Khi một tiểu hành tinh va chạm với Trái Đất và khiến cho sự kiện tuyệt chủng hàng loạt ở cuối kỷ Phấn Trắng diễn ra, nó đã kích thích sự giải phóng sulfur từ các tảng đá, làm giảm pH của đại dương một cách nghiêm trọng. Mức độ axit trong nước biển trở nên không thể chịu đựng được, dẫn đến cái chết của hơn một nửa số loài sinh vật biển. 66 triệu năm sau, một thảm họa tương tự đang lặp lại.
Lần này, nguyên nhân không phải do tiểu hành tinh mà chính là chúng ta, con người. Các hoạt động như phá rừng và đốt nhiên liệu hóa thạch đã thải ra lượng lớn khí thải, chủ yếu là carbon dioxide (CO2). Khí CO2 này đã khiến mức pH của đại dương giảm mạnh, dẫn đến sự tăng 30% độ axit, ảnh hưởng đến các hệ sinh thái dưới nước, từ rạn san hô đến đại dương sâu.
Ranh giới hành tinh đối với sự axit hóa đại dương - giới hạn mà Trái Đất có thể chịu đựng trước những hậu quả tàn phá - là sự giảm 20% nồng độ canxi carbonat (một loại base phổ biến thường thấy trong đá vôi và vỏ sò) so với trước thời kỳ công nghiệp. Giới hạn này đã gần chạm tới vào năm 2020, nhưng cho đến gần đây, chúng ta vẫn chưa vượt qua.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Hải dương Plymouth (PML) ở Vương quốc Anh đang rất lo ngại. Dưới sự lãnh đạo của nhà hải dương học sinh học Helen Findlay, họ đã phát hiện ra rằng giới hạn axit hóa đại dương đã bị vượt qua ở 60% các vùng nước dưới bề mặt nằm sâu 200 mét (khoảng 656 feet) dưới mặt nước.
“Đánh giá ranh giới hành tinh xác định chín quy trình lớn của hệ thống Trái Đất và các ranh giới liên quan mà nếu bị vi phạm, có thể gây ra thay đổi môi trường không thể chấp nhận,” Findlay cho biết trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Global Change Biology.
Những sinh vật tự tạo ra vỏ bọc thông qua quá trình canxi hóa phụ thuộc vào các phân tử canxi và carbonat đã có sẵn trong đại dương. Quá nhiều CO2 có thể làm rối loạn quá trình này. Khi CO2 được hấp thụ vào nước biển, nó phản ứng với các phân tử nước để tạo ra axit carbonic (H2CO3), sau đó dễ dàng phân tách thành các ion hydrogen (H+) và bicarbonate (HCO3-). Các ion hydrogen làm giảm pH của nước, trong khi các ion bicarbonate gây ra những vấn đề khác. Các loài sinh vật cần vỏ bọc sẽ cần các ion carbonate (CO32-) để liên kết với canxi, nhưng chúng không thể tiếp cận nếu đã bị khóa trong bicarbonate. Khi lượng CO2 trong đại dương tăng lên, số lượng ion carbonate có sẵn giảm xuống, khiến cho các sinh vật gặp khó khăn.
Và các vấn đề không dừng lại ở đó. Khi nhiệt độ tăng cao, các đại dương ấm giữ ít oxy hơn. Nước ấm có độ nổi cao hơn và không trộn lẫn tốt với nước sâu lạnh hơn và có nhiều oxy hơn, do đó, nguồn cung oxy bị tiêu thụ nhanh hơn. Cung cấp ít oxy hơn so với lượng tiêu thụ dẫn đến tình trạng thiếu oxy, gọi là hypoxia. Thiếu oxy khiến cho các sinh vật tự tạo vỏ phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để xây dựng và duy trì vỏ của chúng, và tiếp xúc với điều kiện thiếu oxy có thể cực kỳ nguy hiểm cho chúng. Mức pH quá thấp có thể khiến cho vỏ và bộ xương ngoài của sinh vật thực sự bị hòa tan, điều này dẫn đến việc Findlay đề xuất rằng ranh giới giảm 20% canxi carbonat (so với trước thời kỳ công nghiệp) nên được điều chỉnh thành 10%. Sự điều chỉnh này sẽ tạo cơ hội cho cuộc sống dưới đại dương hồi phục và phát triển trở lại.
Nếu lượng khí thải carbon tiếp tục tăng, mọi thứ sẽ càng lúc càng trở nên u ám hơn cho sinh vật biển. Một thí nghiệm đáng lo ngại khác của NOAA cho thấy một số loài pteropods - những động vật thân mềm nhỏ (còn gọi là bươm bướm biển vì những chi appendages như cánh giúp chúng bơi) cũng sản xuất vỏ của riêng chúng - có thể sớm không còn khả năng duy trì vỏ bọc cần thiết để tồn tại. Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã đặt vỏ pteropod trong nước có mức carbonate được điều chỉnh phản ánh mức độ carbonate dự kiến cho năm 2100. Vỏ đã hòa tan chỉ sau 45 ngày. Ngay cả trong đại dương hiện nay, vỏ pteropod gần bờ biển Antarctica đã được phát hiện đang tan rã.
Có thể có vẻ không quan trọng khi những sinh vật nhỏ bé như vậy bị biến mất, nhưng thực tế là pteropods - cùng với các sinh vật khác được coi là zooplankton - tạo nên nền tảng của một mạng lưới thực phẩm rộng lớn và có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng nếu bị gián đoạn. Những sinh vật không có khả năng canxi hóa sẽ cảm nhận được tác động của sự axit hóa đại dương theo những cách khác. Nếu có sự thay đổi đủ lớn trong hóa học nước biển, ví dụ, một số loài cá sẽ gặp khó khăn trong việc phát hiện kẻ thù.
Findlay cũng phát hiện rằng các đại dương ở cực đã trải qua sự thay đổi đáng kể nhất ở bề mặt, nhưng những biến đổi đáng lo ngại hơn ở các vùng dưới bề mặt đã xảy ra ở các khu vực có vĩ độ thấp và cực. Nếu các rạn san hô dưới nước không thể xây dựng bộ xương ngoài, toàn bộ hệ sinh thái phụ thuộc vào chúng để có thức ăn và nơi trú ẩn có thể bị xóa sổ. Sự mất mát hệ sinh thái có thể dẫn đến việc các quần thể bị cô lập ở những khu vực nhỏ hơn, nơi chúng dễ bị tổn thương và dễ dàng bị tuyệt chủng hơn.
“Thành tựu chính nằm ở việc chuyển từ một đánh giá chủ yếu dựa trên hóa học biến đổi sang một cách tiếp cận toàn diện hơn, xem xét những điều không chắc chắn, sự biến thể địa phương, tác động dưới bề mặt và các hậu quả sinh học của việc vượt qua ranh giới,” cô nói.
Có thể không có tiểu hành tinh gây tuyệt chủng nào đang hướng tới Trái Đất trong thời gian gần, nhưng nếu lượng khí thải carbon tiếp tục ở mức hiện tại, chúng ta có thể đang tạo ra một hiệu ứng tiểu hành tinh gây chết người của riêng mình.
Lần này, nguyên nhân không phải do tiểu hành tinh mà chính là chúng ta, con người. Các hoạt động như phá rừng và đốt nhiên liệu hóa thạch đã thải ra lượng lớn khí thải, chủ yếu là carbon dioxide (CO2). Khí CO2 này đã khiến mức pH của đại dương giảm mạnh, dẫn đến sự tăng 30% độ axit, ảnh hưởng đến các hệ sinh thái dưới nước, từ rạn san hô đến đại dương sâu.
Ranh giới hành tinh đối với sự axit hóa đại dương - giới hạn mà Trái Đất có thể chịu đựng trước những hậu quả tàn phá - là sự giảm 20% nồng độ canxi carbonat (một loại base phổ biến thường thấy trong đá vôi và vỏ sò) so với trước thời kỳ công nghiệp. Giới hạn này đã gần chạm tới vào năm 2020, nhưng cho đến gần đây, chúng ta vẫn chưa vượt qua.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Hải dương Plymouth (PML) ở Vương quốc Anh đang rất lo ngại. Dưới sự lãnh đạo của nhà hải dương học sinh học Helen Findlay, họ đã phát hiện ra rằng giới hạn axit hóa đại dương đã bị vượt qua ở 60% các vùng nước dưới bề mặt nằm sâu 200 mét (khoảng 656 feet) dưới mặt nước.
“Đánh giá ranh giới hành tinh xác định chín quy trình lớn của hệ thống Trái Đất và các ranh giới liên quan mà nếu bị vi phạm, có thể gây ra thay đổi môi trường không thể chấp nhận,” Findlay cho biết trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Global Change Biology.
Những sinh vật tự tạo ra vỏ bọc thông qua quá trình canxi hóa phụ thuộc vào các phân tử canxi và carbonat đã có sẵn trong đại dương. Quá nhiều CO2 có thể làm rối loạn quá trình này. Khi CO2 được hấp thụ vào nước biển, nó phản ứng với các phân tử nước để tạo ra axit carbonic (H2CO3), sau đó dễ dàng phân tách thành các ion hydrogen (H+) và bicarbonate (HCO3-). Các ion hydrogen làm giảm pH của nước, trong khi các ion bicarbonate gây ra những vấn đề khác. Các loài sinh vật cần vỏ bọc sẽ cần các ion carbonate (CO32-) để liên kết với canxi, nhưng chúng không thể tiếp cận nếu đã bị khóa trong bicarbonate. Khi lượng CO2 trong đại dương tăng lên, số lượng ion carbonate có sẵn giảm xuống, khiến cho các sinh vật gặp khó khăn.
Và các vấn đề không dừng lại ở đó. Khi nhiệt độ tăng cao, các đại dương ấm giữ ít oxy hơn. Nước ấm có độ nổi cao hơn và không trộn lẫn tốt với nước sâu lạnh hơn và có nhiều oxy hơn, do đó, nguồn cung oxy bị tiêu thụ nhanh hơn. Cung cấp ít oxy hơn so với lượng tiêu thụ dẫn đến tình trạng thiếu oxy, gọi là hypoxia. Thiếu oxy khiến cho các sinh vật tự tạo vỏ phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để xây dựng và duy trì vỏ của chúng, và tiếp xúc với điều kiện thiếu oxy có thể cực kỳ nguy hiểm cho chúng. Mức pH quá thấp có thể khiến cho vỏ và bộ xương ngoài của sinh vật thực sự bị hòa tan, điều này dẫn đến việc Findlay đề xuất rằng ranh giới giảm 20% canxi carbonat (so với trước thời kỳ công nghiệp) nên được điều chỉnh thành 10%. Sự điều chỉnh này sẽ tạo cơ hội cho cuộc sống dưới đại dương hồi phục và phát triển trở lại.
Nếu lượng khí thải carbon tiếp tục tăng, mọi thứ sẽ càng lúc càng trở nên u ám hơn cho sinh vật biển. Một thí nghiệm đáng lo ngại khác của NOAA cho thấy một số loài pteropods - những động vật thân mềm nhỏ (còn gọi là bươm bướm biển vì những chi appendages như cánh giúp chúng bơi) cũng sản xuất vỏ của riêng chúng - có thể sớm không còn khả năng duy trì vỏ bọc cần thiết để tồn tại. Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã đặt vỏ pteropod trong nước có mức carbonate được điều chỉnh phản ánh mức độ carbonate dự kiến cho năm 2100. Vỏ đã hòa tan chỉ sau 45 ngày. Ngay cả trong đại dương hiện nay, vỏ pteropod gần bờ biển Antarctica đã được phát hiện đang tan rã.
Có thể có vẻ không quan trọng khi những sinh vật nhỏ bé như vậy bị biến mất, nhưng thực tế là pteropods - cùng với các sinh vật khác được coi là zooplankton - tạo nên nền tảng của một mạng lưới thực phẩm rộng lớn và có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng nếu bị gián đoạn. Những sinh vật không có khả năng canxi hóa sẽ cảm nhận được tác động của sự axit hóa đại dương theo những cách khác. Nếu có sự thay đổi đủ lớn trong hóa học nước biển, ví dụ, một số loài cá sẽ gặp khó khăn trong việc phát hiện kẻ thù.
Findlay cũng phát hiện rằng các đại dương ở cực đã trải qua sự thay đổi đáng kể nhất ở bề mặt, nhưng những biến đổi đáng lo ngại hơn ở các vùng dưới bề mặt đã xảy ra ở các khu vực có vĩ độ thấp và cực. Nếu các rạn san hô dưới nước không thể xây dựng bộ xương ngoài, toàn bộ hệ sinh thái phụ thuộc vào chúng để có thức ăn và nơi trú ẩn có thể bị xóa sổ. Sự mất mát hệ sinh thái có thể dẫn đến việc các quần thể bị cô lập ở những khu vực nhỏ hơn, nơi chúng dễ bị tổn thương và dễ dàng bị tuyệt chủng hơn.
“Thành tựu chính nằm ở việc chuyển từ một đánh giá chủ yếu dựa trên hóa học biến đổi sang một cách tiếp cận toàn diện hơn, xem xét những điều không chắc chắn, sự biến thể địa phương, tác động dưới bề mặt và các hậu quả sinh học của việc vượt qua ranh giới,” cô nói.
Có thể không có tiểu hành tinh gây tuyệt chủng nào đang hướng tới Trái Đất trong thời gian gần, nhưng nếu lượng khí thải carbon tiếp tục ở mức hiện tại, chúng ta có thể đang tạo ra một hiệu ứng tiểu hành tinh gây chết người của riêng mình.
