Lá cây là những chiếc ô, không phải là để bảo vệ chống lại ánh nắng mà là thu nhận ánh nắng.
Một lá cây điển hình có cấu trúc gồm 4 lớp tế bào. A là lớp tế bào biểu bì trên, mỏng, trong suốt như lớp nhựa, B là lớp tế bào nhu mô giậu, trong đó các hạt lục lạp chứa diệp lục, sử dụng nước và CO2 để tạo nên tinh bột bằng quá trình quang hợp, C là những tế bào nuôi dưỡng và dự trữ, D là tế bào biểu bì dưới. Giữa các tế bào đó là các lỗ hay khí khổng. Lá cây ở mặt dưới có các lỗ hổng như vậy dễ dàng hấp phụ khí CO2 vì khí CO2 là một khí nặng nằm trên mặt đất.
Qua các lỗ hổng đó hơi nước có thể thoát ra, mỗi khi có gió hay khí nóng hơi nước thoát nhanh và tạo ra dưới tán cây một không khí yên tĩnh, ẩm và mát. Các khí khổng không phải là một lỗ đơn giản, nó như những chiếc van. Chúng đóng mở tùy theo nhu cầu của cây. Ở những vùng khô hạn, các khí khổng ẩn sâu vào bên trong thành các phòng kín được che phủ bằng lớp lông mịn, tiết ra các chất chứa muối. Các phòng ẩn này yên tĩnh. Nó bão hòa hơi nước và lớp nước này ít chuyển động, bảo vệ cho lá chống lại sự mất hơi nước ở lá.
Về phương diện kĩ thuật, lá cây cử động tự do như một kiệt tác của tự nhiên. Đó là một bản mỏng màu xanh, lắc lư trong không khí như các tờ giấy chứa đầy nước, chiếm tới 90% trọng lượng lá. Nó không rũ xuống như chiếc khăn mùi xoa ướt mà luôn giữ vị thế nằm ngang hoặc dựng đứng.
Nó không được giữ dưới các cột như mái của một rạp xiếc, nhưng nó có cái sườn nâng đỡ là các mạch gỗ, như là các mạch máu li ti, khắp mặt lá. Nó đung đưa trong gió mà không kêu răng rắc, nó nằm ngang trong không gian, tiếp nhận ánh nắng Mặt Trời trong 12 giờ ban ngày và luôn tươi, không bị gãy nát mặc dù gió giằng kéo mà không rơi rụng.
Có thể trời mưa dài ngày, thậm chí một vài tuần, nhưng không một gam đường nào bị rửa trôi ra ngoài trong trăm ngàn chiếc lá. Các mạch vẫn chứa đầy tràn chất lỏng chứa chất dinh dưỡng. Không một tinh thể vật chất nào hòa tan bị hao tổn.
Quan sát các lá có diện tích lớn, trải rộng, nằm ngang và tự do trong không khí; các lá không che khuất nhau, ánh sáng có thể lọt tới mọi tầng lớp lá, lá không bị khô héo và liên tục hoạt động, không mệt mỏi. Chúng tạo thành dạng xoắn hay thành thể khảm của bộ lá.
Trên vườn, các lá bí ngô to và phân bố đều khắp mặt vườn; dáng “bàn tay với các ngón tay” cách đều nhau của lá cây hạt dẻ luôn xanh tươi, không một ngón nào bị khô héo.
Ở các nước vùng nhiệt đới, lá cây chuối cao như người đứng sừng sững, lá trải rộng như các tấm bản đồ. Sau khi thoát ra khỏi vỏ bọc của “thân” đung đưa trong không gian với tất cả chiều dài của nó.
Ta có thể hình dung là thiên nhiên đã nắm được, hiểu được các giới hạn kì diệu của nó: lá chuối có đặc tính là ít khi nguyên vẹn, gió đã làm rách hầu như hoàn toàn khi lá trưởng thành và già.
Với tính chất là “động cơ Mặt Trời”, lá cây luôn tìm và hấp thụ ánh sáng để thực hiện quá trình tạo tinh bột trong quang hợp. Khi lá bị che khuất dưới bóng tối của lá khác, nó di chuyển đến các nơi trống để làm cho các lá kia thu được ánh sáng như ta gặp ở thể khảm hay thể xoắn ốc của vị trí và cách sắp xếp của lá.
3. Cây xếp lá trên thân cũng theo kiểu công thức toán học
Các lá trên thân cây ở các độ cao khác nhau tập trung lại thành dạng bậc thang xoắn ốc. Các lá phía dưới nằm điền vào chỗ trống của ánh nắng từ phía trên chiếu xuống gốc cây, tạo nên các kiểu lá mọc đối nhau hay mọc cách nhau.
Công thức sắp xếp lá trên cây đơn giản nhất là 1/2 có nghĩa là một vòng thân (cành) có 2 lá. Đó là trường hợp lá mọc đối thấy ở lá mía, lúa, lan, huệ, chuối.
Công thức 1/3 (1 vòng thân có 3 lá) như ở dứa, lá cúc. Công thức 2/5 (2 vòng thân có 5 lá) như lá phượng, lá gai, lá xoài. Công thức 3/8 như lá đu đủ.
Thú vị là công thức xếp lá ở cây có lần lượt trong một chuỗi liên tiếp
d = 1 2 , 1 3 , 2 5 , 3 8 , 5 13 , 8 21 , 13 34... Ta nhận thấy một hằng số A. Brown: 1 2 + 1 3 → 2 5 ; 1 3 + 2 5 → 3 8 ; 2 5 + 3 8 → 5 13 v.v… Còn có chuỗi số: 1 3 , 1 4 , 2 7 , 3 11 , 5 18 , 8 29 , 13 47 … Mà cứ hai số liên tiếp cộng với nhau cho số thứ 3: 1 3 + 1 4 → 2 7; 1 4 + 2 7 → 3 11..v.v…
Sự sắp xếp lá theo công thức nêu trên làm cho trên cây lá nào cũng nhận được ánh
nắng cho nên bất kỳ lá nào, ở vị trí nào trên cây cũng tiến hành các quá trình trao đổi chất (thoát hơi nước, quang hợp, hô hấp)…
Trong một rừng cây rậm rạp, sự bố trí lá trên thân cho từng cây thích ứng với chức năng. Các cây đó gọi là cây ưa sáng, thường là cây to cao. Ở dưới các cây đó là các cây ưa bóng, chỉ tiếp nhận ánh sáng có cường độ chiếu sáng yếu hơn. Dưới các cây ưa bóng là lớp cây ở lớp mặt đất là các cây bụi, cây cỏ, hay họ cây dương xỉ ưa bóng, ưa ẩm.
Thiên nhiên dành các điều kiện khí hậu thời tiết cho từng loại cây, trong khi đó các cây phân tầng sống hòa hợp trong một nơi sống ổn định. Lá cây nào cũng xòe rộng để thu nhận ánh sáng phù hợp với lối sống của mình.
4. Ánh sáng xuất hiện - các tế bào ra đời có màu xanh
Sau thời kỳ tăm tối, không gian tràn đầy ánh sáng. Trái Đất tiếp nhận ánh sáng và năng lượng, các sinh vật sử dụng chúng để khởi động bộ máy nguyên sinh chất của tế bào.
Hình 14. Công thức1/3 a và 2/5b [20]
Khi một chất thu giữ phức hợp ánh sáng, một số bức xạ bị hấp phụ đó sẽ tạo màu cho chất đó: Nếu nó hấp phụ tất cả các bức xạ, nó mang màu đen. Nếu nó hấp phụ bức xạ da cam, nó còn lại một hỗn hợp bức xạ có màu xanh lá cây. Các cây có màu xanh hấp phụ phần lớn bức xạ của quang phổ. Phân tử đặc trưng cho sự hấp phụ từng phần của ánh sáng, đó là diệp lục. Đó là một phân tử khổng lồ và là phức chất tương tự với hồng cầu.
Hai phân tử có phần trung tâm cấu trúc tương tự, chỉ khác nguyên tử trung tâm: đối với động vật, đó là Fe còn đối với thực vật, là Mg.
Hai phân tử giống nhau khiến ta có ý tưởng chúng là 2 phân tử chị em. Nhưng không phải, chúng phát triển theo từng hướng riêng biệt. Nó thể hiện sự tương đồng của sinh giới trong thiên nhiên.
Chúng ta không khỏi ngạc nhiên khi quan sát ở những sinh vật hấp phụ năng lượng Mặt Trời thường có mặt diệp lục. Có giả thiết đưa ra ở trên Sao Hỏa cũng hiện diện diệp lục.
Hai hợp chất có màu, diệp lục và hồng cầu, chỉ khác nhau nhân trung tâm, hợp chất thứ nhất là Mg, hợp chất thứ 2 là Fe. Sự khác nhau là ở chức năng của chúng. Lá xanh thu hút khí cacbonic (khí cacbonic trong không khí chỉ chiếm 0,03%) còn hồng cầu thì dùng oxy của khí trời, nó chiếm 21%.
Diệp lục mẫn cảm với quang phổ hấp phụ ánh sáng Mặt Trời, thực hiện phản ứng thu nhiệt, phân ly: 2H2O 2H2 + O2. Ôxy được giải phóng trong quá trình đồng hóa bởi diệp lục không phải từ CO2 mà từ H2O ; CO2 + H2O tạo nên foocmon và tức khắc trùng hợp thành đường glucôzơ rồi thành tinh bột
CO2 + H2O + 2H2 HCOH + 2H2O Công thức tổng quát của hai phản ứng là: CO2 + 3H2O HCOH + 2H2O + O2
Nhưng sự tổng hợp này không đơn giản, vì nó phải tạo ra formon đơn thuần. Dùng đồng vị phóng xạ cacbon và hyđro người ta nghiên cứu được quá trình quang hợp là một quá trình phức tạp, chỉ có cây xanh mới tạo được các loại chất hữu cơ gluxit, lipit, prôtit với vai trò của diệp lục.
Quang hợp trở thành một quá trình độc nhất từ cây xanh biến chất vô cơ thành hữu cơ dưới tác dụng của ánh sáng Mặt Trời và diệp lục.
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
5. Diệp lục cổ nhất có tự bao giờ nay đang hoạt động
Saclo Đacuyn nhà bác học nổi tiếng của thế giới đã nhận thấy rằng “Chất diệp lục có lẽ là chất hữu cơ lý thú nhất trên quả đất này”. Thật vậy chỉ có chất diệp lục trong lá cây mới tiếp nhận tia sáng của mặt trời để tổng hợp nên chất hữu cơ trên trái đất: còn Menvin Canvin, người
Ánh sáng
được giải thưởng Nôben đã phát hiện trong lớp trầm tích cổ hàng trăm triệu năm vết tích của cao phân tử hydrat cacbon mà ngày nay người ta gặp nó trong chất diệp lục.
Cách đây không lâu, các nhà khoa học cũng đã phát hiện trong lớp khoáng tương tự những chất sinh học khác có tham gia vào sự hình thành các loại enzim của cơ thể sống. Sự phát hiện này góp phần giúp các nhà khoa học xác định và rút ra kết luận diệp lục là một trong các chất quan trọng nhất của cây xanh đã có cách đây ít nhất là một tỉ năm.
Chất diệp lục đã được tích tụ ở trong các hạt lục lạp mà ta thấy ở hầu hết thực vật, hấp thụ ánh sáng mặt trời trong quá
trình quang hợp. Các hạt lục lạp hình bầu dục ở trong lá cây chuyển động để tiếp thu được ánh sáng mặt trời với mức độ tối đa nhưng quan sát ở tảo đơn bào mougeolia ta chỉ thấy đượcmột lục lạp mang hình dạng đĩa. Điều đáng chú ý là lục lạp đó có tính thích nghi rất cao đối với một điều kiện chiếu sáng. Khi chiếu sáng bằng ánh sáng lục hoặc ánh sáng trắng mạnh thì “đĩa lục lạp” quay gờ của nó về phía nguồn sáng còn khi
chiếu bằng ánh sáng đỏ hoặc ánh sáng yếu thì đĩa quay hẳn về phía nguồn sáng. Chính nhờ sự quay đó mà lục lạp có thể tránh được những nguồn sáng quá mạnh và tận dụng đến mức cao nhất có thể có của các luồng ánh sáng yếu.
Những vấn đề đặt ra là do dâu mà đĩa lục lạp đó quay được, sự quay đó là do tác động nào chi phối? Các nhà khoa học Đức qua nhiều thí nghiệm đã phát hiện được rằng đĩa lục lạp nói trên được các sợi rất mảnh làm cho nó quay. Tất nhiên nó chỉ quay được với một cường độ ánh sáng nhất định mà thôi.
6. Lá cây nhiều màu và màu sắc của cây
Một số giống ngô trồng ở Nhật có lá mang nhiều màu sắc như màu đỏ nhạt, vàng và trắng. Các chuyên gia chọn giống Cộng hoà Séc đã chọn và nhân giống các loại ngô này. Sau 15 năm nghiên cứu các chuyên gia nói trên đã nhân được hai dạng lá có nhiều màu: xanh - đỏ và xanh - đỏ - tím. Các màu sắc sặc sỡ của lá ngô chỉ tạo ra được khi trồng được trong điều kiện đầy đủ ánh sáng, còn bắp ngô vẫn như các loại ngô bình thường. Những loại ngô có lá nhiều màu sẽ được trồng trong công viên, vườn hoa để làm cảnh hoặc trên các lối đi làm bờ giậu trông rất đẹp mắt.
Các Nhà khoa học Nga cho là cây trồng cũng như gia súc đều ưa thích một loại màu sắc nhất định. Bên trên các luống trồng dưa chuột thí nghiệm, người ta che tấm màng mỏng bằng chất dẻo có màu sắc khác nhau. Kết quả thí nghiệm cho thấy trong những điều kiện giống nhau dưa chuột trồng dưới màng mỏng màu đỏ mọc khỏe nhất và phát triển nhất, năng suất cao nhất,
hàm lượng vitamin ở lá cũng cao hơn so với những cây trồng dưới màng mỏng màu xanh và các màu khác. Chính đặc điểm sinh lý của bộ máy quang hợp của cây trồng đã làm cho cây có phản ứng khác nhau đối với màu sắc như vậy.
7. Lá cây xanh có cấu trúc phù hợp với chức năng quang hợp
Lá cây là bộ phận chính thực hiện quá trình quang hợp ở cây xanh. Trong quá trình tiến hoá, cấu trúc của lá được hoàn thiện và đáp ứng được chức năng chuyển hoá của chúng. Lá có dạng phiến mỏng, có diện tích bề mặt lớn dể dễ dàng thu năng lượng ánh sáng và trao đổi khí. Hệ thống khí khổng rất phát triển, là nơi CO2 khuếch tán vào bên trong các tế bào và mô đồng hoá và để O2 và H2O thoát ra khỏi lá. Mô giậu có hình dài xếp song song gắn xít nhau chứa nhiều lục lạp và nằm ngay dưới biểu bì trên để dễ dàng đón nhận dòng photon ánh sáng tới. Mô khuyết nằm sát lớp biểu bì dưới có dạng hình cầu hay dài xếp không xít nhau tạo các khoảng trống để chứa không khí và cho không khí khuếch tán thuận lợi. Xen vào giữa hai mô là gân lá chứa các bó mạch dẫn, là phương tiện cung cấp muối khoáng cho tế bào và đồng thời sẵn sàng vận chuyển sản phẩm quang hợp từ lá tới các bộ phận khác của cơ thể.
8. Carotenoit bảo vệ diệp lục
Hàng ngày các sắc tố hấp thụ rất nhiều năng lượng, nếu năng lượng không được sử dụng hết thì có thể gây hại cho cấu trúc của bộ máy quang hợp. Diệp lục là sắc tố hấp thụ mạnh năng lượng ánh sáng, phần lớn năng lượng được diệp lục phát bức xạ huỳnh quang, một phần được sử dụng trong phản ứng quang hoá, một phần phát ra dưới dạng nhiệt. Trong nhiều trường hợp khi có ánh sáng mạnh, năng lượng dư thừa gây kích động mạnh phân tử diệp lục, lúc này carotenoit làm nhiệm vụ phân tán năng lượng, giải toả trạng thái kích động quá cao để tránh sự phản ứng của diệp lục ở trạng thái năng lượng cao với oxy phân tử tạo oxy hoạt tính cao gây tổn thương cấu trúc diệp lục và tylacoit. Sắc tố xantophyl trong nhóm carotenoit tham gia tích cực nhất vào việc bảo vệ bộ máy quang hợp bằng quá trình gọi là dập tắt không quang hoá, trong đó xantophyl chuyển hoá từ dạng violaxantin thành zeaxantin.
9. Cây xanh - một nhà máy sống
Hàng năm nhân loại trên toàn thế giới sản xuất được chừng 170 triệu tấn ngô, 150 triệu tấn lúa mì, hơn 100 triệu tấn lúa, 24 triệu tấn khoai tây, 40 triệu tấn thịt, 40 triệu tấn cá, 15 triệu tấn dầu thực vật, 10 triệu tấn trứng, 6 triệu tấn mỡ động vật….Con số tưởng đã lớn nhưng số lượng mà nhân loại cần dùng thì lại lớn hơn nhiều. Nếu tính trung bình trên thế giới mỗi ngày mỗi người cần 400 g bột và 200 g thịt mà muốn được 200 g thịt thì cần 800 g bột thông qua việc chăn nuôi. Như vậy chỉ riêng lượng bột cần dùng cho mỗi người một ngày là 1200 g, không kể các nhu cầu về các loại vitamin, các chất axit amin không thể thay thế được…
Nếu tính trong một năm thì một người cần 400kg bột và toàn nhân loại hằng năm sẽ cần tới 1500 triệu tấn bột. Ta hãy hình dung là nếu dùng các loại xe 2 tấn có chiều dài 4m để chở số lượng bột đó thì phải huy động tới 750 triệu chiếc xe mỗi chiếc xe nối đuôi nhau dài thành hàng dài 3000 triệu mét lớn gấp 150 vòng xích đạo.
Đó là mới tính đến dân thế giới ở mức 3,5 tỉ người. Nhưng con số