Khi nói đến sự sống trên Trái Đất, chúng ta thường cho rằng đó là lĩnh vực thuần túy của các nhà sinh vật học. Nghiên cứu sự sống có vẻ không chia sẻ những định luật với thế giới vật lý cũng như công thức với thế giới toán học. Nhưng sự thật không phải vậy.
Khi Thượng Đế tạo ra các loài động vật, "ngài" đã bí mật đưa vào đó Định luật Thứ hai Nhiệt động lực học. Sự đa dạng của các loài thực vật tuân theo một hàm mũ tỷ lệ thuận với diện tích mà các loài thực vật đó chiếm chỗ:
Biểu đồ này được vẽ từ năm 1859, nó cho thấy số lượng các loài thực vật khác nhau được tìm thấy khi khu vực sinh sống của chúng được mở rộng từ một quận nhỏ ở Anh cho đến toàn bộ quốc đảo. Tất cả đều tuân theo hàm mũ.
Có thể thấy hàm mũ hay hàm lũy thừa là một công thức ưa thích của tạo hóa. Nó xuất hiện trong phổ phân bố kích thước và tần số các vụ phun trào trên bề mặt Mặt Trời, số lượng các miệng núi lửa trên Mặt Trăng, kích thước tế bào thần kinh trong não bộ con người.
Vòng xoáy của các thiên hà, vỏ của các loài ốc và hoa của các loài thực vật đều phát triển theo một hàm mũ với đường xoắn logarit. Điều đó cũng đúng với mọi cấu trúc từ sừng, răng, gai, vảy, móng vuốt và mỏ của các loại động vật.
Trong lòng đại dương, tạo hóa cũng thiết lập một hàm mũ được gọi là "phổ Sheldon", quy định kích thước và số lượng của các loài sinh vật biển. Phổ Sheldon có thể đã tồn tại hàng tỷ năm kể từ khi sinh vật đầu tiên xuất hiện dưới đại dương.
Nhưng chỉ trong vòng 170 năm trở lại đây, khi con người khai thác đại dương theo lối công nghiệp hóa, phổ Sheldon đã nhanh chóng bị phá vỡ.
Phổ Sheldon: Cách mà tạo hóa phân bổ sự sống trong đại dương
Phổ Sheldon được nhà sinh vật học biển người Canada Raymond W. Sheldon đề xuất lần đầu tiên vào năm 1972. Sau các nghiên cứu thống kê mà ông thực hiện tại Đại Tây Dương và Thái Bình Dương, Sheldon phát hiện mật độ sinh khối của hệ sinh thái biển là một hàm logarit xấp xỉ không đổi theo nhiều bậc độ lớn của sinh vật.
Hiểu một cách đơn giản, khi kích thước sinh vật biển càng lớn, số lượng cá thể của chúng trong lòng đại dương sẽ càng ít. Theo Sheldon, tỷ lệ này tuân theo một hàm mũ không đổi đối với mọi sinh vật ở mọi cấp bậc kích thước, từ vi khuẩn cho đến cá voi.
Ví dụ, các loài nhuyễn thể có kích thước nhỏ hơn cá ngừ 12 bậc (khoảng 1 tỷ lần) thì số lượng của chúng cũng sẽ nhiều hơn cá ngừ 12 bậc tương đương 1 tỷ lần.
Kết quả của phổ Sheldon là nó khiến sinh khối của các loài trong lòng đại dương gần như tương đồng nhau. Nghĩa là nếu bạn bắt tất cả cá ngừ trên thế giới và cân lên, số kg các mà bạn có được cũng tương đương với số kg nhuyễn thể đang có mặt trong lòng biển.
Điều này đã được kiểm nghiệm trong một số môi trường nhỏ, nơi các nhà khoa học nhận thấy phổ Sheldon đúng với rất nhiều trường hợp, từ sinh vật biển phù du cho đến cá nước ngọt.
Nghiên cứu cho thấy sinh khối của các loài sinh vật trong lòng đại dương tuân thủ theo hàm mũ của phổ Sheldon.
Nhưng trong một nghiên cứu mới lần đầu tiên được thực hiện, các nhà khoa học đến từ Viện Max Planck của Đức muốn mở rộng phạm vi và kiểm tra phổ Sheldon trên quy mô toàn cầu. Mục đích là để xem nó có đúng với tất cả các đại dương hay không.
Để làm được điều đó, họ đã khảo sát 33.000 địa điểm, 12 nhóm sinh vật bao gồm từ vi khuẩn, tảo, động vật phù du, cá cho đến các loài có vú như cá heo và cá voi trên toàn cầu.
"Chúng tôi đã thực hiện các ước tính cho các sinh vật từ cấp độ nhỏ nhất, trong hơn 200.000 mẫu nước thu thập được trên toàn thế giới", nhà sinh thái học Ian Hatton đến từ Viện Max Planck cho biết. "Tỷ lệ khối lượng của các loài sinh vật này tương đương với tỷ lệ giữa con người và toàn bộ Trái Đất".
Theo Hatton, thách thức lớn nhất mà nhóm nghiên cứu gặp phải là việc đồng bộ các ước tính để so sánh được sinh khối các loài có kích thước khác nhau, từ vi khuẩn cho tới cá voi. Mỗi sinh vật biển lại yêu cầu một ước tính khác nhau nên việc đồng bộ chúng là rất khó.
Đại dương hoàn toàn cân bằng trong thời kỳ tiền công nghiệp, cho đến khi bị con người chiếm lĩnh
Vượt qua các thách thức về mặt kỹ thuật và phương pháp luận, cuối cùng Hatton và nhóm của ông cũng có được kết quả. Nó xác nhận phổ Sheldon đúng với các dữ liệu lịch sử và các điều kiện của một đại dương tiền công nghiệp, nghĩa là trước năm 1850.
"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy mỗi bậc sinh vật đều có độ lớn sinh khối khoảng 1 gigaton trên toàn cầu", nhà địa chất học Eric Galbraith đến từ Đại học McGill cho biết. "Thực tế các sinh vật biển đã được phân bố đồng đều trên tất cả các kích thước và đó là điều đáng chú ý".
Theo Galbraith, tạo hóa lẽ ra đã có thể sắp xếp sự sống trong đại dương theo nhiều cách. Chẳng hạn, tại sao Thượng Đế không ưu tiên một loài sinh vật có kích thước trung bình nhưng thông minh cao ở giữa phổ Sheldon? Ví dụ như nếu cá heo thực sự có trí tuệ giống như con người, chúng cũng có thể phát triển với sinh khối vượt bậc để thống lĩnh đại dương.
Hatton và nhóm của ông tại Viện Max Plank đã thảo luận về những câu hỏi này. Theo nghiên cứu, có nhiều yếu tố trong lòng biển có thể duy trì phổ Sheldon, bao gồm tương tác giữa động vật ăn thịt và con mồi của chúng, sự trao đổi chất, tốc độ tăng trưởng, sinh sản và tỷ lệ tử vong.
Ở chiều ngược lại, Hatton tìm ra một yếu tố có thể phá vỡ sự cân bằng đó: con người. Sau khi đối chiếu các thống kê ở thời điểm tiền công nghiệp với sinh khối biển ngày nay, các nhà khoa học nhận thấy sự sụt giảm mạnh của các loài cá ở bên phải phổ Sheldon.
"Các tác động của con người dường như đã cắt ngắn đáng kể một phần ba phía đuôi dải phổ", nhóm nghiên cứu viết. Điều đó được giải thích bằng sự ra đời của các tàu cá viễn dương trong thời kỳ công nghiệp, giúp năng suất khai thác của chúng ta tăng mạnh. Đi đôi với đó là sự gia tăng dân số trên quy mô toàn cầu, yêu cầu một lượng hải sản lớn hơn để nuôi sống chúng ta.
"Con người không chỉ đến và trở thành những kẻ săn mồi đầu bảng trong đại dương, mà về cơ bản, chúng ta đã thay đổi cả dòng chảy của năng lượng qua hệ sinh thái, thông qua các tác động mà chúng ta tích lũy trong 2 thế kỷ trở lại đây", nghiên cứu cho biết.
Kể từ những năm 1800, chúng ta đã làm giảm 60% sinh khối cá và động vật biển có vú. Điều này thậm chí còn tệ hơn đối với các loài sinh vật khổng lồ như cá voi. Những cuộc săn bắn cá voi trong lịch sử đã khiến số lượng của chúng giảm tới 90%.
Một số loài như cá voi xanh đã biến mất tới 99% chỉ trong giai đoạn kể từ năm 1900 đến 1960. Con người đã quét sạch 1,5 triệu con cá voi chỉ tính riêng ở vùng biển Nam Cực, góp phần gây ra cái gọi là "nghịch lý của các loài nhuyễn thể".
Sự sụt giảm sinh khối các loài cá và động vật biển do hoạt động khai thác của con người bắt đầu từ thời kỳ công nghiệp hóa.
"Có vẻ như chúng ta đã phá vỡ cả phổ phân bố Sheldon, một trong những quy luật lớn nhất được biết đến trong tự nhiên", nhà sinh thái biển Ryan Heneghan đến từ Đại học Công nghệ Queensland cho biết. "Và con người không chỉ bắt cá, chúng ta đang tác động đến đại dương theo một cách không tưởng".
Tất cả số cá và hải sản mà chúng ta đánh bắt được chỉ đang phục vụ vỏn vẹn 3% nhu cầu thức ăn của con người. Nhưng nó đã tương đương với 2,7 tỷ tấn của các loài sinh vật lớn nhất trong đại dương.
Các nhà nghiên cứu đề xuất với những con số này, ngành công nghiệp săn bắt hải sản nên kiểm soát lại hoạt động của mình. "Chúng ta có thể đảo ngược sự mất cân bằng mà chúng ta đã tạo ra bằng cách giảm số lượng tàu cá đang hoạt động trên khắp thế giới"công nghiệp hóa
, họ viết. "Giảm đánh bắt quá mức cũng giúp phát triển nghề cá bền vững hơn. Đó sẽ là một biện pháp đôi bên cùng có lợi".
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances.
