Các nhà nghiên cứu tính mức năng lượng cây dùng để đưa nước lên lá trên quy mô toàn cầu

Mỗi ngày, khoảng một nghìn triệu gallon nước được bơm một cách lặng lẽ từ đất lên ngọn cây. Sự sống của các loài thực vật trên trái đất được duy trì chỉ duy nhất với năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Chúng ta đều biết năng lượng này được dùng để đưa mọi loại chất lỏng lên cao nhưng cây cần bao nhiêu năng lượng vẫn còn là câu hỏi mở, cho đến tận năm nay.

Các nhà nghiên cứu ở UC Santa Barbara đã tính toán được mức năng lượng khổng lồ do cây sử dụng để chuyên chở nước thông qua các thớ gỗ của chúng từ đất lên lá. Họ tìm thấy là về trung bình, cần khoảng 14% năng lượng mà cây khai thác được qua quá trình quang hợp. Ở quy mô toàn cầu, nó tương đương với năng lượng được tạo ra ở tất cả các đập thủy điện của loài người.

Nghiên cứu của họ, xuất bản trên Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, là công bố đầu tiên ước tính được có bao nhiêu năng lượng được cây dùng để đưa nước lên vòm lá của mình, kể cả mức độ mỗi cây và toàn cầu ¹.

“Cây thường dùng nguồn năng lượng này để đưa nước từ dưới gốc lên trên ngọn qua các thớ gỗ của chúng. Chúng tôi định lượng xem là có bao nhiêu năng lượng được dùng theo cách  như vậy”, Gregory Quetin, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Địa lý và là tác giả thứ nhất của công bố, nói. Năng lượng này được tính thêm vào những gì cây tạo ra thông qua con đường quang hợp. “Đây là năng lượng khai thác được một cách thụ động từ môi trường, chỉ qua cấu trúc của cây”.

Quang hợp cần carbon dioxide, ánh sáng và nước. CO₂ thì sẵn có trong không khí còn hai thành phần kia lại ẩn chứa thách thức với cây: ánh nắng đến từ bên trên còn nước lại từ bên dưới. Vì vậy, cây cần mang nước lên nơi có sẵn ánh nắng.

Cây cối thực hiện điều này theo cách phức tạp hơn người ta nghĩ nhiều bằng  một hệ có mạch, trong đó có các ống gọi là mô mạch mang nước từ rễ lên lá, trong khi các ống khác gọi là mạch rây tạo ra nhiều đường trong lá để xuống phần còn lại của cây. “Sự tiến hóa của mô mạch trong các thực vật có mạch là một bước tiến cho phép chúng tồn tại”, Quetin nói.

Nhiều loại động vật cũng có hệ mạch. Chúng ta tiến hóa theo một chu trình tuần hoàn kín với một trái tim bơm máu qua các động mạch, tĩnh mạch và ven để phân phối ô xy và dưỡng chất quanh khắp cơ thể chúng ta. “Đây là một chức năng mà nhiều cơ quan cùng tham gia”, đồng tác giả Anna Trugman, một trợ lý giáo sư ở Khoa Địa lý, nói. “Chúng ta phải làm như vậy bởi chúng ta phải giữ cho trái tim của mình đập và có lẽ là quá trình chuyển hóa khiến chúng ta mất nhiều năng lượng”.

Cây cối có thể cũng có nhiều trái tim tiến hóa như vậy. Nhưng chúng không thể. Và nó cũng phải tự cứu chính mình khỏi mất nhiều năng lượng chuyển hóa.

Khác với động vật, các hệ tuần hoàn của thực vật mở và đóng thụ động. Ánh nắng làm nước bốc hơi, thoát khỏi các khí khổng trong lá. Điều này tạo ra một áp lực âm bơm nước từ dưới lên trên. Các nhà khoa học gọi quá trinh này là “sự bốc hơi nước”.

Về cơ bản, sự bốc hơi này đơn thuần là sự khai thác năng lượng từ mặt trời của cây cối nhưng diễn ra theo cách khác. Vấn đề là không giống như quang hợp, năng lượng này không phải xử lý trước khi đưa vào sử dụng. Các nhà khoa học hiểu rõ quá trình này nhưng không ai đủ khả năng ước tính mất bao nhiêu năng lượng “Tôi từng có lần thấy nó được đề cập đến một bài báo”, đồng tác giả Leander Anderegg nói, “và tôi nghĩ rằng ‘đó là một con số thực sự lớn. Nếu cây cối dành toàn bộ năng lượng cho việc chuyển hóa thì có thể nó sẽ không còn đủ sức cho những hoạt động khác”.

Nghiên cứu này được tiến hành trên sự tò mò thuần túy. “Khi Greg [Quetin] và tôi cùng là nghiên cứu sinh, chúng tôi đã đọc rất nhiều về sự bốc hơi của thực vật”, Anderegg kể lại, hiện anh là trợ lý giáo sư ở Khoa Sinh thái, Tiến hóa và Sinh học biển. “Có lúc Greg đặt câu hỏi ‘cây cần hoạt động như thế nào để đưa nước lên cao, đủ sức thắng được lực hút của trái đất?’”.

Tôi trả lời ‘tôi không biết, tôi ước là ai đó biết”. Và Greg nói, ‘Tôi chắc chắn là chúng tôi có thể tính toán được điều đó’”.

Nhưng phải một thập kỷ sau, họ mới quay trở lại được với vấn đề. Nhóm nghiên cứu kết hợp một cơ sở dữ liệu toàn cầu về độ dẫn của thực vật với các mô hình toán học về độ dẫn nhựa và ước tính cần bao nhiêu lực để cây trên thế giới bơm nước lên ngọn. Họ phát hiện ra là các khu rừng trên thế giới mất khoảng 9,4 petawatt mỗi năm. Điều đó tương đương với sản lượng thủy điện trên thế giới.

Khoảng 14,2% năng lượng mà cây cối có được từ quá trình quang hợp. Vì vậy đó là một phần năng lượng đáng kể mà cây cối được hưởng lợi mà không phải tham gia một quá trình hoạt động chủ động nào. Năng lượng cây cối có được một cách tự nhiên được truyền qua các loài động vật và nấm trong quá trình “hưởng thụ” cây cối, và theo cách đó, các loài động vật được hưởng lợi.

Thật đáng ngạc nhiên, các nhà nghiên cứu khám phá ra lực đánh thắng lực hút chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong toàn thể năng lượng cây cối dùng. Phần lớn năng lượng có được chỉ là để vượt qua được trở lực của chính thân cây.

Các phát hiện không có những ứng dụng trực tiếp nhưng chúng giúp chúng ta hiểu hơn về sự sống trên trái đất. “Sự thật là luồng năng lượng toàn cầu mà chúng ta chưa thể định lượng được này vô cùng lớn”, Quetin nói. “Nó giống như thể một khái niệm vô tình bị bỏ qua”.

Các mức năng lượng tham gia vào quá trình bốc hơi dường như bị lọt khỏi các thang đo mà các nhà khoa học khác nhau từng kiểm tra. Nó quá lớn với các nhà sinh lý học thực vật và quá nhỏ với các nhà khoa học nghiên cứu về các hệ thống trên trái đất, vì vậy nó bị lãng quên. Và chỉ trong vòng thập kỷ qua, các nhà khoa học mới thu thập được dữ liệu đủ lớn về việc sử dụng nước và sự kháng mô mạch để bắt đầu giải quyết vấn đề năng lượng của quá trình hóa hơi trên quy mô toàn cầu, các tác giả giải thích trong công bố.

Trong khoảng thời gian này, các nhà khoa học có thể xem xét lại vai trò của quá trình hóa hơi trong các hệ trên trái đất bằng việc sử dụng các quan sát và mô hình tính toán mới. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ, các dòng không khí, lượng mưa và giúp định hình sự đa dạng sinh học và sinh thái của một vùng. Lực đưa nhựa cây di chuyển chỉ là một phần nhỏ trong quá trình hóa hơi nhưng các tác giả nghi ngờ nó có thể đáng chú ý hơn người ta thưởng do mức năng lượng đáng kể tham gia vào.

Tất cả vẫn còn mới bắt đầu và nhóm nghiên cứu cho là còn nhiều việc để làm để làm cụ thể hơn ước tính của mình. Thực vật vô cùng khác nhau về cách tạo ra về độ dẫn dòng nước. Lấy ví dụ so sánh một cây bách xù sa mạc với cây bông vải sống ven sông, Anderegg nói “cây bách xù là cây có khả năng thích nghi với hạn hán vì có sức đề kháng rất cao, trong khi cây bông vải chỉ sống để bơm nước”.

Điều bất định này phản ánh trong ước tính của họ, rơi vào khoảng 7,4 đến 15,4 petawatt/giờ. Điều đó cho thấy, có thể cao tới 140 petawatt/giờ mỗi năm, dẫu Quetin thừa nhận là giới hạn trên dường như khó xảy ra. “Tôi nghĩ sự bất định này nhấn mạnh vào điểm là còn có quá nhiều điều chúng ta chưa biết về sức đề kháng của địa lý sinh học thực vật (và một mức độ mở rộng hơn của sự bốc hơi)”, anh nói. “Đây là động cơ tốt để tiếp tục nghiên cứu trong những lĩnh vực này”.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-09-soil-sky-quantify-amount-energy.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220907133205.htm

————————————————————–

1. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JG006922