Cây sống nơi khô hạn như xương rồng, lá bỏng, dứa, nha đam giữ nước bằng một mẹo gọi là quang hợp CAM: ban đêm trời mát mới mở khí khổng hút khí CO₂ và cất tạm dưới dạng axit trong tế bào, ban ngày đóng chặt khí khổng rồi lấy CO₂ đã cất ra để quang hợp. Nhờ vậy cây mất ít nước hơn rất nhiều so với cây thường. Kèm theo đó là lá biến thành gai, thân mọng nước, lớp sáp dày và bộ rễ đặc biệt — những thích nghi đã tiến hoá độc lập ở nhiều họ thực vật khác nhau.
Thế khó của mọi cây xanh: ăn thì phải khát
Để quang hợp, lá cần khí CO₂ từ không khí. Khí đi vào qua khí khổng, những lỗ nhỏ li ti trên mặt lá. Nhưng lỗ đã mở cho CO₂ vào thì hơi nước bên trong lá cũng thoát ra. Ở cây thường, cứ mỗi phân tử CO₂ hấp thụ được là hàng trăm phân tử nước bay mất.
Ở nơi ẩm, chuyện này không sao. Ở sa mạc, nắng gắt, không khí khô, mở khí khổng giữa trưa là tự sát. Cây khô hạn phải tìm cách giải bài toán: lấy được CO₂ mà không mất nước.
Quang hợp CAM: chia việc theo ngày và đêm
Tên CAM là viết tắt tiếng Anh của "trao đổi axit kiểu họ Thuốc bỏng" (Crassulacean Acid Metabolism), vì cơ chế này được nghiên cứu đầu tiên ở các cây họ Thuốc bỏng — họ của cây lá bỏng quen thuộc ở Việt Nam. Quy trình gồm hai pha:
- Ban đêm: trời mát, không khí ẩm hơn, cây mở khí khổng. CO₂ đi vào được một enzyme gắn vào hợp chất trung gian, tạo ra axit hữu cơ (chủ yếu là axit malic). Axit này được cất trong không bào lớn của tế bào. Cả đêm, lá dần chua lên.
- Ban ngày: cây đóng khí khổng, gần như không mất nước. Có ánh sáng, axit malic được tách ra, giải phóng lại CO₂ ngay trong lá, và chu trình quang hợp bình thường dùng CO₂ đó để làm đường. Tới chiều, lá bớt chua.
Hiện tượng lá chua buổi sáng, nhạt buổi chiều đã được người châu Âu ghi chép từ đầu thế kỷ 19 khi nếm lá cây họ Thuốc bỏng, rất lâu trước khi hiểu cơ chế hoá học.
Đổi lại: mọc chậm
Lượng axit cất được trong một đêm có giới hạn, nên cây CAM quang hợp chậm, lớn chậm. Đó là cái giá của việc tiết kiệm nước. Ở nơi đủ nước, cây CAM thường thua các cây mọc nhanh; ở nơi khô hạn thì ngược lại.
So sánh ba kiểu quang hợp
| Kiểu | Cách lấy CO₂ | Tiết kiệm nước | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| C3 (thông thường) | Ban ngày, gắn thẳng vào chu trình làm đường | Thấp | Lúa, lúa mì, đậu, hầu hết cây gỗ |
| C4 | Ban ngày, gom CO₂ ở một loại tế bào rồi chuyển vào tế bào khác — chia theo không gian | Khá | Ngô, mía, kê, cỏ gấu |
| CAM | Ban đêm hút và cất, ban ngày dùng — chia theo thời gian | Rất cao | Xương rồng, thanh long, dứa, nha đam, lá bỏng, nhiều loài lan |
Theo các giáo trình sinh lý thực vật, để tạo một gam chất khô, cây C3 thường tiêu tốn vài trăm tới cả nghìn gam nước, cây C4 khoảng vài trăm gam, còn cây CAM chỉ cỡ vài chục tới một trăm gam. Con số cụ thể dao động theo loài và điều kiện, nhưng khoảng cách là rất lớn.
Có cây biết đổi kiểu
Một số cây chỉ chuyển sang CAM khi gặp hạn hoặc mặn, gọi là CAM tuỳ nghi. Rau sam, loại rau dại quen thuộc ở Việt Nam, được các nghiên cứu cho thấy bình thường quang hợp kiểu C4 nhưng có thể chuyển sang hoạt động kiểu CAM khi bị hạn — một trong số ít cây kết hợp được cả hai cơ chế.
Những thích nghi khác của cây khô hạn
Lá biến thành gai
Gai xương rồng chính là lá biến đổi. Không còn phiến lá rộng, cây bớt hẳn diện tích mất nước; gai còn che bớt nắng cho thân và chống thú ăn. Việc quang hợp chuyển sang thân xanh.
Thân, lá mọng nước
Thân xương rồng, lá nha đam, lá sen đá chứa mô trữ nước dày, như những bình chứa sống. Nhiều loài xương rồng có thân xếp nếp như đàn xếp, phồng ra khi có mưa, co lại khi khô mà không nứt.
Lớp áo chống mất nước
Lớp cutin, sáp dày bóng; lông trắng phản xạ nắng; khí khổng nằm lõm sâu trong rãnh, giữ một lớp không khí ẩm quanh lỗ.
Bộ rễ theo hai chiến lược
- Rễ nông, toả rộng: nhiều xương rồng có rễ chỉ sâu vài chục phân nhưng toả rất rộng, hút nhanh nước của trận mưa nhỏ trước khi nó bốc hơi.
- Rễ cọc rất sâu: một số cây bụi sa mạc có rễ đâm sâu hàng chục mét để chạm mạch nước ngầm.
Né hạn thay vì chịu hạn
Nhiều cây sa mạc không chịu hạn mà né hạn: hạt nằm im trong đất nhiều năm, chỉ nảy mầm sau trận mưa lớn, ra hoa kết hạt trong vài tuần rồi chết. Đó là những đợt "sa mạc nở hoa" nổi tiếng.
Hội tụ: xương rồng châu Mỹ và xương rồng giả châu Phi
Họ Xương rồng gần như chỉ có tự nhiên ở châu Mỹ. Nhưng ở các vùng khô châu Phi, nhiều loài thuộc họ Thầu dầu (chi Euphorbia) trông giống xương rồng tới mức khó phân biệt: thân mọng có cạnh, có gai, quang hợp ở thân, nhiều loài dùng CAM. Cách nhận ra: cây Euphorbia thường có nhựa trắng như sữa (nhiều loài gây kích ứng da, mắt), gai mọc thành cặp chứ không từ một núm lông như xương rồng.
Các nhà khoa học ước tính quang hợp CAM đã tiến hoá độc lập nhiều chục lần trong các họ thực vật khác nhau — một trong những ví dụ hội tụ tiến hoá rõ nhất ở thực vật.
Cây khô hạn ở Việt Nam
Vùng ven biển Nam Trung Bộ, nhất là khu vực Ninh Thuận cũ (nay thuộc Khánh Hoà) và Bình Thuận cũ (nay thuộc Lâm Đồng), là nơi khô hạn nhất nước. Ở đây có thể gặp các cây chịu hạn mọc trên đồi cát, sườn núi đá: xương rồng nhập nội đã mọc hoang, cây bụi lá nhỏ có gai, các loài cỏ chịu hạn. Thanh long, cây trồng nổi tiếng của vùng này, chính là một loài xương rồng leo, quang hợp CAM — một lý do nó chịu được nắng gió khô.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát quang hợp CAM
Một thí nghiệm đơn giản cho học sinh, cần người lớn đi cùng:
- Chọn một cây lá bỏng hoặc sen đá trồng trong chậu.
- Sáng sớm, ngắt một lá, giã nhỏ với vài thìa nước cất, nhúng giấy quỳ hoặc que thử pH.
- Chiều muộn cùng ngày làm lại với một lá tương tự.
- So sánh: nước lá buổi sáng thường chua hơn (pH thấp hơn) — dấu hiệu axit malic được cất trong đêm.
Lưu ý: không nếm lá, vì cây lá bỏng có chất độc với người và vật nuôi nếu ăn nhiều; rửa tay sau khi làm. Muốn đọc thêm: phần quang hợp ở các nhóm thực vật C3, C4, CAM trong SGK Sinh học 11; chương quang hợp trong Campbell Biology.
Câu hỏi thường gặp
Quang hợp CAM là gì?
Là kiểu quang hợp mà cây mở khí khổng vào ban đêm để hấp thụ CO₂ và cất dưới dạng axit malic, ban ngày đóng khí khổng rồi dùng CO₂ đã cất để quang hợp. Cách này giúp cây tiết kiệm nước rất nhiều, phổ biến ở xương rồng, dứa, thanh long, cây họ Thuốc bỏng.
Vì sao xương rồng có gai?
Gai xương rồng là lá đã biến đổi. Không có phiến lá giúp cây giảm diện tích mất nước; gai còn che bớt nắng cho thân và bảo vệ cây khỏi động vật ăn cỏ. Việc quang hợp do thân xanh đảm nhiệm.
Cây C3, C4 và CAM khác nhau thế nào?
Cây C3 lấy CO₂ ban ngày theo cách thông thường, dễ mất nước. Cây C4 gom CO₂ ở một loại tế bào rồi chuyển sang tế bào khác, tiết kiệm nước hơn. Cây CAM lấy CO₂ ban đêm và dùng ban ngày, tiết kiệm nước nhất nhưng thường lớn chậm.
Thanh long có phải là xương rồng không?
Có. Thanh long là một loài xương rồng leo có nguồn gốc châu Mỹ, quang hợp kiểu CAM. Vì vậy nó chịu được khí hậu khô nóng của vùng Nam Trung Bộ, nơi được trồng nhiều ở Việt Nam.
Cây lá bỏng thuộc nhóm cây nào?
Cây lá bỏng thuộc họ Thuốc bỏng (Crassulaceae), chính là họ thực vật mà tên quang hợp CAM được đặt theo. Lá dày mọng nước và quang hợp kiểu CAM giúp cây chịu hạn tốt.
