Mặt Trời ngày càng sáng, Trái Đất còn bao lâu để duy trì sự sống?

Lượng năng lượng phát ra từ Mặt Trời hiện lớn hơn khoảng một phần ba so với thời kỳ sơ khai cách đây 4,5 tỷ năm. Các mô hình tiến hóa sao cho thấy, xu hướng này sẽ tiếp diễn trước khi Mặt Trời đi đến giai đoạn kết thúc vòng đời sau khoảng 5 tỷ năm nữa.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi về giới hạn tồn tại của sự sống trên Trái Đất khi Mặt Trời ngày càng sáng. Ước tính ban đầu của James Lovelock và cộng sự vào năm 1982 cho rằng sinh quyển quang hợp của Trái Đất sẽ chấm dứt trong khoảng 100 triệu năm tới.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới công bố ngày 28/5 trên tạp chí JGR Atmospheres đã đưa ra một cái nhìn lạc quan hơn. Các nhà khoa học cho rằng đời sống thực vật có thể tiếp tục tồn tại khoảng 1,8 tỷ năm nữa.

Mốc thời gian này tiến gần đến thời điểm Trái Đất có thể mất đi các đại dương do bức xạ phân tách các phân tử nước hoặc hiệu ứng bay hơi mất kiểm soát, dự kiến xảy ra trong khoảng 2 tỷ năm nữa.

"Chúng tôi muốn chứng minh rằng sự sống trên Trái Đất, đặc biệt là thảm thực vật phức tạp có thể tồn tại lâu hơn trong tương lai so với những gì các nghiên cứu trước đây từng chỉ ra", Jacob Haqq-Misra, nhà thiên văn sinh học thuộc tổ chức phi lợi nhuận Blue Marble Space và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Vai trò then chốt của quang hợp và CO2

Sự sống trên Trái Đất phụ thuộc vào quá trình quang hợp, cơ chế sinh học mà thực vật, tảo và một số vi khuẩn sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt Trời để chuyển hóa CO2 và nước thành các hợp chất hữu cơ giàu năng lượng, đồng thời giải phóng oxy. Quá trình này đòi hỏi cả CO2 và ánh sáng.

Tuy nhiên, khi Mặt Trời làm Trái Đất nóng lên đến một ngưỡng nhất định, thực vật sẽ không còn khả năng quang hợp, dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ chuỗi thức ăn và sự tuyệt diệt của sự sống.

Robert Graham, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Chicago, giải thích: "Trái Đất đã duy trì được mức nhiệt độ bề mặt tương đối dễ sống trong phần lớn 4 tỷ năm qua nhờ một cơ chế điều hòa khí hậu tự nhiên".

Cơ chế này dựa trên việc lưu trữ CO2 trong đá và giải phóng lại thông qua hoạt động núi lửa. Khi Trái Đất nóng lên, hành tinh sẽ hấp thụ nhiều CO2 hơn từ khí quyển và lưu trữ dưới lòng đất, giúp ổn định nhiệt độ nhưng đồng thời cũng làm giảm lượng CO2 sẵn có cho thực vật.

Sinh quyển Trái Đất vẫn còn nhiều ẩn số

Trong nghiên cứu mới, Haqq-Misra và cộng sự Eric Wolf đã sử dụng 29 mô hình khí hậu để ước tính điều gì sẽ xảy ra với sinh quyển thực vật của Trái Đất trong các kịch bản khác nhau.

Họ xem xét hai giới hạn cực đoan: khi Trái Đất quá nóng để sự sống tồn tại dù CO2 vẫn ổn định, và khi CO2 giảm quá thấp dù nhiệt độ vẫn ổn định. Từ đó, nhóm nghiên cứu phân tích các điều kiện trung gian về CO2 và bức xạ Mặt Trời, bao gồm cả các kịch bản Trái Đất có khả năng hấp thụ carbon từ khí quyển rất hiệu quả khi nhiệt độ tăng.

Nhóm nghiên cứu cũng đưa vào mô hình nhiều nhóm thực vật khác nhau, bao gồm các loài có thể sống trong điều kiện CO2 rất thấp nhờ cơ chế quang hợp đặc biệt như CAM (crassulacean acid metabolism) ở cây mọng nước và lan, cũng như một số thực vật biển có khả năng hòa tan và khai thác carbon từ hệ thống đại dương.

Robert Graham nhận định: "Đây là một bước tiến so với các công trình trước và cho thấy các sinh quyển phức tạp như Trái Đất có khả năng chống chịu biến đổi môi trường do Mặt Trời tăng độ sáng tốt hơn dự đoán".

Andrew Rushby, nhà thiên văn sinh học tại Đại học Birkbeck (London), cho rằng công trình này đã cập nhật khái niệm về "tuổi thọ của sinh quyển". Tuy nhiên, ông nhấn mạnh rằng đây vẫn chỉ là những "ước tính mang tính khái quát".

"Chúng ta không thể dự đoán hoặc biết được những khả năng tiến hóa mà sinh quyển quang hợp có thể đạt được để thích nghi với sự gia tăng năng lượng Mặt Trời và sự suy giảm CO2 trong khí quyển, đặc biệt là trong thang thời gian hàng tỷ năm", Rushby chia sẻ.

Các tác giả nghiên cứu cũng lưu ý rằng "các giới hạn do stress nhiệt hoặc thiếu hụt dinh dưỡng có thể chỉ phản ánh những gì chúng ta quan sát được ở sinh quyển hiện tại, chứ không phải là ranh giới cứng cho khả năng tiến hóa của sự sống". Ngoài ra, không ai có thể biết chắc sự sống sẽ thích nghi ra sao trong những điều kiện hoàn toàn mới.

Haqq-Misra cho rằng kết quả nghiên cứu mang lại cảm giác lạc quan: "Hệ thống Trái Đất có độ bền vững cao, và chúng ta là một phần của một quá trình có thể kéo dài lâu hơn rất nhiều so với những gì từng nghĩ".