Hệ sinh thái kín là một khoảng sống bị đóng lại với bên ngoài về vật chất nhưng vẫn mở về năng lượng: ánh sáng đi vào, nhiệt thoát ra, còn nước, khí và chất dinh dưỡng thì quay vòng mãi bên trong. Một chai thuỷ tinh có cây, đất và vi sinh vật, nếu cân bằng được ba quá trình quang hợp – hô hấp – phân giải, có thể sống nhiều năm mà không cần mở nắp. Ví dụ hay được nhắc nhất là chai cây của ông David Latimer ở Anh, gieo năm 1960 và theo lời kể của chủ bình thì chỉ được mở ra tưới lần cuối năm 1972.
Kín về vật chất, mở về năng lượng
Các sách sinh thái học như Fundamentals of Ecology của Odum chia hệ thống ra ba loại. Hệ mở trao đổi cả vật chất lẫn năng lượng với xung quanh: một cái ao, một khu rừng, một cơ thể sống. Hệ kín chỉ trao đổi năng lượng: chai cây đậy nút, Trái Đất nhìn ở quy mô lớn. Hệ cô lập không trao đổi gì cả, và trong thực tế gần như không tồn tại.
| Loại hệ | Vật chất ra vào | Năng lượng ra vào | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Hệ mở | Có | Có | Ao làng, ruộng lúa, bể cá có thay nước |
| Hệ kín | Không (gần như không) | Có: ánh sáng vào, nhiệt ra | Chai cây đậy nút, Trái Đất |
| Hệ cô lập | Không | Không | Chỉ có trên lý thuyết |
Điểm mấu chốt: sự sống không thể kín về năng lượng. Năng lượng chỉ đi một chiều, từ ánh sáng vào chất hữu cơ rồi tản ra thành nhiệt. Vật chất thì khác, nó có thể đi vòng tròn. Một chai cây sống lâu là một mô hình thu nhỏ của chính hành tinh: Trái Đất gần như không nhận thêm vật chất từ vũ trụ, chỉ nhận ánh sáng Mặt Trời và toả nhiệt ra không gian.
Ba vòng quay giữ chai cây sống
Vòng carbon và oxy
Ban ngày, lá cây hấp thụ khí CO₂ và nước, dùng ánh sáng tạo ra đường và thải oxy. Suốt ngày đêm, cả cây lẫn vi sinh vật trong đất đều hô hấp: dùng oxy đốt đường lấy năng lượng, nhả CO₂ trở lại. Nếu quang hợp mạnh hơn hô hấp quá lâu, CO₂ trong chai cạn dần và cây ngừng lớn. Nếu hô hấp mạnh hơn, ví dụ khi có nhiều xác lá thối, oxy giảm và CO₂ dồn lên. Chai sống lâu là chai mà hai chiều này tự đưa nhau về gần thăng bằng.
Vòng nước
Nước bốc hơi từ đất và thoát ra qua lỗ khí của lá, gặp thành thuỷ tinh mát hơn thì đọng thành giọt, chảy xuống đất, cây lại hút lên. Chính vì vậy chai kín không cần tưới. Buổi sáng thấy thành chai mờ hơi nước, chiều trong lại, đó là cả một vòng mưa thu nhỏ đang chạy.
Vòng dinh dưỡng
Lá già rụng xuống. Nấm, vi khuẩn và những sinh vật đất nhỏ xíu phân giải chúng thành chất khoáng: đạm, lân, kali. Rễ cây hút lại các chất này để làm lá mới. Không có nhóm phân giải, chai sẽ đầy xác lá và cây đói dần dù xung quanh đầy chất hữu cơ. Đây là lý do một chai kín thật sự phải dùng đất có vi sinh, không phải chỉ cát sạch.
Chai cây của David Latimer: chuyện và những gì nên tin
Câu chuyện được báo chí Anh đưa tin rộng rãi khoảng năm 2013: ông David Latimer bỏ ít đất ủ và một nhánh cây thài lài (Tradescantia) vào một bình thuỷ tinh lớn năm 1960, đậy nút. Năm 1972 ông mở ra tưới thêm một ít nước rồi đậy lại, và từ đó không mở nữa. Cây vẫn xanh hàng chục năm sau, đặt cạnh cửa sổ, thỉnh thoảng được xoay cho cây mọc đều về phía sáng.
Đây là lời kể của chủ bình, không phải một thí nghiệm có đo đạc. Không ai đo khí trong bình, không ai đếm vi sinh vật. Nhưng điều nó minh hoạ là đúng với sinh thái học: một hệ có nguồn sáng, có sinh vật sản xuất và có sinh vật phân giải có thể tự duy trì rất lâu. Cây trong bình không "sống nhờ không khí" mà sống nhờ vật chất của chính nó, của đất ủ ban đầu, được dùng đi dùng lại.
Lồng kính Ward: hệ kín từng thay đổi bản đồ cây trồng
Ý tưởng nhốt cây trong kính có từ trước đó rất lâu. Khoảng năm 1829, bác sĩ Nathaniel Bagshaw Ward ở London để một con nhộng bướm trong lọ kín có đất ẩm và thấy một cây dương xỉ con mọc lên, sống khoẻ trong khi dương xỉ ngoài vườn ông chết vì khói than. Ông làm ra những chiếc hộp kính kín gọi là lồng Ward và in sách về chúng năm 1842.
Lồng Ward giúp chở cây sống qua những chuyến tàu biển dài hàng tháng, vì cây không cần tưới nước ngọt và được che khỏi gió muối. Nhờ đó, nhiều giống cây trồng được đưa từ châu lục này sang châu lục khác trong thế kỷ 19. Đây là một ví dụ rõ ràng nhất cho thấy hệ kín không chỉ là đồ để ngắm: nó là một công nghệ chở sự sống.
Vì sao nhiều chai kín chết sau vài tháng
Chai kín thất bại thường không phải vì "thiếu không khí" mà vì một trong các vòng quay bị lệch. Những lỗi hay gặp:
- Quá nhiều nước: đất sũng làm rễ thiếu oxy, vi khuẩn kỵ khí phát triển, đất có mùi chua thối, rễ thối dần.
- Nắng chiếu thẳng: thuỷ tinh giữ nhiệt như nhà kính, nhiệt độ trong chai có thể cao hơn ngoài trời rất nhiều, cây bị luộc chín.
- Quá ít ánh sáng: quang hợp không bù được hô hấp, cây vươn dài, nhạt màu, rồi tàn.
- Nhiều chất hữu cơ chết ngay từ đầu: lá héo, rễ dập bỏ vào chai làm bùng nổ nấm mốc. Nấm ăn hết xác rồi có thể lan sang cây sống.
- Chọn cây sai: cây ưa khô như xương rồng, sen đá không chịu được độ ẩm gần bão hoà của chai kín.
Mỗi lỗi trên ứng với một nguyên lý sinh thái: giới hạn chịu đựng về nhiệt và ẩm, cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ, vai trò của sinh vật phân giải. Nhìn một chai kín chết, người tinh ý có thể đọc ra vòng quay nào đã gãy trước.
Chai kín và câu hỏi lớn: một hệ nhỏ bao nhiêu thì còn bền
Nhà sinh thái học từ lâu đã dùng hệ kín nhỏ để thử những câu hỏi lớn. Từ thập niên 1960, nhà vi sinh vật Clair Folsome ở Đại học Hawaii đã niêm phong nước biển có tảo và vi khuẩn trong bình thuỷ tinh và theo dõi chúng nhiều năm. Kết luận chung của những thí nghiệm kiểu này: hệ càng nhỏ, càng ít loài thì càng dễ đổ, vì chỉ cần một nhóm chết là cả vòng quay đứt. Hệ có nhiều nhóm chức năng chồng nhau (nhiều loài cùng làm việc phân giải, nhiều loài cùng quang hợp) thì bền hơn.
Đây cũng chính là bài toán mà các dự án hệ kín lớn như Biosphere 2 ở Arizona và các nghiên cứu về hệ sinh thái cho chuyến bay vũ trụ dài ngày phải đối mặt. Chai cây trên bậu cửa sổ và trạm sống trên Mặt Trăng chung nhau một câu hỏi: làm sao để vật chất quay vòng mà không vòng nào bị tắc.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát một hệ kín
Nếu muốn tận mắt thấy các vòng quay, có thể làm một chai kín nhỏ với cây, rêu mua ở cửa hàng cây cảnh, đất, sỏi và than hoạt tính, đặt nơi sáng nhưng không có nắng chiếu thẳng. Không bỏ côn trùng, ếch nhái hay bất cứ con vật bắt ngoài tự nhiên vào chai. Trẻ em làm thì cần người lớn đi cùng, nhất là khi cầm thuỷ tinh. Một số người dễ dị ứng nấm mốc nên đeo khẩu trang khi mở chai cũ; thấy khó thở hay ngứa kéo dài thì nên đi khám.
Điều đáng làm nhất là ghi nhật ký: mỗi tuần một dòng về độ mờ hơi nước trên thành chai, màu lá, có nấm mốc hay không. Sau vài tháng, cuốn nhật ký ấy sẽ cho thấy rõ hơn mọi trang sách về chuyện vật chất quay vòng. Muốn đọc thêm, chương "hệ sinh thái" trong SGK Sinh học 12 và cuốn Fundamentals of Ecology của Odum là điểm bắt đầu tốt.
Câu hỏi thường gặp
Hệ sinh thái kín là gì?
Là hệ không trao đổi vật chất với bên ngoài nhưng vẫn nhận năng lượng, thường là ánh sáng. Nước, khí và chất dinh dưỡng quay vòng bên trong nhờ quang hợp, hô hấp và phân giải. Chai cây đậy nút là ví dụ quen thuộc nhất.
Cây trong chai kín lấy oxy và CO₂ ở đâu?
Cây quang hợp thải oxy, rồi chính cây và vi sinh vật đất hô hấp dùng oxy đó và thải lại CO₂. Hai chiều này bù cho nhau nên khí trong chai không cạn. Nếu một bên lấn quá, cây sẽ yếu dần.
Chai cây của David Latimer có thật không?
Câu chuyện được báo chí Anh đưa tin nhiều: chai gieo năm 1960 và mở tưới lần cuối năm 1972. Đây là lời kể của chủ bình, không phải thí nghiệm có đo đạc. Tuy vậy, nó phù hợp với nguyên lý sinh thái về hệ kín.
Vì sao chai kín không cần tưới nước?
Nước bốc hơi từ đất và lá, đọng lại trên thành thuỷ tinh rồi chảy về đất. Vòng nước khép kín nên lượng nước gần như không đổi. Chỉ cần lúc đầu bỏ vừa đủ, không để đất sũng.
Hệ kín và hệ cô lập khác nhau thế nào?
Hệ kín vẫn nhận năng lượng từ bên ngoài, ví dụ ánh sáng, và toả nhiệt ra. Hệ cô lập không trao đổi cả năng lượng lẫn vật chất. Sự sống cần năng lượng đi qua nên không thể tồn tại trong một hệ cô lập.
