Bài học

Dòng mạch gỗ và động lực vận chuyển nước

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu và giải thích được ba động lực đẩy nước lên cao trong mạch gỗ — lực đẩy của rễ, lực hút do thoát hơi nước, lực liên kết giữa các phân tử nước — xác định được động lực nào chiếm ưu thế ở một cây thân gỗ cao, và giải thích được hiện tượng ứ giọt, rỉ nhựa.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học nước vào rễ bằng thẩm thấu (same-grade bridge). Ở lớp 7, em cũng đã biết nước theo mạch gỗ lên lá nhờ lực kéo của thoát hơi nước (prior-grade review), nhưng đó là mức mô tả — chưa hỏi vì sao lực kéo đó lại truyền được xuống tận rễ mà không làm đứt cột nước, và còn động lực nào khác cùng tham gia. Bài này trả lời đúng câu hỏi đó.

Khởi động

Một cây gỗ lớn ở Nam Bộ, ví dụ cây dầu hay cây sao đen, có thể cao vài chục mét. Nước từ rễ dưới đất phải lên tới tận ngọn cây đó, cao hơn cả một toà nhà chục tầng, mà cây không hề có một cái bơm nào giống trái tim động vật. Vậy điều gì thực sự kéo được cột nước lên cao đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Mạch gỗ (xylem) là hệ thống ống dẫn gồm những tế bào đã chết khi trưởng thành, thành tế bào hoá gỗ cứng chắc, xếp nối đầu nhau tạo thành các ống liên tục chạy suốt từ rễ lên lá. Cấu tạo tế bào chết, rỗng ruột này phù hợp cho một dòng nước đi một chiều duy nhất — từ rễ lên lá — chứ không phải một hệ vận chuyển hai chiều.

Nước không tự leo lên cao được, nên phải có động lực kéo hoặc đẩy nó đi. Có ba động lực cùng tham gia. Thứ nhất là lực đẩy của rễ (áp suất rễ): rễ liên tục bơm ion khoáng vào mạch gỗ bằng vận chuyển chủ động, nước theo thẩm thấu đi theo, tạo ra một áp suất dương đẩy cột nước lên từ phía dưới. Bằng chứng rõ nhất của lực đẩy rễ là hiện tượng ứ giọt — những giọt nước đọng ở mép lá một số cây vào sáng sớm ẩm, khi thoát hơi nước gần như không xảy ra — và hiện tượng rỉ nhựa, khi cắt ngang một thân cây gần gốc, nhựa cây vẫn tiếp tục ứa ra dù không còn lá phía trên. Nhưng lực đẩy của rễ khá yếu, theo tính toán sinh lí thực vật chỉ đủ đẩy cột nước lên cao vài mét — không thể là động lực chính cho một cây cao hàng chục mét.

Nước không tự leo lên cao được, nên phải có động lực kéo hoặc đẩy nó đi. Có ba động lực cùng tham gia. Thứ nhất là **lực đẩy của rễ** (áp suất rễ): rễ liên tục bơm ion khoáng vào mạch gỗ bằng vận chuyển chủ động, nước theo thẩm thấu đi theo, tạo ra một áp suất dương đẩy cột nước lên từ phía dưới. Bằng chứng rõ nhất của lực đẩy rễ là hiện tượng ứ giọt — những giọt nước đọng ở mép lá một số cây vào sáng sớm ẩm, khi thoát hơi nước gần như không xảy ra — và hiện tượng rỉ nhựa, khi cắt ngang một thân cây gần gốc, nhựa cây vẫn tiếp tục ứa ra dù không còn lá phía trên. Nhưng lực đẩy của rễ khá yếu, theo tính toán sinh lí thực vật chỉ đủ đẩy cột nước lên cao vài mét — không thể là động lực chính cho một cây cao hàng chục mét.

Thứ hai, và là động lực chính ở cây thân gỗ cao, là lực hút do thoát hơi nước: nước bốc hơi liên tục qua khí khổng ở lá làm thế nước tại bề mặt lá giảm rất mạnh, tạo ra một lực hút kéo cột nước từ mạch gỗ đi lên để bù vào chỗ vừa mất. Khí khổng càng mở rộng và không khí càng khô, lực hút này càng mạnh. Thứ ba là lực liên kết giữa các phân tử nước (do liên kết hydro) cộng với lực bám dính của nước vào thành mạch gỗ ưa nước: hai lực này giữ cho cột nước trong lòng mạch gỗ hẹp luôn liên tục, không bị đứt gãy thành từng đoạn rời rạc — đây chính là điều kiện để lực hút phát sinh ở lá truyền được xuống tận rễ, giống như kéo một sợi dây liền chứ không phải một chuỗi hạt rời.

Thứ hai, và là động lực chính ở cây thân gỗ cao, là **lực hút do thoát hơi nước**: nước bốc hơi liên tục qua khí khổng ở lá làm thế nước tại bề mặt lá giảm rất mạnh, tạo ra một lực hút kéo cột nước từ mạch gỗ đi lên để bù vào chỗ vừa mất. Khí khổng càng mở rộng và không khí càng khô, lực hút này càng mạnh. Thứ ba là **lực liên kết giữa các phân tử nước** (do liên kết hydro) cộng với **lực bám dính** của nước vào thành mạch gỗ ưa nước: hai lực này giữ cho cột nước trong lòng mạch gỗ hẹp luôn liên tục, không bị đứt gãy thành từng đoạn rời rạc — đây chính là điều kiện để lực hút phát sinh ở lá truyền được xuống tận rễ, giống như kéo một sợi dây liền chứ không phải một chuỗi hạt rời.

Lực hút do thoát hơi nước ở giai đoạn cuối chi phối cả dòng chảy; lực liên kết-bám dính ở giữa đường là điều kiện để lực hút đó truyền xuống được tới rễ.

Kết hợp cả ba, sinh lí học gọi đây là thuyết lực kéo do thoát hơi nước — cố kết (cohesion-tension theory): thoát hơi nước tạo lực hút ở đỉnh cây, lực liên kết và bám dính giữ cột nước liên tục để lực hút đó truyền được xuống tận rễ, còn lực đẩy của rễ chỉ hỗ trợ thêm ở phần gốc. Ở một cây thân gỗ cao, động lực chiếm ưu thế rõ ràng là lực hút do thoát hơi nước, được lực liên kết-bám dính hỗ trợ; lực đẩy của rễ chỉ đóng vai trò phụ và chỉ thể hiện rõ khi thoát hơi nước gần như ngừng, ví dụ vào ban đêm ẩm ướt.

Ba động lực không tách rời mà phối hợp: lực hút ở lá kéo, lực liên kết-bám dính truyền lực kéo đó xuống rễ không đứt đoạn, lực đẩy của rễ hỗ trợ thêm ở gốc.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng ứ giọt vào sáng sớm

1
Vào những buổi sáng sớm, độ ẩm không khí rất cao, một số cây thân thảo có những giọt nước trong suốt đọng ở mép lá dù trời không mưa. Hãy giải thích hiện tượng này.
2
Ta có độ ẩm không khí buổi sáng sớm rất cao, gần bão hoà, nên thoát hơi nước qua khí khổng gần như không xảy ra — không khí ẩm không thể nhận thêm hơi nước.
3
Vì thoát hơi nước gần như ngừng, lực hút do thoát hơi nước không phát sinh. Nhưng rễ vẫn tiếp tục bơm khoáng chủ động và hút nước theo thẩm thấu suốt đêm, nên lực đẩy của rễ vẫn hoạt động bình thường.
4
Do đó áp suất dương từ lực đẩy của rễ tiếp tục đẩy nước lên, không có chỗ thoát qua khí khổng đang gần như đóng, nước bị đẩy ra qua các lỗ đặc biệt ở mép lá gọi là thuỷ khổng, đọng lại thành giọt.
5
Vậy ứ giọt là bằng chứng trực tiếp của lực đẩy rễ, chỉ xuất hiện rõ khi thoát hơi nước bị đình trệ vì độ ẩm không khí quá cao.

Ví dụ

Vì sao lực đẩy của rễ không đủ đưa nước lên ngọn cây cao (dạng đề kiểm tra)

1
Một cây gỗ lớn cao hơn hẳn mức vài mét mà lực đẩy của rễ có thể tạo ra. Hãy giải thích vì sao cây vẫn đưa được nước lên tới ngọn, và động lực nào đóng vai trò chính trong trường hợp này.
2
Ta có lực đẩy của rễ chỉ tạo ra một áp suất dương giới hạn, đủ đẩy cột nước lên cao vài mét — thấp hơn nhiều so với chiều cao thực tế của cây gỗ lớn, nên đây không thể là động lực chính. (1)
3
Ở lá cây, thoát hơi nước qua khí khổng diễn ra liên tục và mạnh, tạo một lực hút rất lớn — lực hút này không bị giới hạn bởi chiều cao cây như lực đẩy của rễ. (2)
4
Muốn lực hút ở lá kéo được cả cột nước từ gốc lên, cột nước trong mạch gỗ phải liên tục không đứt — điều này do lực liên kết giữa các phân tử nước và lực bám dính vào thành mạch đảm nhiệm. (3)
5
Kết hợp (1), (2), (3): lực đẩy của rễ không đủ nên bị loại là động lực chính; lực hút do thoát hơi nước đủ mạnh và không giới hạn theo chiều cao; lực liên kết-bám dính là điều kiện truyền lực hút đó xuống toàn bộ cột nước.
6
Vậy động lực chính đưa nước lên ngọn một cây cao là lực hút do thoát hơi nước, được lực liên kết giữa các phân tử nước và lực bám dính vào thành mạch hỗ trợ; lực đẩy của rễ chỉ đóng vai trò phụ.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất ở bài này là gán toàn bộ việc đưa nước lên cao cho lực đẩy của rễ — có lẽ vì cái tên 'lực đẩy' nghe có vẻ mạnh mẽ. Thực ra lực đẩy của rễ khá yếu, chỉ đủ đẩy nước lên vài mét, trong khi nhiều cây thân gỗ ở Việt Nam cao hơn hẳn mức đó, có thể đạt hàng chục mét. Động lực chính luôn là lực hút do thoát hơi nước, còn lực liên kết-bám dính là điều kiện bắt buộc để lực hút đó không bị 'đứt quãng' giữa chừng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ba động lực trong mạch gỗ: lực đẩy của rễ (yếu, chỉ vài mét, bằng chứng là ứ giọt và rỉ nhựa), lực hút do thoát hơi nước (mạnh nhất, chiếm ưu thế ở cây cao), và lực liên kết-bám dính (giữ cột nước liên tục để lực hút truyền được xuống rễ).

Mạch gỗ chỉ vận chuyển nước và khoáng, luôn theo một chiều từ rễ lên. Nhưng cây còn cần vận chuyển một dòng vật chất khác — đường và các chất hữu cơ do lá tạo ra — và dòng đó lại đi theo một cơ chế hoàn toàn khác, có thể đổi chiều tuỳ lúc. Bài sau sẽ theo dòng vật chất đó.