Quang hợp – hệ thống tổng hợp năng lượng mặt trời tự nhiên – Hội Thánh của Đức Chúa Trời Hiệp Hội Truyền Giáo Tin Lành Thế Giới

Mặt trời sản sinh ra lượng năng lượng khổng lồ rồi tỏa phần lớn năng lượng đó vào không gian vũ trụ dưới dạng ánh sáng. Chỉ có 2,2 phần tỷ lượng ánh sáng mặt trời tiếp xúc với trái đất khi nó tỏa ra mọi hướng. 30% của phần năng lượng đó trở lại không gian, và chỉ 70% được hấp thụ vào trái đất. Dù vậy, tổng lượng năng lượng mà con người sử dụng trong một năm tương đương với lượng năng lượng mặt trời đi vào trái đất chỉ trong một giờ.

Mọi sinh vật đều cần năng lượng để sinh tồn. Tuy nhiên, năng lượng ánh sáng không thể sử dụng trực tiếp được. Nguồn năng lượng này phải được biến đổi sang dạng chất hữu cơ. Tuy nhiên, ngoại trừ một số vi sinh vật, trên trái đất, chỉ thực vật mới có thể tích trữ năng lượng ánh sáng bên trong các chất hữu cơ. Tất cả các loài động vật, bao gồm cả con người, đều lấy năng lượng bằng cách ăn thực vật hoặc các loài động vật ăn thực vật. Nói cách khác, mặt trời là nguồn năng lượng cần thiết cho các sinh vật sống. Các chất hữu cơ được sản sinh ra thông qua quang hợp chính là toàn bộ năng lượng cần thiết cho các sinh vật sống. Vì vậy, quá trình quang hợp diễn ra bên trong lục lạp, có đường kính nhỏ hơn 10 micromet, là hoạt động kỳ diệu và quan trọng nhất trong tất cả mọi hiện tượng thiết yếu trên trái đất.

Quang hợp là quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện bằng cách sử dụng và lưu trữ nước trong một chất hữu cơ dưới dạng năng lượng hóa học. Quá trình quang hợp vô cùng phức tạp và tinh xảo này là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm, và đã có ba người đạt giải Nobel hóa học về quá trình quang hợp. Mặc dù lịch sử nghiên cứu về quang hợp đã kéo dài gần 400 năm, song chúng ta vẫn chưa thể hiểu trọn vẹn về quá trình này. Trong số rất nhiều sự thật về quang hợp, quá trình năng lượng ánh sáng chuyển hóa thành năng lượng điện trong chất diệp lục vẫn chứa đựng rất nhiều bí ẩn.

Ánh sáng mặt trời khi chiếu đến lục lạp (một tập hợp các chất diệp lục) sẽ cung cấp năng lượng cho các electron (hạt nguyên tử) bên trong, rồi các electron được cung cấp năng lượng sẽ di chuyển giữa các chất diệp lục. Đây là cách mà năng lượng ánh sáng chuyển hóa thành năng lượng điện, tức là sự chuyển động của các electron. Năng lượng điện thu được trong chất diệp lục trung tâm được tích trữ trong các chất hóa học, rồi sử dụng carbon dioxide để tổng hợp glucose (một chất hữu cơ).

Thực vật dường như không chuyển động trong mắt chúng ta. Tuy nhiên trên thực tế, chúng luôn bận rộn di chuyển để tìm kiếm ánh sáng, nguyên liệu để quang hợp, và lấy carbon dioxide và nước. Hoa súng nước Victoria – loài thực vật thủy sinh Nam Mỹ lớn nhất thế giới – vươn lá hướng về phía ánh sáng từ thân cây nằm bên dưới nước. Khi những chiếc lá khổng lồ nổi lên trên mặt nước, chúng sẽ nhanh chóng bung ra theo hình tròn. Những chiếc lá này không chỉ hấp thụ ánh sáng mà thông qua các lỗ trên bề mặt lá, chúng còn tiếp nhận khí hơi như carbon dioxide – một chất cần thiết cho quá trình quang hợp. Vì các hơi nước không thể đi vào lá nếu chúng ở dưới nước nên loài cây này thường mọc lá trồi lên mặt nước. Lá hoa súng Victoria có thể lớn thêm 30㎝ mỗi ngày. Khi bung ra hết cỡ, đường kính lá có thể đạt đến hơn 2 mét. Giống như quả bóng nước càng lớn hơn khi chứa nhiều nước, những chiếc lá xòe rộng ra khi các tế bào của từng mỗi chiếc lá hấp thụ nước và phồng lên. Những chiếc lá của hoa súng nước Victoria trông như thể những miếng đệm lớn nổi trên mặt nước và chắc khỏe đến mức có thể chịu được trọng lượng của một người nặng 45㎏.

Bí mật nằm ở mặt sau của những chiếc lá. Nếu lật mặt sau của lá hoa súng nước Victoria, bạn có thể thấy các đường gân rộng chừng vài centimét, trải ra mọi hướng từ một điểm nhỏ ở trung tâm giống như hình nan xe vậy. Ngoài ra, chúng cũng có các đường gân trông giống như những tấm ván mỏng có hình tròn đồng tâm để giữ không khí ở giữa và tạo sức nổi. Bên trong các đường gân dày có cấu trúc tương tự như cấu tạo của miếng bọt biển, nhờ đó chúng có thể dễ dàng nổi trên mặt nước như một ống cao su.

Hoa súng nước Victoria

Giống như các loài cây sống dưới nước vươn lá lên trên mặt nước để quang hợp thì các loài cây sống trên cạn mọc vươn về phía có ánh sáng. Cây gỗ đỏ (Redwood) là loài cây cao nhất thế giới. Loài cây này phát triển với tốc độ đáng ngạc nhiên lên đến 1,8 mét mỗi năm. Cây cao nhất là 115,3 mét.

Quá trình quang hợp cũng cần nước như cần ánh sáng. Nước luôn chảy từ trên cao xuống thấp. Song thực vật lại phát triển theo hướng ngược lại. Những cái cây khổng lồ khiến chúng ta trông giống người tí hon, giờ đang vận chuyển nước lên đến ngọn cây cao như thế bằng cách nào vậy?

Các tế bào lông của rễ cây là những màng bán thấm, chỉ cho phép các dung môi như nước chảy qua, nhưng lại không tiếp nhận các dung dịch lớn. Vì vậy, nước di chuyển về phía rễ có nồng độ tương đối cao hơn đất. Quá trình này được gọi là thẩm thấu. Vậy nên khi muối cải thảo làm kim chi, nước bên trong cải thảo có nồng độ thấp sẽ chảy ra.

Hoạt động mao dẫn diễn ra giúp nước dâng từ các rễ cây lên cao. Khi thử đặt một ống thủy tinh mỏng vào bát nước thì bạn có thể thấy nước trong ống thủy tinh dâng lên cao hơn. Thực vật cũng có các ống dẫn nước bắt đầu từ rễ và đi qua thân đến lá cây. Những ống dẫn này mong manh đến mức không thể thấy bằng mắt thường. Tương tự như nước được đẩy lên trong ống thủy tinh, đây chính là cách chúng đã dùng lực để dâng nước lên cao.

Trong khi rễ và thân cây đẩy nước, lá sẽ kéo nước lên. Các phân tử nước được tạo thành từ oxy tích điện âm và hydro tích điện dương hút nhau như nam châm và hoạt động thành một chuỗi. Do đó, khi nước bốc hơi qua khí khổng của lá, các phân tử nước liên kết với thân dưới bị hút lên trên. Sức mạnh của rễ, thân và lá làm việc một cách phức tạp để nước có thể dễ dàng được đưa lên đến các bộ phận trên cao của cây.

Bấy lâu nay, con người đã tận dụng nguồn năng lượng mặt trời khổng lồ đang đổ xuống một cách miễn phí. Pin mặt trời, ban đầu được phát triển để sử dụng trong không gian vũ trụ, nay đã được thương mại hóa nên chúng ta có thể nhìn thấy chúng trên mái của một số ngôi nhà. Ở nhiều nước, năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch thay thế cho nhiên liệu hóa thạch và các ngành liên quan đến nguồn năng lượng này cũng đang ngày càng phát triển.

Pin mặt trời do con người sản xuất có lịch sử khá lâu đời là 130 năm, song vẫn còn nhược điểm là tốn nhiều diện tích và hiệu suất chỉ đạt 8-15%. Để bù đắp những hạn chế này, các nhà khoa học đã hướng tầm mắt đến thực vật. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện trong lục lạp lên đến 95%. Thông qua quá trình quang hợp, thực vật có thể sản xuất điện cho một ngôi nhà sử dụng trong một ngày chỉ với ánh sáng mặt trời và hai chai nước 1,5 lít. Các nhà khoa học đang phát triển các loại pin mặt trời hiệu quả hơn bằng cách bắt chước hệ thống quang hợp của thực vật.

Thực vật không di chuyển dù chỉ một bước, nhưng chúng nhận đủ năng lượng từ chiến lược cao cấp được gọi là quang hợp. Mọi sinh vật trên trái đất đều nhận được năng lượng từ ánh sáng mặt trời chiếu tới trái đất thông qua các loài thực vật chứa đựng những bí ẩn màu xanh. Bên trong những chiếc lá xanh rì lấp lánh dưới ánh nắng, chúng ta có thể cảm nhận được hơi thở êm đềm mà lại năng động của sự sống. Ngay cả khi nhìn vào một chiếc lá, chúng ta cũng có thể phát hiện ra sự quan phòng lớn lao của sự sống ẩn trong đó.

Tham khảo

엥겔만이 들려주는 광합성 이야기 (Câu chuyện về sự quang hợp được kể bởi Engelmann), Lee Heung Wu, Jaeumgwa Moeum, 2010

살아 있는 과학 교과서 (Sách giáo khoa Khoa học Sống), Hong Jun Eui và ba tác giả khác, Humanist, 2011

경이로운 식물들-알려지지 않은 식물의 세계 (Những loài thực vật kỳ diệu – Thế giới thực vật chưa được biết đến), Ban biên tập Newton, tháng 10/2013

‘‘인공 잎’에 주목하는 태양의 아이들’ (Con cái của mặt trời chú ý đến những chiếc lá nhân tạo), Lee Seong Gyu, Science Times ngày 24/01/2014