Bài học

Thoát hơi nước và điều tiết khí khổng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vai trò kép của thoát hơi nước — vừa là động lực và hệ làm mát cần thiết, vừa là nguy cơ mất nước — mô tả được cơ chế đóng mở khí khổng, và dự đoán được tốc độ thoát hơi nước thay đổi thế nào dưới các điều kiện môi trường khác nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài về dòng mạch gỗ đã cho biết thoát hơi nước là động lực chính kéo cả cột nước lên cây (same-grade bridge), nhưng chưa hỏi: bản thân quá trình thoát hơi nước đó mang lại lợi ích gì khác ngoài việc kéo nước, cái giá phải trả là gì, và cây kiểm soát nó bằng cách nào. Bài này trả lời cả ba câu hỏi đó.

Khởi động

Giữa trưa một ngày hè nắng gắt ở miền Bắc, một số luống rau có vẻ cụp lá, hơi rũ xuống dù đất trồng vẫn còn ẩm — rồi đến chiều mát, chúng lại tươi tắn trở lại như chưa từng có chuyện gì xảy ra. Đất không hề thiếu nước, vậy vì sao cây lại có biểu hiện như đang khát?

Kiến thức trọng tâm

Thoát hơi nước không phải một lỗi thiết kế của cây mà là một chi phí bắt buộc đi kèm ba lợi ích thiết yếu. Thứ nhất, như đã học, nó là động lực chính kéo dòng nước và khoáng đi khắp cây. Thứ hai, nước bốc hơi hấp thu nhiệt từ chính bề mặt lá, giúp lá không bị nóng quá mức dưới ánh nắng gay gắt — một cơ chế làm mát hoàn toàn tự nhiên. Thứ ba, khí khổng — cánh cửa cho hơi nước thoát ra — cũng chính là cánh cửa duy nhất cho carbon dioxide khuếch tán vào lá để phục vụ quang hợp. Vì hai luồng khí đi qua cùng một cánh cửa nhưng ngược chiều nhau, mất nước qua thoát hơi nước là cái giá cây buộc phải trả để đổi lấy carbon dioxide cho quang hợp, chứ không phải một sai sót.

Khí khổng gồm hai tế bào bảo vệ hình hạt đậu, úp vào nhau tạo thành một khe hở ở giữa. Vách tế bào phía trong (giáp khe hở) dày hơn hẳn vách phía ngoài. Khi có ánh sáng, tế bào bảo vệ bơm ion H+ ra khỏi tế bào, tạo chênh lệch điện thế màng khiến ion K+ ồ ạt khuếch tán vào trong qua các kênh ion chuyên biệt. Nồng độ chất tan bên trong tế bào bảo vệ tăng vọt, thế nước giảm mạnh, nước đi vào theo thẩm thấu, tế bào trương nước. Vì vách ngoài mỏng hơn giãn nhiều hơn vách trong dày, hai tế bào bảo vệ cong ra phía ngoài, khe hở ở giữa mở rộng — khí khổng mở.

Khi cây thiếu nước — ví dụ vào một trưa hè khô hạn — rễ và lá tổng hợp abscisic acid (ABA), một hormone tín hiệu báo hiệu tình trạng thiếu nước. ABA làm ion K+ và các chất tan khác thoát ngược ra khỏi tế bào bảo vệ, thế nước trong tế bào tăng trở lại, nước theo thẩm thấu đi ra ngoài, tế bào bảo vệ mất trương nước và khép lại — khí khổng đóng. Đóng khí khổng làm giảm mất nước ngay lập tức, dù phải hi sinh tạm thời khả năng lấy carbon dioxide, tức là giảm quang hợp trong lúc đó. Đây chính là ý trung tâm của cả bài: khí khổng mở để lấy carbon dioxide phục vụ quang hợp, và đóng để tiết kiệm nước khi nguồn nước bị đe doạ — một sự đánh đổi liên tục, không phải một trục trặc.

Đây là đường cong minh hoạ xu hướng điển hình dưới điều kiện nắng nóng khô hạn giữa trưa (đóng bớt khí khổng để tiết kiệm nước), không phải số liệu đo đạc từ một thí nghiệm cụ thể — vào một ngày mát, ẩm, độ mở buổi trưa có thể không giảm rõ như vậy.

Bốn điều kiện đại diện cho các yếu tố chi phối thoát hơi nước: ánh sáng và độ ẩm ảnh hưởng tới độ mở khí khổng, độ ẩm không khí và gió ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán hơi nước ra ngoài.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng cụp lá giữa trưa nắng gắt

1
Giữa trưa một ngày hè khô nóng, một luống rau có lá cụp xuống dù đất vẫn đủ ẩm, rồi tươi trở lại vào buổi chiều mát. Hãy giải thích hiện tượng này.
2
Ta có nhiệt độ cao và không khí khô làm tốc độ thoát hơi nước qua khí khổng tăng rất nhanh, đôi khi vượt quá tốc độ rễ kịp hút nước bù vào.
3
Khi tốc độ mất nước vượt tốc độ hấp thụ, các tế bào lá tạm thời giảm sức trương nước, đồng thời ABA có thể tăng nhẹ khiến khí khổng khép bớt để hạn chế mất nước thêm.
4
Sức trương nước giảm ở các tế bào lá và cuống lá khiến lá tạm thời mất độ cứng, biểu hiện ra ngoài là cụp xuống hoặc rũ nhẹ — một phản ứng bảo vệ tạm thời, không phải tổn thương vĩnh viễn.
5
Vậy hiện tượng cụp lá giữa trưa là phản ứng tạm thời khi tốc độ thoát hơi nước vượt tốc độ hấp thụ nước, và tự phục hồi khi trời mát, thoát hơi nước giảm, rễ kịp bù đủ nước trở lại.

Ví dụ

Dự đoán tốc độ thoát hơi nước dưới bốn điều kiện (dạng đề kiểm tra)

1
Dự đoán tốc độ thoát hơi nước của một cây thay đổi thế nào trong mỗi trường hợp sau, so với điều kiện bình thường: (1) cường độ ánh sáng tăng; (2) độ ẩm không khí tăng cao; (3) có gió mạnh liên tục; (4) đất bắt đầu khô hạn.
2
Ánh sáng tăng kích thích khí khổng mở rộng hơn, làm thoát hơi nước tăng. Ngược lại, độ ẩm không khí tăng cao làm chênh lệch ẩm giữa lá và không khí giảm, thoát hơi nước giảm — hai yếu tố này tác động ngược chiều nhau.
3
Gió mạnh liên tục thổi bay lớp không khí ẩm sát bề mặt lá, duy trì chênh lệch ẩm lớn giữa lá và môi trường xung quanh, nên ban đầu làm thoát hơi nước tăng — nhưng nếu gió quá mạnh và kéo dài khiến cây mất nước nhanh, ABA có thể tăng làm khí khổng khép bớt để bảo vệ cây.
4
Đất khô hạn làm rễ khó hấp thụ đủ nước, ABA tăng lên, khí khổng khép bớt để hạn chế mất nước — thoát hơi nước giảm rõ rệt so với bình thường.
5
Vậy: (1) ánh sáng mạnh hơn — tăng; (2) độ ẩm không khí cao hơn — giảm; (3) gió vừa phải — tăng, nhưng gió rất mạnh kéo dài có thể khiến cây phản ứng bằng cách khép bớt khí khổng; (4) đất khô hạn — giảm, do ABA làm khí khổng đóng bớt để bảo vệ cây khỏi mất nước quá mức.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ khí khổng đóng lại nghĩa là cây 'ngừng hoạt động' hay đang gặp sự cố. Thực ra đóng khí khổng là một phản ứng bảo vệ chủ động, có kiểm soát thông qua ABA — cây đang đánh đổi, tạm ngừng lấy carbon dioxide để giữ lại nước, chứ không phải một lỗi hay một trạng thái bị động.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Thoát hơi nước vừa là động lực kéo nước, vừa làm mát lá, vừa mở đường cho carbon dioxide — nhưng luôn kèm nguy cơ mất nước. Khí khổng mở nhờ K+ vào tế bào bảo vệ kéo nước theo thẩm thấu; ABA làm khí khổng đóng khi cây thiếu nước — một sự đánh đổi liên tục giữa lấy carbon dioxide và giữ nước.

Nước đi qua cây, khoáng cũng đi cùng — nhưng khoáng đến từ đâu và dùng để làm gì bên trong cây? Bài sau sẽ tách riêng câu chuyện của các nguyên tố khoáng, và cách con người bổ sung chúng hợp lí qua việc bón phân.