Bài học

Khí trao đổi qua khí khổng: quang hợp và hô hấp diễn ra đồng thời

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao một lá cây có thể vừa lấy vừa thải khí carbon dioxide trong cùng một ngày, và xác định đúng chiều trao đổi khí qua khí khổng vào ban ngày so với ban đêm.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở bài Quang hợp, em đã biết lá cây có chất diệp lục hấp thụ ánh sáng, dùng khí carbon dioxide và nước để tạo ra chất hữu cơ và khí oxygen — nhưng quá trình này chỉ diễn ra khi có đủ ánh sáng (same-grade bridge). Ở bài Hô hấp tế bào, em đã biết mọi tế bào sống, kể cả tế bào lá cây, đều liên tục lấy khí oxygen và thải khí carbon dioxide để giải phóng năng lượng, bất kể ngày hay đêm (same-grade bridge). Bài học hôm nay ghép hai quá trình đó lại, ngay tại chính những lỗ khí khổng vừa học ở bài trước.

Khởi động

Nhiều người vẫn quen nói 'cây thải oxygen, con người và động vật thải carbon dioxide' như một quy luật tuyệt đối. Nhưng nếu đúng như vậy, vào ban đêm — khi không còn ánh sáng để quang hợp — lá cây có ngừng thải khí hoàn toàn hay không? Hay lúc đó, chính cây cũng đang thải ra một loại khí mà ta vẫn nghĩ chỉ động vật mới thải?

Kiến thức trọng tâm

Thực ra, mọi tế bào sống trong lá — kể cả tế bào chứa lục lạp — đều thực hiện hô hấp tế bào liên tục suốt ngày đêm, không lúc nào ngừng: lấy khí oxygen vào, thải khí carbon dioxide ra, để giải phóng năng lượng từ chất hữu cơ. Quang hợp thì khác hẳn: chỉ tế bào có lục lạp mới làm được, và chỉ khi có đủ ánh sáng, quá trình mới lấy khí carbon dioxide vào, thải khí oxygen ra. Nghĩa là vào ban ngày, một tế bào lá cây thực hiện đồng thời cả hai quá trình, với chiều trao đổi khí ngược nhau.

Ban ngày, cả hai quá trình cùng diễn ra trong một tế bào lá; ban đêm chỉ còn hô hấp tế bào hoạt động.

Vào ban ngày khi ánh sáng đủ mạnh, tốc độ quang hợp thường lớn hơn hẳn tốc độ hô hấp tế bào. Lượng khí oxygen quang hợp tạo ra nhiều hơn lượng oxygen hô hấp tiêu thụ, nên phần dư được thải ra ngoài qua khí khổng; tương tự, lượng khí carbon dioxide quang hợp cần nhiều hơn lượng carbon dioxide hô hấp thải ra, nên phần thiếu phải lấy thêm từ không khí bên ngoài. Kết quả quan sát được từ bên ngoài, vì vậy, là cây hấp thụ carbon dioxide và thải oxygen ròng — nhưng đó là kết quả cộng gộp của hai chiều trao đổi, không phải chỉ có một chiều duy nhất.

Vào ban đêm, quang hợp ngừng hẳn vì không còn ánh sáng, trong khi hô hấp tế bào vẫn tiếp diễn như mọi lúc. Lúc này, khí khổng chỉ còn phục vụ một chiều trao đổi duy nhất: lấy khí oxygen vào để nuôi hô hấp, thải khí carbon dioxide ra ngoài — đúng chiều mà ta vẫn quen gán riêng cho động vật. Vì vậy, câu nói 'cây chỉ thải oxygen' chỉ đúng vào ban ngày có đủ ánh sáng, và ngay cả lúc đó cũng chỉ đúng ở mức 'thải ròng', chứ không phải cây ngừng hô hấp hay ngừng lấy oxygen.

Chiều trao đổi khí quan sát được từ bên ngoài luôn là tổng hợp của quang hợp và hô hấp diễn ra đồng thời.

Ví dụ

Xác định chiều trao đổi khí ròng vào một thời điểm

1
Vào lúc 9 giờ sáng, trời có nắng nhẹ. Tại thời điểm này, lá cây có thải khí oxygen ròng ra ngoài hay không?
2
Có nắng nên quang hợp đang diễn ra, đồng thời hô hấp tế bào vẫn diễn ra liên tục như mọi lúc.
3
Nắng nhẹ buổi sáng sớm thường chưa đủ mạnh để quang hợp vượt xa hô hấp như giữa trưa, nhưng miễn là ánh sáng đã đủ để quang hợp nhanh hơn hô hấp, lượng oxygen tạo ra vẫn nhiều hơn lượng oxygen tiêu thụ.
4
Miễn là tốc độ quang hợp lớn hơn tốc độ hô hấp — dù ánh sáng chỉ ở mức nhẹ — phần oxygen dư vẫn được thải ra ngoài qua khí khổng.
5
Vậy lúc 9 giờ sáng có nắng nhẹ, lá cây vẫn thải oxygen ròng ra ngoài, miễn là quang hợp đã nhanh hơn hô hấp, chỉ là lượng thải ra ít hơn hẳn so với giữa trưa nắng gắt.

Ví dụ

Giải thích thí nghiệm chai kín có cây (dạng đề kiểm tra)

1
Một học sinh đặt một cành cây có lá vào trong chai thuỷ tinh kín, có gắn ống dẫn khí ra máy đo nồng độ carbon dioxide. Kết quả đo cho thấy: ban ngày có ánh sáng, nồng độ carbon dioxide trong chai giảm dần; ban đêm trong bóng tối, nồng độ carbon dioxide lại tăng dần. Giải thích cả hai kết quả.
2
Ban ngày có ánh sáng, quang hợp diễn ra và tiêu thụ khí carbon dioxide nhanh hơn hẳn tốc độ hô hấp tế bào thải ra loại khí này, nên tổng lượng carbon dioxide trong chai giảm dần theo thời gian.
3
Ban đêm không có ánh sáng, quang hợp ngừng hẳn, chỉ còn hô hấp tế bào hoạt động — quá trình này liên tục thải khí carbon dioxide ra ngoài mà không có quá trình nào tiêu thụ lại, nên nồng độ carbon dioxide trong chai tăng dần.
4
Hai chiều biến đổi trái ngược nhau (giảm ban ngày, tăng ban đêm) đúng khớp với việc quang hợp chỉ hoạt động khi có ánh sáng còn hô hấp tế bào hoạt động liên tục — không có mâu thuẫn nào trong kết quả đo.
5
Vậy nồng độ carbon dioxide trong chai giảm ban ngày vì quang hợp vượt trội hô hấp, và tăng ban đêm vì chỉ còn hô hấp tế bào hoạt động một mình — đúng thí nghiệm kinh điển chứng minh cây vừa quang hợp vừa hô hấp.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn phổ biến là nghĩ 'ban đêm cây ngừng hoạt động hoàn toàn'. Thực ra hô hấp tế bào không bao giờ ngừng ở bất kỳ tế bào sống nào, kể cả ban đêm — chỉ có quang hợp mới cần ánh sáng để hoạt động. Một nhầm lẫn khác là cho rằng khí khổng 'chỉ dẫn một loại khí' — thực ra cùng một khí khổng dẫn cả carbon dioxide lẫn oxygen, theo cả hai chiều, tuỳ thời điểm trong ngày.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Quang hợp chỉ diễn ra khi có ánh sáng, lấy carbon dioxide và thải oxygen. Hô hấp tế bào diễn ra liên tục cả ngày lẫn đêm, lấy oxygen và thải carbon dioxide. Ban ngày nắng đủ mạnh, quang hợp vượt hô hấp nên cây thải oxygen ròng; ban đêm chỉ còn hô hấp, cây thải carbon dioxide ròng.

Nhưng khí khổng không chỉ là cửa cho hai loại khí này. Cùng lúc carbon dioxide và oxygen đi qua, hơi nước cũng liên tục thoát ra theo cùng những lỗ khí đó — và đó chính là chủ đề của bài tiếp theo.