Thế giới muôn loài trong cuộc đua tiến hóa trước biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu (phần lớn do con người gây ra) đang ngày càng biến đổi môi trường sống trên Trái đất. Nhiệt độ tăng, sự thay đổi nhanh chóng về thời điểm và lượng mưa cũng như quá trình axit hóa đại dương đang khiến môi trường của nhiều loài động vật bị tác động. Làm thế nào để động vật thích nghi với những điều kiện mới, thường là khắc nghiệt này?

Hệ thống thần kinh của động vật đóng vai trò trung tâm trong việc tạo điều kiện cũng như hạn chế cách chúng phản ứng với biến đổi khí hậu. Hai trong số những mối quan tâm nghiên cứu chính của Sean O'Donnell (Giáo sư về đa dạng sinh học, Khoa khoa học và sinh học trái đất và môi trường, Đại học Drexel) liên quan đến việc tìm hiểu cách động vật thích ứng với nhiệt độ khắc nghiệt và xác định các động lực tác động lên cấu trúc cũng chức năng của hệ thần kinh động vật, đặc biệt là não.

Tất cả các chức năng chính của hệ thần kinh - cảm nhận, xử lý và định hướng hành vi, đều rất quan trọng. Chúng cho phép động vật điều hướng trước biến động của môi trường xung quanh theo những cách giúp chúng tồn tại và sinh sản. Biến đổi khí hậu có thể sẽ ảnh hưởng đến các chức năng này, thường là theo chiều hướng tồi tệ hơn.

Thay đổi cảm nhận về môi trường

Biến đổi khí hậu làm thay đổi cân bằng năng lượng của hệ sinh thái, từ thực vật tạo ra năng lượng từ ánh sáng mặt trời đến động vật ăn thực vật và các động vật khác, sau đó làm thay đổi thế giới quan của động vật. Biến đổi khí hậu có thể sẽ thách thức tất cả các giác quan của chúng, từ thị giác, vị giác đến khứu giác, xúc giác.

Động vật cao cấp như động vật có vú cảm nhận được nhiệt độ một phần nhờ các protein thụ thể đặc biệt trong hệ thần kinh phản ứng với nhiệt độ nóng và lạnh, phân biệt giữa nhiệt độ an toàn và nguy hiểm. Những protein thụ thể này giúp động vật tìm kiếm môi trường sống thích hợp và có thể đóng vai trò quan trọng trong cách động vật phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ.

Biến đổi khí hậu làm gián đoạn các tín hiệu môi trường mà động vật dựa vào để giải quyết các vấn đề như chọn môi trường sống, tìm thức ăn và chọn bạn tình.

Một số động vật, chẳng hạn như muỗi truyền ký sinh trùng và mầm bệnh, dựa vào độ dốc nhiệt độ để tự định hướng với môi trường thích hợp. Sự thay đổi nhiệt độ đang làm thay đổi địa điểm và thời điểm muỗi tìm kiếm vật chủ, dẫn đến những thay đổi về quá trình truyền bệnh. Đây là lý do vì sao bệnh dịch liên quan đến muỗi bùng phát trên thế giới thời gian gần đây.

Biến đổi khí hậu ảnh hưởng mạnh đến tín hiệu hóa học mà động vật sử dụng mùi (từ các tuyến cơ thể) để giao tiếp với nhau hoặc cảnh báo với đối thủ cạnh tranh vì các hợp chất tạo mùi rất nhạy cảm với nhiệt độ.

Các nguồn thông tin đáng tin cậy trước đây dành cho thế giới muôn loài như cảm nhận sự thay đổi mùa thông qua thời lượng ánh sáng ban ngày, giờ có thể mất đi tính chính xác. Ví dụ, điều này có thể báo hiệu sai thời điểm ra hoa và đậu quả của thực vật, đồng thời làm rối loạn hành vi như ngủ đông hay di cư của động vật. Tất cả đều mất đi đồng hồ tự nhiên và không còn hoạt động chính xác, thứ đã giúp chúng thích nghi và tồn tại hàng triệu năm. Điều đó giống như xã hội loài người một ngày nào đó mà đồng hồ của chúng ta loạn nhịp, chỉ giờ lung tung.

Nhiệt độ tăng có thể làm gián đoạn quá trình phát triển và hoạt động của não động vật, tiềm ẩn những tác động tiêu cực đến khả năng thích ứng hiệu quả với môi trường mới của chúng. Các nhà nghiên cứu đã ghi lại sự khắc nghiệt của nhiệt độ có thể làm thay đổi từng tế bào thần kinh ở cấp độ di truyền và cấu trúc, cũng như cách tổ chức bộ não.

Trong môi trường biển, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng những thay đổi về thành phần hóa học trong nước do khí hậu gây ra như axit hóa đại dương có thể ảnh hưởng đến hiệu suất nhận thức và khả năng cảm nhận của động vật dưới biển, chẳng hạn như khả năng theo dõi mùi ở cá rạn san hô và cá mập.

Độ dẻo trong quá trình tiến hóa

Động vật có thể phản ứng với nghịch cảnh khí hậu bằng cách thay đổi môi trường sống, thậm chí thay đổi phạm vi hoạt động của chúng trên bản đồ địa lý. Hoạt động cũng có thể chuyển sang các thời điểm khác nhau trong ngày hoặc sang các mùa mới.

Việc buộc phải thay đổi môi trường thói quen đột ngột, tiềm ẩn nhiều rủi ro với động vật. Ví dụ, cá ở vùng biển ấm lên đã chuyển sang vùng nước mát hơn, sâu hơn, nơi có cường độ ánh sáng và dải màu khác biệt đáng kể so với hệ thống thị giác của chúng vốn quen thuộc.

Hơn nữa, vì không phải tất cả các loài sẽ thay đổi hành vi theo cùng một cách, nên các loài di chuyển đến môi trường sống mới, thay đổi thời gian hoạt động trong ngày hoặc mùa sẽ phải đối mặt với những loài mới, gồm con mồi, đối thủ cạnh tranh và động vật săn mồi cũng như mầm bệnh.

Những thay đổi hành vi do biến đổi khí hậu thúc đẩy sẽ tái cấu trúc các hệ sinh thái trên toàn thế giới, với những kết quả phức tạp và khó lường.

Bộ não động vật rất linh hoạt, được phát triển để phù hợp với trải nghiệm môi trường của từng cá thể. Chúng thậm chí còn có khả năng thay đổi đáng kể khi trưởng thành.

Nhưng các nghiên cứu so sánh các loài đã cho thấy tác động mạnh mẽ của môi trường lên quá trình tiến hóa của não. Hệ thống thần kinh của động vật đã tiến hóa để phù hợp với cảm nhận môi trường trong không gian hoạt động của mỗi loài. Những thay đổi này gợi ý rằng chế độ khí hậu mới sẽ định hình lại hệ thần kinh động vật bằng cách buộc chúng phải tiến hóa.

Dù một số bộ phận của hệ thần kinh bị hạn chế bởi sự thích nghi di truyền (vốn được hình thành qua nhiều thế hệ trong thời gian dài) nhưng vẫn có những bộ phận khác lại linh hoạt hơn và phản ứng nhanh hơn với các điều kiện môi trường mới. Hiểu rõ hơn về cách hệ thần kinh của động vật thích ứng với môi trường thay đổi nhanh chóng sẽ giúp dự đoán tất cả các loài sẽ bị ảnh hưởng như thế nào bởi biến đổi khí hậu, để từ đó có biện pháp cứu giúp từng loài.