Khí hậu đã định hình quá trình tiến hóa loài người như thế nào?

Hãy tưởng tượng làm một bài tập về nhà buộc bạn phải để máy tính chạy liên tục trong nửa năm.

Đó chính là điều một nhóm nhà khoa học tại Trung tâm Vật lý Khí hậu IBS thuộc Đại học Quốc gia Pusan, Hàn Quốc, đã làm để trả lời một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất của khoa học: Liệu biến đổi khí hậu có ảnh hưởng đến sự tiến hóa của loài người?

Nhóm nghiên cứu sử dụng siêu máy tính mang tên Aleph. Dưới sự lãnh đạo của Giám đốc IBS Alex Timmermann, họ đã để Aleph chạy trong sáu tháng để hoàn thành một mô phỏng khí hậu bao quát lịch sử môi trường Trái đất trong 2 triệu năm qua. Kết quả thu được là 500 terabyte dữ liệu – đủ để lấp đầy hàng trăm ổ cứng.

Sáu tháng mô phỏng là xứng đáng, vì các nhà khoa học đã cung cấp bằng chứng rõ ràng đầu tiên rằng biến đổi khí hậu đã ảnh hưởng đến sự tiến hóa của loài người và sự hình thành các loài thuộc chi Homo.

45 triệu năm nỗ lực chỉ trong một giây

Các nhà khoa học từ lâu đã vật lộn để chứng minh rằng biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến tiến hóa loài người do thiếu dữ liệu khí hậu ở các khu vực có hóa thạch con người. Mặc dù thiếu dữ liệu, di cư liên quan đến khí hậu là một yếu tố phổ biến đến mức hầu hết các nhà khoa học đều đồng ý rằng nó đóng vai trò trong tiến hóa loài người.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu khí hậu và sinh học tiến hóa nghi ngờ rằng sự thay đổi về nhiệt độ, lượng mưa và thảm thực vật (đại diện cho nguồn thức ăn) đã đẩy loài người rời khỏi môi trường sống ban đầu ở châu Phi và tiến vào châu Âu và Á – Âu. Những kiểu di cư này có lẽ đã buộc tổ tiên chúng ta trở thành những người lang thang toàn cầu.

Ý tưởng này đã tiến một bước gần hơn đến sự xác nhận nhờ Aleph, một siêu máy tính hiện đại. Aleph, được đặt theo chữ cái đầu tiên của bảng chữ cái Hebrew, chỉ mất một giây để hoàn thành các phép tính mà mỗi người chúng ta cần tới 45 triệu năm nỗ lực. Nhóm nghiên cứu muốn sử dụng Aleph để tạo ra một mô hình khí hậu kéo dài hai triệu năm nhằm xác định liệu biến đổi khí hậu và di cư của loài người có tương quan với nhau hay không.

Bỏ qua tốc độ, bất kỳ mô hình mô phỏng nào cũng chỉ hiệu quả khi dữ liệu đầu vào đủ chất lượng. May mắn thay, các nhà nghiên cứu không thiếu những hồ sơ khảo cổ và hóa thạch chất lượng cao để đưa vào Aleph.

Phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Đại học Università di Napoli Federico II ở Ý, nhóm đã tiếp cận một tập hợp dữ liệu khảo cổ và hóa thạch loài người. Bộ sưu tập bao gồm 3.245 mục dữ liệu từ sáu loài thuộc chi Homo: H. habilis, H. ergaster, H. erectus, H. heidelbergensis, H. neanderthalensis và H. sapiens.

Sau đó, nhóm cung cấp cho Aleph các dữ liệu về sự thay đổi đã biết trong độ lệch tâm quỹ đạo của Trái đất – một thước đo mức độ quỹ đạo của Trái đất lệch khỏi hình tròn hoàn hảo – cùng với sự rung lắc và nghiêng của Trái đất. Với thông tin này, Aleph có thể dự đoán một cách đáng tin cậy các sự kiện khí hậu lớn như chu kỳ băng hà và sự bắt đầu của các kỷ băng hà.

Aleph xử lý dữ liệu để tạo ra một mô hình khí hậu có độ chính xác cao trải dài hai triệu năm. Timmermann và nhóm nghiên cứu có thể xem khí hậu trong mô phỏng ở các thời điểm và địa điểm mà loài người từng sống. Từ những dữ liệu này, họ đã tạo ra các mô hình khả năng thích nghi với môi trường sống cho từng loài người.

Ví dụ, bằng cách so sánh các niche khí hậu của loài chúng ta, H. sapiens, với năm loài còn lại, nhóm xác định rằng H. sapiens thích nghi tốt nhất với điều kiện khô hạn. Khả năng thích nghi này có lẽ đã mang lại lợi thế cho chúng ta khi di chuyển qua các lục địa để tìm kiếm môi trường sống lý tưởng. Sau khi có ý tưởng rõ ràng hơn về loại môi trường sống mỗi loài ưa thích, nhóm nghiên cứu có thể thấy các môi trường sống này đã thay đổi như thế nào trên bản đồ trong suốt hai triệu năm.

Con người theo đuổi các khí hậu phù hợp

Nhóm nghiên cứu có thể tua nhanh thời gian qua các mô phỏng của họ để tạo ra các bản đồ thay đổi môi trường sống tiềm năng của từng loài. Họ cũng có thể kiểm tra xem những thay đổi này có tương quan với biến đổi khí hậu hay không.

Khi phân tích lại với các nhóm hóa thạch được chọn ngẫu nhiên, nhóm phát hiện mối tương quan đáng kể giữa biến đổi khí hậu và địa điểm dân cư của ba loài người: H. sapiens, H. neanderthalensis và H. heidelbergensis.

Đặc biệt, mô hình chỉ ra hai giai đoạn áp lực khí hậu lớn ở miền nam châu Phi đối với H. heidelbergensis khoảng 400.000 năm trước. Thời gian này trùng với sự vắng mặt của loài này trong hồ sơ hóa thạch và sự xuất hiện của H. sapiens tại miền nam châu Phi, phù hợp với giả thuyết rằng H. heidelbergensis dần tiến hóa thành H. sapiens.

Một giai đoạn căng thẳng khí hậu khác khoảng 210.000 năm trước có lẽ đã đặt thêm áp lực lên H. sapiens còn lại, dẫn đến sự phân tán và đa dạng hóa di truyền.

Timmermann nói trong một thông cáo báo chí rằng kết quả này ngụ ý rằng ít nhất trong 500.000 năm qua, chuỗi biến đổi khí hậu thực sự, bao gồm các chu kỳ băng hà, đóng vai trò trung tâm trong việc xác định nơi các nhóm người hominin khác nhau sinh sống và nơi hóa thạch của họ được tìm thấy.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu muốn biết liệu môi trường sống phù hợp của các loài người khác nhau có trùng lặp về không gian và thời gian ở các khu vực mà họ gọi là vùng tiếp xúc hay không.

Nếu các môi trường sống này trùng lặp, các loài người khác nhau có khả năng giao phối và cạnh tranh, qua đó ảnh hưởng đến sự kế thừa loài.

Từ phân tích vùng tiếp xúc, nhóm nghiên cứu đã tạo ra cây phả hệ loài người, chỉ ra rằng người Neanderthal (H. neanderthalensis) tiến hóa từ nhánh Á – Âu của H. heidelbergensis khoảng 500.000 – 400.000 năm trước, trong khi loài chúng ta, H. sapiens, phát triển từ quần thể châu Phi của H. heidelbergensis cuối kỷ khoảng 300.000 năm trước.

Các cây phả hệ này phù hợp với các ước tính tương tự dựa trên dữ liệu di truyền và hóa thạch, bổ sung bằng chứng hiện có hỗ trợ giả thuyết tiến hóa của H. sapiens từ H. heidelbergensis.

Tiến hóa và sự thích nghi

Khi các loài người sơ khai trở thành những kẻ lang thang toàn cầu, họ cần phát triển các kỹ năng mới, từ đó củng cố khả năng mở rộng phạm vi địa lý của mình.

Các nhà nghiên cứu cho rằng phản hồi tích cực này đã thúc đẩy những thay đổi về sinh học hoặc văn hóa, cho phép các loài thích nghi với các vùng khí hậu rộng hơn và cuối cùng tiến hóa thành H. sapiens và H. neanderthalensis – cả hai loài đều có bộ não lớn hơn so với H. heidelbergensis.

Mối liên hệ này làm nổi bật xu hướng tăng kích thước não trong dài hạn với những thay đổi khí hậu ở châu Phi, củng cố vai trò của biến đổi khí hậu không chỉ trong việc định hình vị trí địa lý của loài chúng ta, mà còn trong sự phát triển trí tuệ.

Khi xem xét cùng với các nghiên cứu khác cho thấy H. sapiens là loài duy nhất có niche khí hậu vẫn đang mở rộng vào cuối thời kỳ phân tích, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng khả năng thích nghi với biến đổi khí hậu đã đóng vai trò không thể phủ nhận trong sự phát tán của loài chúng ta.

Biến đổi khí hậu có thể định hình sự tiến hóa của sự sống trên Trái đất, nhưng con người hiện đại đã chứng minh khả năng vượt qua các thách thức khí hậu để định cư ở những nơi không thể sống nổi, từ sa mạc Las Vegas đến lãnh nguyên Siberia.

Các phân tích này và các nghiên cứu khác cho thấy biến đổi khí hậu đã dẫn dắt sự tiến hóa của loài chúng ta, khẳng định dấu ấn của nó trên sự tuyệt chủng và hình thành loài người.

Mặc dù khả năng thích nghi với khí hậu đã đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại của chúng ta, nhưng giờ đây, chúng ta đang tăng tốc những biến đổi khí hậu có thể đã dẫn đến sự diệt vong của những người họ hàng gần nhất với chúng ta.