Cây cao hàng chục mét đưa được nước lên ngọn chủ yếu nhờ kéo chứ không phải đẩy: nước bốc hơi qua lá tạo một lực hút, và vì các phân tử nước bám chặt vào nhau, lực hút ấy truyền xuống dọc những cột nước liền mạch trong mạch gỗ, kéo nước từ rễ đi lên. Cách giải thích này gọi là thuyết cố kết – căng, được đề xuất năm 1894. Mao dẫn và áp suất rễ có góp phần nhưng chỉ đủ cho vài mét, không đủ cho một cây cao 30, 50 hay hơn 100 mét.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Một cây sấu, cây xà cừ ven đường, một cây chò trong rừng Cúc Phương: cây cao như toà nhà mười tầng mà lá trên ngọn vẫn tươi giữa trưa hè. Mỗi ngày, một cây lớn có thể đưa hàng trăm lít nước từ đất lên trời. Bạn không thấy dòng nước ấy, nhưng thấy được hậu quả của nó: trưa nắng gắt, lá rau ngoài vườn rũ xuống vì nước bốc qua lá nhanh hơn rễ hút kịp; chiều mát lá lại vươn lên. Cành hoa cắm lọ mà để quá lâu ngoài nắng thì héo dù gốc vẫn ngâm nước, vì cột nước trong cuống đã bị đứt.
Câu hỏi có vẻ đơn giản nhưng đụng tới một giới hạn vật lý rất cứng: không một chiếc máy bơm hút nào hút nước lên được cao quá khoảng 10 mét.
Giới hạn 10 mét và vì sao "hút" kiểu ống hút không đủ
Khi ta hút nước bằng ống hút, thật ra ta làm giảm áp suất không khí trong ống, và chính áp suất khí quyển bên ngoài đè lên mặt cốc đẩy nước lên. Áp suất khí quyển chỉ nặng bằng một cột nước cao khoảng 10 mét. Dù rút sạch không khí trong ống, nước cũng không lên cao hơn được. Các thợ giếng thời xưa ở châu Âu đã gặp giới hạn này với bơm hút, và nó trở thành một câu đố kinh điển của vật lý thế kỷ 17.
Vậy mà cây gỗ đỏ ven biển California cao trên 110 mét vẫn đưa nước lên ngọn. Rõ ràng cây không "hút" kiểu ống hút. Nó dùng một cách khác: kéo nước như kéo một sợi dây.
Cơ chế cố kết – căng
Bước một: lá bay hơi
Mặt dưới lá có hàng nghìn lỗ khí nhỏ li ti, gọi là khí khổng, để cây lấy khí cacbonic quang hợp. Lỗ mở ra thì hơi nước cũng thoát ra. Bên trong lá, nước thấm trong thành tế bào, nằm trong những khe cực nhỏ, cỡ phần triệu milimet. Khi hơi nước bay đi, mặt nước trong các khe ấy cong lõm xuống, và sức căng bề mặt ở những mặt cong rất nhỏ này tạo ra lực kéo lớn. Phần lớn nước cây hút lên, thường được nêu khoảng 97% trở lên, cuối cùng bay ra không khí theo đường này; chỉ một phần nhỏ được dùng cho quang hợp và cấu tạo thân.
Bước hai: cột nước liền mạch không đứt
Từ lá xuống rễ, nước đi trong mạch gỗ (xylem): những ống rỗng nối nhau, làm từ xác tế bào đã chết, thành dày, có gỗ hoá. Nước trong đó tạo thành những cột liền mạch. Các phân tử nước bám chặt vào nhau bằng liên kết hiđrô, gọi là lực cố kết, và bám vào thành mạch, gọi là lực bám dính. Khi lá kéo nước đi, cả cột nước bị kéo lên theo như một sợi dây, chứ không đứt ra.
Bước ba: nước bị kéo căng
Đó là chỗ đặc biệt nhất. Nước trong mạch gỗ cây cao ở trạng thái bị kéo căng, áp suất của nó thấp hơn không, tức là âm. Với chất lỏng thông thường, áp suất âm rất dễ làm nó sôi bùng thành bọt. Nhưng nếu nước rất sạch, không có bọt khí làm mầm, và nằm trong ống hẹp, nó chịu được lực kéo đáng kể. Các phép đo trên cây cho thấy áp suất trong mạch gỗ có thể âm tới vài megapascal, tức lực kéo tương đương hàng chục lần áp suất khí quyển.
Ý tưởng này được hai nhà khoa học người Ireland Henry Dixon và John Joly đề xuất năm 1894. Lúc đầu nhiều người hoài nghi vì khó tin nước chịu được lực kéo. Hơn một thế kỷ sau, đây vẫn là lời giải được chấp nhận rộng rãi nhất, dù chi tiết về cách cây sửa chữa cột nước bị đứt vẫn còn được nghiên cứu.
Mao dẫn và áp suất rễ: có góp, nhưng không đủ
| Cơ chế | Nước lên được bao cao (khoảng) | Vai trò thật |
|---|---|---|
| Hút kiểu ống hút (áp suất khí quyển) | Tối đa khoảng 10 m | Không phải cách cây dùng |
| Mao dẫn trong mạch gỗ rộng vài chục micromet | Khoảng 1 m trở xuống | Nhỏ; giúp thấm ướt và giữ nước trong ống |
| Áp suất rễ (rễ đẩy nước lên) | Vài mét, chủ yếu ban đêm | Góp ở cây nhỏ, đêm ẩm; gây ứ giọt ở mép lá |
| Cố kết – căng (lá kéo) | Trên 100 m | Cơ chế chính ở cây cao |
Lấy mao dẫn làm ví dụ: trong một ống rộng 20 micromet, sức căng bề mặt của nước chỉ kéo được cột nước lên khoảng một mét rưỡi. Mạch gỗ của nhiều cây còn rộng hơn thế, nên mao dẫn kéo được thấp hơn nữa. Áp suất rễ thì có thật: buổi sáng sớm, ở mép lá lúa, lá khoai có những giọt nước trong vắt ứa ra (khác với sương), đó là nước bị rễ đẩy lên trong đêm. Nhưng cây gỗ lớn nhiều loài gần như không có áp suất rễ đáng kể vào ban ngày.
Cái giá của việc kéo nước
Bọt khí: kẻ thù của cột nước
Nước bị kéo căng thì luôn có nguy cơ một bọt khí len vào, cột nước đứt, mạch đó tắc. Hiện tượng này gọi là thuyên tắc khí. Hạn hán làm lực kéo tăng, nguy cơ đứt tăng theo. Bằng những micro rất nhạy áp vào thân cây, người ta nghe được tiếng lách tách siêu âm của các cột nước đứt trong cây đang khát. Cây chống lại bằng cách chia nhỏ hệ ống: các ống nối nhau qua những màng lỗ nhỏ, đủ cho nước qua nhưng chặn bọt khí lan sang.
Vì sao cây không cao mãi
Càng cao, lực kéo cần càng lớn, nước lên ngọn càng khó, lá trên cùng càng thiếu nước để mở khí khổng và quang hợp. Một nghiên cứu năm 2004 trên những cây gỗ đỏ cao nhất ước tính giới hạn chiều cao của cây vào khoảng 122–130 mét. Cây cao nhất được đo hiện nay, một cây gỗ đỏ ở California, cao khoảng 116 mét, khá sát giới hạn đó.
Vì sao cắm hoa phải cắt cuống trong nước
Cắt cành hoa ngoài không khí, không khí lọt ngay vào các mạch vừa bị cắt hở. Khi cắm vào lọ, những bọt khí ấy chặn đường nước, hoa héo nhanh. Người bán hoa thường cắt lại cuống ngay dưới nước, hoặc cắt chéo rồi cắm ngay, để giữ cột nước liền mạch.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Rễ bơm nước lên như tim bơm máu." Rễ không có bộ phận co bóp. Áp suất rễ chỉ đẩy được vài mét; động lực chính ở trên ngọn, nơi lá bay hơi.
- "Cây hút nước bằng mao dẫn." Mao dẫn chỉ kéo nước lên khoảng một mét hoặc ít hơn trong mạch gỗ thật. Nó không giải thích được cây cao.
- "Cây cần nhiều nước để lớn." Phần lớn nước cây hút lên bay đi qua lá, chỉ một phần nhỏ thành thân, lá. Nhưng bay hơi ấy không lãng phí: nó là động cơ kéo nước và chất khoáng lên, và làm mát lá.
- "Nước trong cây đứng yên." Ban ngày, nước trong thân cây lớn chảy liên tục, có lúc đi được hàng mét mỗi giờ.
Tự quan sát / tự thử an toàn
- Cành cần tây nhuộm màu. Cắm một nhánh cần tây hoặc một bông cúc trắng (cắt lại cuống dưới nước) vào cốc nước pha màu thực phẩm đỏ hoặc xanh. Sau vài giờ, cắt ngang cuống: các chấm màu chính là mạch gỗ. Cánh hoa trắng sẽ nhuốm màu từ mép.
- Bắt lá "đổ mồ hôi". Trùm một túi nilon trong suốt lên một cành lá ngoài nắng, buộc nhẹ ở cuống (không trùm cả cây, không buộc chặt cho cành gãy). Sau một hai giờ, trong túi đọng hơi nước. Đó là nước cây vừa đưa lên.
- So cắt trong nước và ngoài không khí. Lấy hai cành hoa giống nhau. Một cành cắt cuống trong chậu nước rồi cắm ngay; cành kia cắt ngoài không khí, để vài phút rồi mới cắm. Theo dõi cành nào héo trước.
- Quan sát lá rũ trưa hè. Chọn một khóm rau lá to như mướp, bí. Chụp ảnh lúc 8 giờ sáng, 12 giờ trưa và 5 giờ chiều ở cùng một góc. So độ rũ của lá.
Dùng màu thực phẩm, không dùng mực hay thuốc nhuộm vải. Không trèo cây cao để xem lá trên ngọn.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cây cao hút được nước lên ngọn?
Nhờ cơ chế cố kết – căng: nước bay hơi qua lá tạo lực kéo, và vì phân tử nước bám chặt vào nhau, lực kéo truyền xuống dọc cột nước liền mạch trong mạch gỗ tới tận rễ. Mao dẫn và áp suất rễ chỉ góp phần nhỏ.
Thuyết cố kết – căng do ai đề xuất?
Hai nhà khoa học người Ireland Henry Dixon và John Joly đề xuất năm 1894. Đến nay đây vẫn là lời giải được chấp nhận rộng rãi nhất cho việc vận chuyển nước ở cây cao.
Mao dẫn có đưa nước lên ngọn cây được không?
Không đủ. Trong mạch gỗ rộng vài chục micromet, mao dẫn chỉ kéo nước lên khoảng một mét trở xuống, trong khi cây có thể cao hơn 100 mét.
Vì sao lá rau rũ xuống vào buổi trưa?
Trưa nắng, nước bốc qua lá nhanh hơn rễ kịp hút lên, tế bào lá mất nước và mềm đi. Chiều mát, bay hơi giảm, lá lấy lại nước và vươn lên.
Cây có thể cao tối đa bao nhiêu?
Một nghiên cứu năm 2004 trên cây gỗ đỏ ước tính giới hạn khoảng 122–130 mét, do lá trên ngọn ngày càng khó nhận đủ nước. Cây cao nhất được đo hiện nay cao khoảng 116 mét.