại dương và bầu khí quyển.

Giai đoạn đầu đời của tảo bẹ bị ảnh hưởng đáng kể khi nhiệt độ đại dương ấm lên. Ảnh: iStock
Giai đoạn đầu đời của tảo bẹ bị ảnh hưởng đáng kể khi nhiệt độ đại dương ấm lên. Ảnh: iStock

Trong khi đó, rừng tảo bẹ - một trong những hệ sinh thái tự nhiên đa dạng và có khả năng tăng trưởng nhanh - đã bị mất nhiều diện tích rộng lớn trong suốt 50 đến 100 năm qua, đồng thời nhiều hệ thống tảo bẹ còn lại cũng đang trên đà suy giảm.

Đây là lý do các nhà nghiên cứu ở Trung tâm nghiên cứu xuất sắc Southern Skies - Coastal People Southern Skies, Centre of Research Excellent (Đại học Otago, New Zealand) đang thực hiện một dự án nghiên cứu về những tác nhân hiện thúc đẩy sự suy giảm của tảo bẹ khổng lồ ở New Zealand với hy vọng sẽ giúp khôi phục môi trường sống quý giá của các sinh vật biển.

Đi sâu vào cơ chế tác động

Dù tảo bẹ không phải là loài sinh vật sinh sống ở các vùng biển Việt Nam mà thường được tìm thấy ở các nước như Canada, Mỹ, Chile, Mexico, Nam Phi và một số đảo của Anh, Úc, New Zealand, song, chúng đóng vai trò vô cùng quan trọng hệ sinh thái biển và hỗ trợ nghề đánh bắt cá ven biển. Loài tảo này cung cấp môi trường sống chính cho nhiều sinh vật, chẳng hạn như nhiều loài tảo khác thuộc lớp Phaeophyceae, Chlorophyceae và Rhodophyceae, đồng thời là nơi trú ngụ của không ít loài có ý nghĩa đặc biệt về mặt văn hóa, giải trí và thương mại như pāua (bào ngư) và kōura (tôm càng).

Với vai trò đặc biệt như vậy, trong nhiều thế kỷ, con người đã dựa vào các hệ sinh thái tảo bẹ này để thu các lợi ích kinh tế và xã hội mà chúng mang lại. Tuy nhiên trong một thế kỷ trở lại đây, nguồn tảo bẹ này đã không còn dồi dào như trước nữa.

Theo TS. Lê Minh Đương (Khoa Khoa học Biển, Đại học Otago), trong khi nhiệt độ nước biển tăng lên được cho là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm của tảo bẹ, thì cho đến nay, các cơ chế cụ thể dẫn đến sự suy giảm này vẫn là một dấu hỏi. “Nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng trong sinh lý học, sinh thái học và sự phân bố địa lý của các loài tảo bẹ. Tuy nhiên, các cơ chế mà nhiệt độ nước tăng tạo nên sự suy giảm trên vẫn chưa được hiểu rõ”, TS. Đương và nhóm nghiên cứu viết trong bài báo “Effect of temperature on sporulation and spore development of giant kelp (Macrocystis pyrifera)” mới được công bố trên tạp chí quốc tế PLoS ONE mà anh là tác giả chính.

Nghiên cứu sinh tiến sỹ Duong Le. Ảnh: Đại học Otago
Tiến sỹ Lê Minh Đương. Ảnh: Đại học Otago

Chúng ta đã biết, “nhiệt độ tăng cao có ảnh hưởng đến hiệu suất quang hợp và tốc độ tăng trưởng của sinh vật. Ở ngưỡng nhiệt độ cao, nó có thể làm tăng tình trạng suy thoái hoặc chết mô. Nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự hiện diện của các loài khác có thể ăn trực tiếp trên tảo bẹ như mesograzers, động vật hình rêu và nhím biển”, bài báo trích dẫn. Tuy nhiên, “các nghiên cứu đối với tác nhân này chỉ đa phần tập trung trên giai đoạn trưởng thành (macroscopic stage/diploid) của loài, rất ít nghiên cứu tập trung trên giai đoạn nhỏ/đơn bội (microscopic stage/ haploid stage)”, TS. Đương chia sẻ với báo KH&PT. Để có một cái nhìn toàn diện về sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước tăng đến loài này thì cần phải có đầy đủ kiến thức về ảnh hưởng của tác nhân đến tất cả các giai đoạn sống. Do đó, nhóm nghiên cứu quyết định tập trung vào giai đoạn nhỏ/đơn bội nhằm bổ sung kiến thức còn chưa hoàn chỉnh ấy.

Trong số đó, họ tập trung vào tảo bẹ khổng lồ Macrocystis pyrifera - một trong những loài tảo bẹ mang tính biểu tượng nhất và tạo ra hệ thống sinh học lớn nhất trong tất cả các loài hình thành nên rừng tảo bẹ.

Các nghiên cứu trước đây cũng đã chỉ ra, giống như tất cả tảo bẹ, M. pyrifera có vòng đời hai pha với các thế hệ xen kẽ giữa pha đơn bội vi mô và pha lưỡng bội vĩ mô, đồng thời tác động của nhiệt độ cao lên sinh lý học của giai đoạn thể bào tử vĩ mô cũng đã được nghiên cứu tương đối kỹ lưỡng. Tuy nhiên, tác động của nhiệt độ đối với các giai đoạn như bào tử, mầm và thể giao tử, vẫn chưa được hiểu rõ. Đây là một lỗ hổng nghiên cứu đáng chú ý bởi “những giai đoạn đầu đời này có thể chứa thông tin quan trọng giúp hiểu rõ hơn về mức độ ảnh hưởng của sự gia tăng nhiệt độ đối với M. pyrifera, cũng như sự hiểu biết sâu sắc về cách các quần thể sẽ phát triển như thế nào theo các kịch bản biến đổi khí hậu", nhóm nghiên cứu cho biết. “Thông tin này cũng sẽ rất quan trọng trong việc lựa chọn chủng để ứng dụng trong phục hồi hệ sinh thái và nuôi trồng thủy sản”.

Lần đầu tiên xác định ngưỡng nhiệt

Thực tế, các nghiên cứu trước đây đã ước tính phạm vi nhiệt tối ưu để loài tảo bẹ này tăng trưởng là 12-17°C, và ngưỡng nhiệt tối đa để sinh tồn nằm trong khoảng từ 18–25°C. “Phạm vi trong ngưỡng nhiệt tối đa này có thể là kết quả của sự thích nghi của loài tại địa phương, khả năng thích nghi di truyền và sự sẵn có của các nguồn tài nguyên khác như ánh sáng và chất dinh dưỡng”, nhóm nghiên cứu lý giải.

Để tìm ra được câu trả lời cho những câu hỏi còn bỏ ngỏ, nhóm nghiên cứu đã định lượng ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các giai đoạn phát triển ban đầu của Macrocystis pyrifera, từ bào tử đến nảy mầm. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã giải phóng các bào tử M. pyrifera và theo dõi khả năng sống sót, nảy mầm và tăng trưởng của chúng trong năm ngày trong khoảng nhiệt độ từ 9,5 đến 26,2 ± 0,2°C (10 nghiệm thức). “Các nghiên cứu dự đoán nhiệt độ của Trái đất sẽ còn tăng trong thời gian tới. Do đó, khi thiết kế thí nghiệm, chúng tôi đưa ra khoảng nhiệt độ khá rộng để xem ngưỡng chịu đựng của giai đoạn nhỏ/đơn bội như thế nào”, TS. Đương giải thích. “Đây là thông tin rất quan trọng để làm rõ giai đoạn nào của M. pyrifera dễ bị tổn thương nhất khi nhiệt độ tăng cao, và thông tin này có thể được sử dụng để dự đoán sự tồn tại của loài thực vật quan trọng này trong các kịch bản khí hậu tương lai”, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi nhiệt độ nước càng cao số lượng bào tử (spore) sinh ra càng nhiều; khoảng 30% spore vẫn còn sống ở nhiệt độ 23,8°C trong đó 1,2% số này vẫn có khả năng chuyển sang giai đoạn tiếp theo (giao tử/gametophyte); ngưỡng nhiệt độ chịu đựng ở giai đoạn đơn bào này khoảng 21,7-23,8°C, cao hơn nhiệt độ nước trung bình nơi có loài này phân bố.

Tuy nhiên, sự “định cư” của bào tử - chìa khóa quyết định sự sống sót và sự phong phú của mầm tảo bẹ và quần thể trưởng thành, sự nảy mầm và chiều dài ống mầm bị ảnh hưởng tiêu cực bởi nhiệt độ tăng, lần lượt với các mức nhiệt trên 23,8°C, 21,7°C và 19,8°C. Chẳng hạn, mặc dù nhiệt độ tăng có tác động tích cực đến quá trình sản xuất bào tử, nhưng việc tiếp xúc với nhiệt độ cao trên 19,8°C lại ảnh hưởng tiêu cực đến các giai đoạn phát triển quan trọng khác.

Hay đối với sự nảy mầm, việc bào tử có nảy mầm thành công hay không giảm đáng kể ở nhiệt độ trên 21,7°C, còn dưới mức này thì tác động của nhiệt độ là không đáng kể. “Từ phát hiện này, có thể suy ra rằng một tỷ lệ rất nhỏ nhóm bào tử có khả năng chịu nhiệt cao hơn so với phần còn lại của quần thể trong tự nhiên. Hiện tượng này có thể là kết quả của biến thể di truyền tự nhiên trong nhóm thuần tập, nhưng nó cho thấy tiềm năng lựa chọn thế hệ ‘con cháu’ có khả năng chịu nhiệt cao để sử dụng trong việc phục hồi hệ sinh thái suy giảm hoặc nuôi trồng thủy sản”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo.

“Nghiên cứu này nhấn mạnh tính dễ bị tổn thương trong các giai đoạn đầu đời của quá trình phát triển tảo bẹ khổng lồ và giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những thay đổi trong quá khứ cũng như tương lai của hệ sinh thái rừng tảo bẹ ở Aotearoa (hay là New Zealand)”, TS. Đương cho biết trong thông cáo báo chí của Đại học Otago.

Chia sẻ thêm với báo KH&PT, anh cho rằng, kết quả trên có hai ứng dụng cơ bản. Thứ nhất, nếu tận dụng tốt việc gia tăng nhiệt độ nước ở một mức độ hợp lý khi tiến hành sinh sản thì có thể tạo ra nhiều bào tử (spore) hơn; tuy nhiên cần lưu ý ngưỡng nhiệt độ nước thích hợp vì nếu quá cao có thể ảnh hưởng đến sinh lý của các giai đoạn tiếp theo. Thứ hai, với khả năng chịu đựng nhiệt độ của giai đoạn nhỏ/đơn bội cao, việc sử dụng giai đoạn này cho các nghiên cứu thuộc các chương trình chọn giống sẽ rất phù hợp, nhất là những chủng có khả năng chịu nhiệt cao - một ưu thế để thích ứng với hiện trạng nóng lên của Trái đất hiện tại.

Điều đáng chú ý là theo TS. Matthew Desmond (Khoa Khoa học Biển, Đại học Otago) - đồng tác giả, đây là nghiên cứu đầu tiên xác định ngưỡng nhiệt của bào tử và giai đoạn sống nảy mầm của tảo bẹ khổng lồ. “Thông tin này là chìa khóa để đưa ra dự đoán về cách mà một loài sinh vật có giá trị quan trọng như vậy trong hệ sinh thái sẽ hoạt động như thế nào trong những thập kỷ tới”, ông nói. “Nghiên cứu này giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về loài tảo này, cũng như hỗ trợ các nỗ lực bảo vệ và phục hồi chúng”.

Các nhà khoa học cũng hy vọng, nghiên cứu mới này sẽ thúc đẩy mọi người quan tâm đến những biến động đối với môi trường tự nhiên đang diễn ra xung quanh, và tìm hiểu điều gì có thể đang thúc đẩy những biến động, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến biến đổi khí hậu và tình trạng ấm lên của đại dương.