Khoảng 252 triệu năm trước, Trái Đất trải qua sự kiện tuyệt chủng Permi–Trias (Permian-Triassic extinction), thường được gọi là "Đại tuyệt chủng" (Great Dying). Đây là cuộc khủng hoảng sinh học nghiêm trọng nhất từng được ghi nhận, khiến khoảng 96% số loài sinh vật biển và 70% động vật trên cạn biến mất. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng không giống nhau giữa các nhóm sinh vật.
Trước thảm họa này, đáy đại dương trong suốt khoảng 280 triệu năm được thống trị bởi các loài tay cuộn sinh vật có hình dạng khá giống nghêu sò cùng với huệ biển và nhiều động vật sống bám dưới đáy biển. Sau cuộc đại tuyệt chủng, các nhóm từng thống trị này gần như bị xóa sổ. Trong khi đó, chỉ khoảng một nửa số loài thân mềm như nghêu, sò và ốc bị tuyệt chủng. Những loài còn sống sót, cùng với cá và các động vật da gai như sao biển, nhím biển, dần trở thành nhóm thống trị các đại dương. Đây là một trật tự vẫn được duy trì cho đến ngày nay.
Nghiên cứu, công bố ngày trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), là công trình đầu tiên kết hợp dữ liệu sinh học của cả những nhóm sinh vật bị tuyệt chủng nặng nề lẫn những nhóm sống sót. Kết quả chỉ ra một điểm khác biệt quan trọng: những loài có hệ trao đổi chất kém thích nghi với môi trường nước ấm và nghèo oxy có tỷ lệ tuyệt chủng cao nhất. Các điều kiện khắc nghiệt này hình thành sau khi những đợt phun trào núi lửa khổng lồ giải phóng lượng lớn khí CO2 và methane vào khí quyển, khiến nhiệt độ toàn cầu tăng mạnh.
José Andres Marquez, tác giả chính của nghiên cứu cho biết nhóm nghiên cứu muốn giải đáp một câu hỏi rất đơn giản: “Vì sao khi đi dạo trên bãi biển, chúng ta thường nhặt được vỏ sò và vỏ ốc chứ không phải vỏ của tay cuộn?”.
Theo ông, câu trả lời nằm ở khả năng thích nghi sinh lý của từng nhóm sinh vật. Nghiên cứu cho thấy ở nhiều nhóm động vật khác nhau, những loài dễ bị tổn thương trước sự gia tăng nhiệt độ nước và suy giảm oxy đã bị tuyệt chủng với tỷ lệ cao hơn nhiều.
Theo các nhà nghiên cứu, phát hiện này đặc biệt có ý nghĩa trong bối cảnh hiện nay. Trước thời điểm xảy ra Đại tuyệt chủng, các đại dương của Trái Đất có đặc điểm khá giống hiện tại: nhiệt độ tương đối mát và hàm lượng oxy cao. Chỉ sau khi lượng khí nhà kính tăng đột biến, hệ sinh thái biển mới rơi vào khủng hoảng.
"Nghiên cứu này gần như khép lại cuộc tranh luận về nguyên nhân gây ra sự kiện tuyệt chủng Permi–Trias. Hiểu được Trái Đất và sinh vật khi đó đã phản ứng ra sao sẽ giúp chúng ta hình dung điều gì có thể xảy ra trong tương lai”, Erik Anders Sperling, giáo sư khoa học Trái Đất tại Stanford nhận định. Ông cho biết cuộc đại tuyệt chủng lớn nhất lịch sử bắt đầu từ một thế giới rất giống hiện nay, với đại dương mát và giàu oxy, trước khi lượng CO2 khổng lồ được bơm vào khí quyển.
Trao đổi chất là tập hợp các quá trình hóa học giúp sinh vật tạo ra năng lượng để duy trì sự sống. Trong đại Cổ sinh (Paleozoic), nhiều động vật biển sống cố định dưới đáy, di chuyển chậm và kiếm ăn bằng cách lọc nước, chẳng hạn như tay cuộn, huệ biển cùng một số loài san hô và hải quỳ.
Sau cuộc đại tuyệt chủng, những loài phát triển mạnh lại là các sinh vật năng động hơn nhiều, bao gồm cá, ốc di chuyển, nhím biển và các loài hai mảnh vỏ như nghêu, hàu, trai. Chúng cần tốc độ trao đổi chất cao hơn để phục vụ việc di chuyển và trong nhiều trường hợp là săn mồi. So với tay cuộn, các loài vỏ hai mảnh có nhu cầu năng lượng lớn hơn nhờ cơ thể to hơn và chiếc "chân" cơ bắp giúp chúng đào cát hoặc bò dưới đáy biển.
Trước Đại tuyệt chủng, tay cuộn áp đảo về số lượng so với các loài vỏ hai mảnh. Ngày nay chỉ còn khoảng 400 loài tay cuộn, trong khi thế giới có khoảng 10.000–15.000 loài vỏ hai mảnh.
Nghiên cứu mới mở rộng từ một công trình năm 2018 của Stanford và Princeton, vốn cho rằng hiện tượng nước biển ấm lên và mất oxy là nguyên nhân chính gây ra Đại tuyệt chủng. Tuy nhiên, nghiên cứu trước chủ yếu dựa trên dữ liệu sinh lý của các loài sinh vật biển hiện đại, đặc biệt là cá và động vật giáp xác có giá trị kinh tế. Điều đó khiến hiểu biết về những nhóm sinh vật bị ảnh hưởng nặng nề nhất trong quá khứ còn nhiều khoảng trống.
Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành nhiều năm khảo sát thực địa, bao gồm việc thu thập các loài tay cuộn còn sống tại quần đảo San Juan (bang Washington, Mỹ) một trong số ít nơi chúng vẫn còn khá phổ biến. Tại các trạm nghiên cứu và phòng thí nghiệm của Stanford, các nhà khoa học đo lượng oxy tiêu thụ của nhiều nhóm động vật biển khác nhau trong điều kiện nhiệt độ nước thay đổi.
Kết quả cho thấy các sinh vật thời Cổ sinh có thể chịu được môi trường ít oxy hơn nhiều loài hiện đại. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, hệ trao đổi chất chậm của chúng không còn đáp ứng được nhu cầu oxy ngày càng lớn, khiến chúng dễ bị tuyệt chủng. Ngược lại, các loài hiện đại tuy cần nhiều oxy hơn trong điều kiện bình thường nhưng lại sở hữu hệ cơ và mang phát triển, giúp đáp ứng tốt hơn khi nhiệt độ nước tăng.
Nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận hiện tượng axit hóa đại dương do CO2 hòa tan khiến nước biển trở nên axit hơn, góp phần gây áp lực lên sinh vật biển vì làm chúng khó hình thành vỏ. Tuy nhiên, theo kết quả mới, tác động này nhỏ hơn nhiều so với sự nóng lên và thiếu oxy của đại dương.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng phân tích sang nhiều nhóm sinh vật biển khác nhằm hiểu rõ hơn cách nhiệt độ tăng, thiếu oxy và axit hóa đại dương tương tác với nhau. Các nhà khoa học cảnh báo rằng nếu đại dương hiện đại tiếp tục nóng lên và mất oxy, lịch sử có thể lặp lại.
Theo Sperling, trong kịch bản phát thải khí nhà kính nghiêm trọng nhất, Trái Đất đang tiến gần đến mức nóng lên tương tự thời kỳ Permi–Trias. Ông cho biết, vào thời Đại tuyệt chủng, nhiệt độ toàn cầu tăng khoảng 8–12 độ C trong hàng nghìn năm. Trong khi đó, đến năm 2100, nhiệt độ trung bình toàn cầu được dự báo có thể cao hơn 1,5–4 độ C so với thời kỳ tiền công nghiệp, nhưng sự thay đổi này chỉ diễn ra trong vòng khoảng 100–200 năm. Tin xấu là chúng ta đang đi theo quỹ đạo có thể dẫn đến mức nóng lên tương tự thời Permi–Trias trong kịch bản xấu nhất. Nhưng tin tốt là chúng ta vẫn còn thời gian để thay đổi và hành động trước khi quá muộn.
