Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Chu trình sinh địa hoá và sinh quyển
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được các bước chính của chu trình carbon và chu trình nitrogen, chỉ ra đúng điểm con người can thiệp vào mỗi chu trình, và nêu được khái niệm sinh quyển cùng một số khu sinh học chính.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở Sinh học 10, em đã học quang hợp cố định CO2 thành chất hữu cơ, còn hô hấp tế bào giải phóng CO2 trở lại (prior-grade review). Bài trước vừa xác lập năng lượng CHỈ truyền một chiều rồi mất dần dưới dạng nhiệt (same-grade bridge) — bài này đối lập với vật chất, thứ không mất đi mà được tái sử dụng theo vòng.
Khởi động
Một nguyên tử carbon trong tách cà phê sáng nay em uống, trước khi nằm trong hạt cà phê đó, có thể đã từng là một phần của khí quyển hàng triệu năm trước, rồi nằm trong cơ thể một sinh vật cổ đại, rồi bị chôn vùi hàng trăm triệu năm dưới dạng than đá. Vật chất có thể đi vòng qua những chặng đường dài như vậy — trong khi năng lượng thì không. Vì sao lại có sự khác biệt này?
Kiến thức trọng tâm
Khác với năng lượng chỉ truyền một chiều rồi mất dần dưới dạng nhiệt, vật chất trong hệ sinh thái được sử dụng đi sử dụng lại theo những vòng khép kín gọi là chu trình sinh địa hoá — nguyên tố đi qua sinh vật, môi trường vô sinh, rồi quay trở lại sinh vật, lặp lại gần như vô hạn. Ba chu trình quan trọng nhất với sự sống là chu trình carbon, chu trình nitrogen và chu trình nước.
Carbon trong khí quyển tồn tại chủ yếu dưới dạng khí CO2. Sinh vật sản xuất quang hợp, cố định CO2 thành hợp chất hữu cơ trong cơ thể; hợp chất đó truyền qua chuỗi thức ăn tới các bậc dinh dưỡng tiếp theo. Ở mọi bậc, hô hấp tế bào giải phóng một phần carbon trở lại khí quyển dưới dạng CO2. Phần không được hô hấp giải phóng — xác sinh vật chưa kịp phân giải hết — có thể bị chôn vùi qua hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ cao, hình thành nhiên liệu hoá thạch: than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên. Con người khai thác và đốt các nhiên liệu này để lấy năng lượng, giải phóng lượng CO2 đã bị khoá hàng triệu năm trở lại khí quyển chỉ trong vài thế kỷ — nhanh hơn rất nhiều lần tốc độ chôn vùi tự nhiên.
Con đường nhiên liệu hoá thạch là điểm khác biệt lớn nhất giữa chu trình carbon tự nhiên và chu trình carbon có con người can thiệp.
Nitrogen chiếm khoảng 78% khí quyển dưới dạng khí N2, nhưng hầu hết sinh vật không hấp thụ trực tiếp được dạng khí trơ này. Một số vi khuẩn cố định đạm — sống tự do trong đất hoặc cộng sinh ở rễ cây họ Đậu — chuyển N2 thành NH3/NH4+ mà thực vật hấp thụ được (sấm sét cũng cố định một lượng nhỏ). Vi khuẩn nitrat hoá tiếp tục oxy hoá NH4+ thành NO2- rồi NO3-, dạng đạm thực vật hấp thụ dễ nhất — đây là một bước riêng, khác hẳn bước cố định đạm phía trên dù cả hai đều do vi khuẩn thực hiện. Thực vật đồng hoá NO3-/NH4+ thành protein trong cơ thể, truyền qua chuỗi thức ăn. Khi sinh vật chết hoặc thải chất bài tiết, vi khuẩn amon hoá phân giải chất hữu cơ chứa nitrogen trở lại thành NH4+. Cuối cùng, vi khuẩn phản nitrat hoá chuyển một phần NO3- trong đất trở lại thành khí N2, trả về khí quyển, khép kín vòng.
Cố định đạm và nitrat hoá là hai bước riêng biệt, dễ bị học sinh gộp nhầm thành một.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến nhất ở chu trình nitrogen là gộp chung cố định đạm (N2 → NH3, do vi khuẩn cố định đạm) với nitrat hoá (NH4+ → NO3-, do vi khuẩn nitrat hoá) thành một bước duy nhất, kiểu "vi khuẩn biến N2 thành đạm cây hấp thụ được". Đây là hai phản ứng khác nhau, do hai nhóm vi khuẩn khác nhau thực hiện, nối tiếp nhau chứ không phải một bước gộp: cố định đạm tạo ra NH3/NH4+ trước, sau đó nitrat hoá mới oxy hoá tiếp thành NO3-.
Con người can thiệp vào cả hai chu trình. Vào chu trình carbon: đốt nhiên liệu hoá thạch bơm thêm CO2, còn phá rừng làm giảm diện tích quang hợp hấp thụ CO2 — hai tác động cộng dồn theo cùng một chiều. Vào chu trình nitrogen: bón phân đạm hoá học dư thừa cho cây trồng khiến lượng lớn NO3- không được cây hấp thụ hết, trôi theo nước mưa vào sông ngòi, ao hồ, gây phú dưỡng — tảo nở hoa bất thường vì thừa dinh dưỡng.
Sinh quyển là toàn bộ các hệ sinh thái trên Trái Đất — nơi có sự sống tồn tại, trải khắp phần thấp của khí quyển, toàn bộ thuỷ quyển và phần nông của thạch quyển. Trong sinh quyển, các hệ sinh thái được nhóm thành những khu sinh học lớn theo khí hậu và thảm thực vật đặc trưng: rừng mưa nhiệt đới, rừng lá kim, đồng cỏ, hoang mạc, đài nguyên. Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với rừng nhiệt đới gió mùa chiếm phần lớn diện tích đất liền và rừng ngập mặn là khu sinh học đặc trưng dọc bờ biển.
Cùng là ô nhiễm từ nông nghiệp hay công nghiệp, mỗi hoạt động lại can thiệp vào một chu trình vật chất khác nhau.
Ví dụ
Theo dấu một nguyên tử carbon qua trọn vẹn chu trình
1
Mô tả đường đi của một nguyên tử carbon từ khí quyển, qua một chuỗi thức ăn, tới khi bị chôn vùi thành nhiên liệu hoá thạch và cuối cùng quay lại khí quyển do con người đốt nhiên liệu đó.
2
Nguyên tử carbon tồn tại trong một phân tử CO2 giữa khí quyển.
3
Một cây quang hợp, cố định phân tử CO2 đó thành hợp chất hữu cơ trong lá cây.
4
Cây chết, một phần xác cây không phân giải hết bị vùi trong bùn yếm khí; qua hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ cao, phần vật chất chứa carbon đó biến đổi thành than đá.
5
Hàng triệu năm sau, con người khai thác lớp than đá đó, đốt để lấy năng lượng; nguyên tử carbon kết hợp với oxygen tạo lại phân tử CO2, giải phóng trở lại khí quyển.
6
Vậy nguyên tử carbon đã đi trọn một vòng: khí quyển → sinh vật sản xuất → chôn vùi thành nhiên liệu hoá thạch → đốt cháy → trở lại khí quyển — chỉ khác là chặng chôn vùi mất hàng triệu năm còn chặng đốt cháy chỉ mất vài giây, minh hoạ vì sao con người đang giải phóng carbon nhanh hơn rất nhiều lần tốc độ Trái Đất từng chôn vùi nó.
Ví dụ
Hai can thiệp cộng dồn vào chu trình carbon (dạng đề thi)
1
Một nhà máy nhiệt điện đốt than tăng gấp đôi công suất trong mười năm, đồng thời diện tích rừng trong khu vực giảm 30% do khai thác gỗ. Giải thích vì sao hai thay đổi này cộng dồn làm nồng độ CO2 khí quyển tại khu vực tăng nhanh hơn so với khi chỉ xảy ra một trong hai.
2
Đốt than tăng gấp đôi công suất nghĩa là lượng CO2 được bơm thêm vào khí quyển mỗi năm cũng tăng theo — nguồn phát thải carbon lớn hơn trước.
3
Rừng là nơi quang hợp hấp thụ CO2 quy mô lớn; giảm 30% diện tích rừng nghĩa là khả năng hấp thụ lại CO2 của khu vực cũng giảm 30% — bể chứa carbon tự nhiên bị thu hẹp đúng lúc nguồn phát thải đang tăng.
4
Một bên bơm thêm CO2 vào khí quyển, một bên làm giảm khả năng lấy CO2 ra khỏi khí quyển — hai tác động cùng đẩy nồng độ CO2 theo một chiều duy nhất, nên tổng hợp lại nồng độ CO2 tăng nhanh hơn nhiều so với khi chỉ có một thay đổi xảy ra riêng lẻ.
5
Vậy nồng độ CO2 khí quyển tại khu vực tăng nhanh hơn vì hai nguyên nhân tác động cùng chiều và cùng lúc: tăng nguồn phát thải (đốt than) và giảm bể hấp thụ (mất rừng) — đúng bản chất một hệ thống có cả nguồn vào tăng lẫn đường thoát ra bị thu hẹp.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Tóm tắt
Vật chất — không giống năng lượng — được tái sử dụng theo những vòng khép kín gọi là chu trình sinh địa hoá. Chu trình carbon gồm quang hợp, hô hấp, chôn vùi và đốt nhiên liệu hoá thạch; chu trình nitrogen gồm cố định đạm, nitrat hoá, đồng hoá, amon hoá, phản nitrat hoá. Con người can thiệp vào cả hai theo những cách khác nhau, và sinh quyển là toàn bộ không gian nơi các chu trình này diễn ra.
Bài sau xem điều gì xảy ra khi cả chu trình carbon lẫn khí hậu bị con người làm mất cân bằng nhanh hơn khả năng tự điều chỉnh của Trái Đất — và Việt Nam đang chịu ảnh hưởng cụ thể ra sao.
Một nguyên tử carbon trong tách cà phê sáng nay em uống, trước khi nằm trong hạt cà phê đó, có thể đã từng là một phần của khí quyển hàng triệu năm trước, rồi nằm trong cơ thể một sinh vật cổ đại, rồi bị chôn vùi hàng trăm triệu năm dưới dạng than đá. Vật chất có thể đi vòng qua những chặng đường dài như vậy — trong khi năng lượng thì không. Vì sao lại có sự khác biệt này?
Khác với năng lượng chỉ truyền một chiều rồi mất dần dưới dạng nhiệt, vật chất trong hệ sinh thái được sử dụng đi sử dụng lại theo những vòng khép kín gọi là chu trình sinh địa hoá — nguyên tố đi qua sinh vật, môi trường vô sinh, rồi quay trở lại sinh vật, lặp lại gần như vô hạn. Ba chu trình quan trọng nhất với sự sống là chu trình carbon, chu trình nitrogen và chu trình nước.
Carbon trong khí quyển tồn tại chủ yếu dưới dạng khí CO2. Sinh vật sản xuất quang hợp, cố định CO2 thành hợp chất hữu cơ trong cơ thể; hợp chất đó truyền qua chuỗi thức ăn tới các bậc dinh dưỡng tiếp theo. Ở mọi bậc, hô hấp tế bào giải phóng một phần carbon trở lại khí quyển dưới dạng CO2. Phần không được hô hấp giải phóng — xác sinh vật chưa kịp phân giải hết — có thể bị chôn vùi qua hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ cao, hình thành nhiên liệu hoá thạch: than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên. Con người khai thác và đốt các nhiên liệu này để lấy năng lượng, giải phóng lượng CO2 đã bị khoá hàng triệu năm trở lại khí quyển chỉ trong vài thế kỷ — nhanh hơn rất nhiều lần tốc độ chôn vùi tự nhiên.
Nitrogen chiếm khoảng 78% khí quyển dưới dạng khí N2, nhưng hầu hết sinh vật không hấp thụ trực tiếp được dạng khí trơ này. Một số vi khuẩn cố định đạm — sống tự do trong đất hoặc cộng sinh ở rễ cây họ Đậu — chuyển N2 thành NH3/NH4+ mà thực vật hấp thụ được (sấm sét cũng cố định một lượng nhỏ). Vi khuẩn nitrat hoá tiếp tục oxy hoá NH4+ thành NO2- rồi NO3-, dạng đạm thực vật hấp thụ dễ nhất — đây là một bước riêng, khác hẳn bước cố định đạm phía trên dù cả hai đều do vi khuẩn thực hiện. Thực vật đồng hoá NO3-/NH4+ thành protein trong cơ thể, truyền qua chuỗi thức ăn. Khi sinh vật chết hoặc thải chất bài tiết, vi khuẩn amon hoá phân giải chất hữu cơ chứa nitrogen trở lại thành NH4+. Cuối cùng, vi khuẩn phản nitrat hoá chuyển một phần NO3- trong đất trở lại thành khí N2, trả về khí quyển, khép kín vòng.
Nhầm lẫn phổ biến nhất ở chu trình nitrogen là gộp chung cố định đạm (N2 → NH3, do vi khuẩn cố định đạm) với nitrat hoá (NH4+ → NO3-, do vi khuẩn nitrat hoá) thành một bước duy nhất, kiểu "vi khuẩn biến N2 thành đạm cây hấp thụ được". Đây là hai phản ứng khác nhau, do hai nhóm vi khuẩn khác nhau thực hiện, nối tiếp nhau chứ không phải một bước gộp: cố định đạm tạo ra NH3/NH4+ trước, sau đó nitrat hoá mới oxy hoá tiếp thành NO3-.
Con người can thiệp vào cả hai chu trình. Vào chu trình carbon: đốt nhiên liệu hoá thạch bơm thêm CO2, còn phá rừng làm giảm diện tích quang hợp hấp thụ CO2 — hai tác động cộng dồn theo cùng một chiều. Vào chu trình nitrogen: bón phân đạm hoá học dư thừa cho cây trồng khiến lượng lớn NO3- không được cây hấp thụ hết, trôi theo nước mưa vào sông ngòi, ao hồ, gây phú dưỡng — tảo nở hoa bất thường vì thừa dinh dưỡng.
Sinh quyển là toàn bộ các hệ sinh thái trên Trái Đất — nơi có sự sống tồn tại, trải khắp phần thấp của khí quyển, toàn bộ thuỷ quyển và phần nông của thạch quyển. Trong sinh quyển, các hệ sinh thái được nhóm thành những khu sinh học lớn theo khí hậu và thảm thực vật đặc trưng: rừng mưa nhiệt đới, rừng lá kim, đồng cỏ, hoang mạc, đài nguyên. Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với rừng nhiệt đới gió mùa chiếm phần lớn diện tích đất liền và rừng ngập mặn là khu sinh học đặc trưng dọc bờ biển.
Vật chất — không giống năng lượng — được tái sử dụng theo những vòng khép kín gọi là chu trình sinh địa hoá. Chu trình carbon gồm quang hợp, hô hấp, chôn vùi và đốt nhiên liệu hoá thạch; chu trình nitrogen gồm cố định đạm, nitrat hoá, đồng hoá, amon hoá, phản nitrat hoá. Con người can thiệp vào cả hai theo những cách khác nhau, và sinh quyển là toàn bộ không gian nơi các chu trình này diễn ra.