Trong đại dương, hầu hết các dạng sống lấy thức ăn từ thực vật phù du. Những loài tảo vi mô giống thực vật này là nguồn thức ăn chính cho nhuyễn thể krill, ốc biển, một số loài cá nhỏ và sứa; đến lượt chúng lại nuôi các động vật biển lớn hơn – những con mồi của các loài săn mồi đỉnh cao trong đại dương, bao gồm cả con người.

Giờ đây, các nhà khoa học tại MIT phát hiện rằng thành phần của thực vật phù du – và chế độ ăn cơ bản của đại dương – sẽ thay đổi đáng kể dưới tác động của biến đổi khí hậu.

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Climate Change, nhóm nghiên cứu báo cáo rằng khi nhiệt độ bề mặt biển tăng lên trong thế kỷ tới, thực vật phù du ở các vùng cực sẽ thích nghi theo hướng ít giàu protein hơn, chứa nhiều carbohydrate hơn và nhìn chung ít chất dinh dưỡng hơn.

Kết luận này dựa trên mô hình mới của nhóm, mô phỏng thành phần của thực vật phù du phản ứng với những thay đổi về nhiệt độ đại dương, dòng tuần hoàn và độ phủ băng biển. Trong kịch bản con người tiếp tục phát thải khí nhà kính đến năm 2100, nhóm phát hiện rằng các điều kiện đại dương thay đổi – đặc biệt ở vùng cực – sẽ làm thay đổi tỷ lệ protein so với carbohydrate và lipid trong thực vật phù du khoảng 20%. Các nhà nghiên cứu cũng phân tích dữ liệu quan sát trong vài thập kỷ qua và đã thấy dấu hiệu của sự thay đổi này ngoài thực tế.

“Chúng ta đang tiến tới một kiểu ‘đại dương thức ăn nhanh’ ở các vùng cực” tác giả chính, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ MIT Shlomit Sharoni, cho biết. “Dựa trên dự đoán này, thành phần dinh dưỡng của lớp nước mặt đại dương sẽ trông rất khác vào cuối thế kỷ”.

Thông tin dinh dưỡng

Thực vật phù du trôi dạt trong các lớp nước trên cùng, nơi có ánh sáng chiếu tới. Giống như cây trên đất liền, các vi tảo biển này quang hợp. Sự phát triển của chúng phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, carbon dioxide từ khí quyển và các chất dinh dưỡng như nitơ và sắt được đưa lên từ đại dương sâu.

Khi nghiên cứu cách thực vật phù du phản ứng với biến đổi khí hậu, các nhà khoa học chủ yếu tập trung vào việc nhiệt độ đại dương tăng sẽ ảnh hưởng thế nào đến quần thể của chúng. Tuy nhiên, việc thành phần của chúng sẽ thay đổi ra sao thì vẫn chưa được hiểu rõ.

“Đã có nhận thức rằng giá trị dinh dưỡng của thực vật phù du có thể thay đổi theo biến đổi khí hậu” Sharoni nói, “nhưng rất ít nghiên cứu trực tiếp giải quyết câu hỏi này”.

Cô và các đồng nghiệp tìm cách hiểu điều kiện đại dương ảnh hưởng thế nào đến thành phần đại phân tử của thực vật phù du. Đại phân tử là các phân tử lớn thiết yếu cho sự sống, bao gồm protein, lipid, carbohydrate và axit nucleic (thành phần cấu tạo DNA và RNA). Mọi dạng sống, kể cả thực vật phù du, đều được cấu tạo từ sự cân bằng các đại phân tử giúp chúng tồn tại trong môi trường cụ thể.

“Gần như toàn bộ vật chất trong một sinh vật sống đều ở dạng các nhóm phân tử lớn này, mỗi loại có chức năng sinh lý riêng tùy vào hoàn cảnh”, giáo sư Mick Follows cho biết.

Một chế độ ăn mất cân bằng

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học trước tiên xem xét điều kiện đại dương hiện nay ảnh hưởng ra sao đến thành phần đại phân tử của thực vật phù du. Họ sử dụng dữ liệu từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm do các cộng sự tại Đại học Dalhousie thực hiện. Các thí nghiệm này cho thấy tỷ lệ giữa protein và carbohydrate của thực vật phù du thay đổi như thế nào khi nhiệt độ nước, ánh sáng và nguồn dinh dưỡng thay đổi.

Từ dữ liệu này, nhóm phát triển một mô hình định lượng mô phỏng cách thực vật phù du điều chỉnh tỷ lệ protein–carbohydrate trong các điều kiện khác nhau. Sau đó, họ kết hợp mô hình này với một mô hình đã có về tuần hoàn và động lực học đại dương do MIT phát triển, để mô phỏng sự thay đổi thành phần thực vật phù du trên toàn cầu dưới các kịch bản khí hậu khác nhau.

Mô hình trong điều kiện hiện tại cho thấy hơn một nửa tế bào thực vật phù du trung bình ngày nay được cấu tạo từ protein, phần còn lại là hỗn hợp carbohydrate và lipid.

Đáng chú ý, ở vùng cực, thực vật phù du giàu protein hơn một chút. Lý do là lớp băng biển hạn chế ánh sáng mặt trời, nên chúng có thể đã thích nghi bằng cách sản xuất nhiều protein thu nhận ánh sáng hơn.

Tuy nhiên, khi mô phỏng kịch bản biến đổi khí hậu trong tương lai (con người tiếp tục phát thải đến năm 2100), nhóm nhận thấy sự thay đổi lớn. Nhiệt độ bề mặt biển tăng khoảng 3°C sẽ làm giảm đáng kể băng biển, đồng thời làm suy yếu tuần hoàn đại dương và lượng chất dinh dưỡng từ tầng sâu đi lên.

Trong điều kiện này, mô hình dự đoán quần thể thực vật phù du ở vùng cực sẽ tăng mạnh. Đồng thời, thành phần của chúng sẽ chuyển từ giàu protein sang giàu carbohydrate và lipid. Protein có thể giảm tới 30%, trong khi carbohydrate và lipid tăng lên tương ứng.

Tác động của sự thay đổi này lên toàn bộ chuỗi thức ăn biển vẫn chưa rõ ràng. Một số loài có thể chịu áp lực do giảm protein, trong khi những loài tích trữ lipid để sống qua mùa đông sẽ phát triển tốt hơn.

Nhóm cũng mô phỏng các vùng cận nhiệt đới và vĩ độ cao hơn. Tại đây, quần thể thực vật phù du được dự đoán giảm tới 50% và thành phần của chúng cũng thay đổi.

Do nhiệt độ cao làm chậm tuần hoàn đại dương và giảm nguồn dinh dưỡng từ tầng sâu, thực vật phù du ở những vùng này có thể phải sống sâu hơn để cân bằng giữa ánh sáng và dinh dưỡng. Trong điều kiện đó, chúng có xu hướng trở nên giàu protein hơn một chút.

Tổng thể, với những thay đổi dự báo về quần thể thực vật phù du, thành phần trung bình trên toàn cầu sẽ chuyển sang giàu carbohydrate hơn và ít dinh dưỡng hơn.

Các nhà nghiên cứu còn so sánh mô hình với dữ liệu thực tế từ các mẫu thu thập ở Bắc Cực và Nam Cực, và nhận thấy sự phù hợp: trong vài thập kỷ qua, thực vật phù du đã trở nên giàu carbohydrate và lipid hơn.

“Ở những khu vực này, bạn đã có thể thấy biến đổi khí hậu vì băng biển đang tan” Sharoni nói. “Mô hình của chúng tôi cho thấy protein trong thực vật phù du vùng cực đang giảm, trong khi carbohydrate và lipid tăng”.

“Biến đổi khí hậu đang diễn ra nhanh hơn ở Bắc Cực, và dữ liệu cho thấy thành phần thực vật phù du đã phản ứng” Follows bổ sung. “Thông điệp chính là: hàm lượng năng lượng ở đáy chuỗi thức ăn biển đang thay đổi. Và vẫn chưa rõ sự thay đổi này sẽ lan truyền như thế nào trong toàn bộ chuỗi thức ăn”.

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Simons.