Phần lớn khối lượng khô của một cái cây đến từ không khí, chính xác hơn là từ khí các bô níc. Qua quang hợp, lá dùng năng lượng ánh sáng để ghép các bon lấy từ không khí với nước lấy từ rễ, tạo thành đường, rồi dùng đường để xây thân, cành, lá, rễ. Đất chỉ góp một phần rất nhỏ là khoáng chất.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Nếu hỏi một cây đa trăm năm lấy từ đâu ra hàng tấn gỗ, phần đông sẽ trả lời là từ đất. Nghe rất tự nhiên, và đó cũng là điều người xưa tin trong hàng nghìn năm. Tập này kể về một thí nghiệm đơn giản đã làm lung lay niềm tin đó, và về phép màu hằng ngày diễn ra trên từng chiếc lá.
Thí nghiệm cây liễu trong chậu
Vào thế kỷ mười bảy, nhà khoa học người Flanders là Jan Baptist van Helmont đã làm một thí nghiệm kéo dài năm năm. Ông cân một lượng đất khô, cho vào chậu lớn, trồng một cây liễu non đã cân sẵn, rồi chỉ tưới nước mưa. Ông che chậu để bụi không rơi vào.
Sau năm năm, cây liễu đã nặng hơn lúc trồng rất nhiều lần. Ông đem đất sấy khô và cân lại: đất chỉ hao đi một chút rất nhỏ. Vậy khối lượng khổng lồ của cây không đến từ đất.
Van Helmont kết luận cây lớn lên nhờ nước. Ông đúng một phần, nhưng còn thiếu một mảnh ghép mà thời đó chưa ai biết: không khí. Phải thêm hơn một thế kỷ, qua nhiều thí nghiệm với cây, nến và chuột trong bình kín của các nhà khoa học khác, người ta mới hiểu cây hút khí và nhả khí.
Thí nghiệm này là một ví dụ đẹp của khoa học: một câu hỏi đơn giản, một phép đo cẩn thận, và một kết quả bác bỏ niềm tin phổ biến, dù lời giải thích đầy đủ còn phải chờ.
Quang hợp biến không khí thành gỗ như thế nào?
Trong lá có những bào quan nhỏ màu xanh chứa chất diệp lục. Chúng bắt năng lượng ánh sáng, dùng năng lượng đó để tách nước ra, và lấy phần năng lượng thu được để kéo khí các bô níc từ không khí vào, ghép các nguyên tử các bon lại với nhau thành đường.
Khí các bô níc đi vào lá qua những lỗ nhỏ li ti ở mặt dưới lá, gọi là khí khổng.
Đường tạo ra được chuyển đi khắp cây. Một phần được đốt để lấy năng lượng sống. Phần lớn còn lại được ghép thành những phân tử dài như xen lu lô và lignin, chất liệu chính của gỗ. Thân cây đa trăm năm về bản chất là khí các bô níc được xếp lại thành hình cây.
Nghĩ theo chiều ngược lại cũng thú vị: khi bạn đốt một khúc củi, phần lớn khối gỗ biến lại thành khí các bô níc và hơi nước bay lên, chỉ còn một nhúm tro là khoáng chất từ đất. Củi trả lại cho không khí thứ nó đã lấy.
Ô xi mình thở đến từ đâu trong quá trình đó?
Nhiều người nghĩ cây hút khí các bô níc vào, tách lấy các bon, rồi nhả phần ô xi của chính khí các bô níc ra. Nghe hợp lý, nhưng các thí nghiệm dùng những dạng nguyên tử ô xi có thể đánh dấu được đã cho thấy ô xi cây nhả ra đến từ nước, không phải từ khí các bô níc.
Tức là trong lá, ánh sáng được dùng để tách phân tử nước. Hi đrô được giữ lại để dùng trong việc tạo đường, còn ô xi thoát ra ngoài như một thứ phụ phẩm.
Thứ phụ phẩm đó đã thay đổi cả hành tinh. Khí quyển Trái Đất thời xa xưa gần như không có ô xi tự do. Qua hàng trăm triệu năm, những vi khuẩn quang hợp đầu tiên nhả ô xi ra, dần dần làm đầy khí quyển, mở đường cho những sinh vật thở ô xi, trong đó có chúng ta.
Nói cho công bằng, ngày nay một phần rất lớn ô xi trên Trái Đất đến từ tảo và vi sinh vật quang hợp trong đại dương, chứ không chỉ từ rừng trên cạn.
Vì sao lá cây lại màu xanh?
Ánh nắng gồm nhiều màu. Diệp lục hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ và xanh lam để lấy năng lượng, nhưng hấp thụ kém ánh sáng xanh lục. Phần xanh lục đó bị hắt lại, đi vào mắt mình, nên lá có màu xanh lá.
Điều này có vẻ lãng phí: phần ánh sáng mạnh nhất trong nắng lại rơi vào vùng xanh lục mà diệp lục không tận dụng tốt. Các nhà khoa học vẫn đang bàn vì sao tiến hoá lại chọn như vậy. Một giả thuyết cho rằng hấp thụ quá mạnh mọi ánh sáng có thể làm lá bị quá tải và tổn thương khi nắng gắt.
Mùa thu ở những nước ôn đới, cây ngừng làm diệp lục mới trước khi rụng lá, màu xanh phai đi và để lộ những sắc tố vàng cam vốn đã có sẵn trong lá. Ở Việt Nam, bạn thấy hiện tượng tương tự khi cây bàng đổ lá đỏ vào mùa đông miền Bắc.
Rau để trong tủ lạnh lâu ngày vàng đi cũng vì diệp lục bị phân huỷ. Màu xanh của rau là dấu hiệu nó còn tươi và còn nhiều diệp lục.
Vậy đất góp phần gì cho cây?
Đất không cung cấp phần lớn khối lượng, nhưng cung cấp những thứ không thể thiếu. Nước, thứ mà quang hợp cần để tách lấy hi đrô. Và các khoáng chất như ni tơ, phốt pho, ka li, cùng nhiều nguyên tố khác với lượng nhỏ.
Những nguyên tố này cần để làm protein, ADN, diệp lục và nhiều phân tử khác. Thiếu ni tơ thì lá vàng, cây còi; thiếu phốt pho thì rễ kém phát triển. Đó là lý do nông dân bón phân: phân bổ sung đúng những khoáng chất này chứ không phải bổ sung khối lượng cho cây.
Đất còn là nơi cây bám rễ và là nhà của vô số vi sinh vật giúp cây hấp thụ dinh dưỡng. Một số cây họ đậu còn sống cộng sinh với vi khuẩn giúp lấy ni tơ từ không khí, vì vậy trồng đậu xen canh giúp đất màu mỡ hơn.
Lần tới đứng dưới một cây cổ thụ ở sân đình, bạn thử ngước lên và nghĩ rằng mình đang nhìn một khối không khí đã được Mặt Trời xếp thành gỗ qua cả trăm năm. Bạn có thấy không khí quanh mình bỗng nặng hơn một chút không?
Câu hỏi thường gặp
Quang hợp có xảy ra vào ban đêm không?
Phần cần ánh sáng thì không xảy ra khi trời tối. Ban đêm cây vẫn hô hấp, tức là dùng ô xi và thải khí các bô níc giống động vật, nhưng lượng đó nhỏ hơn nhiều so với lượng khí các bô níc hấp thụ ban ngày.
Có nên để cây trong phòng ngủ không?
Với vài chậu cây thông thường, lượng ô xi cây dùng ban đêm rất nhỏ và không đáng lo với phòng có thông gió bình thường. Lợi ích làm sạch không khí trong nhà của vài chậu cây cũng nhỏ hơn nhiều so với việc mở cửa thông gió.
Vì sao cây trồng trong nhà kính lớn nhanh?
Nhà kính giữ ấm, giữ ẩm và bảo vệ cây khỏi mưa gió, sâu bệnh, giúp cây quang hợp và sinh trưởng thuận lợi hơn. Một số nhà kính còn bổ sung khí các bô níc để tăng tốc độ quang hợp.
Cây có thể sống mà không cần đất không?
Có. Thuỷ canh trồng cây trong nước có hoà các khoáng chất cần thiết mà không cần đất. Điều này cho thấy rõ đất chủ yếu cung cấp nước, khoáng chất và chỗ bám.
Rừng có phải là lá phổi xanh của Trái Đất không?
Rừng hấp thụ nhiều khí các bô níc và rất quan trọng với khí hậu và đa dạng sinh học. Tuy nhiên phần lớn ô xi rừng tạo ra cũng được chính hệ sinh thái rừng tiêu thụ lại, và tảo trong đại dương đóng góp rất lớn vào lượng ô xi toàn cầu.
