Bài học

Cấu tạo khí khổng và cơ chế đóng mở

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả đúng cấu tạo của khí khổng trên biểu bì lá, giải thích được vì sao tế bào hạt đậu có thể đóng mở lỗ khí, và dự đoán được khí khổng mở hay đóng trong một điều kiện ánh sáng, độ ẩm cho trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 6, em đã biết tế bào thực vật có vách tế bào bao ngoài màng tế bào, và một không bào trung tâm lớn chứa nước chiếm phần lớn thể tích tế bào (prior-grade review). Hai đặc điểm đó — vách tế bào và không bào chứa nước — sẽ giải thích toàn bộ cơ chế đóng mở của khí khổng trong bài học hôm nay.

Khởi động

Nếu lật một chiếc lá rau muống lên soi dưới kính hiển vi, em sẽ thấy trên biểu bì dưới có rất nhiều lỗ nhỏ li ti, mỗi lỗ được viền bởi hai tế bào hình hạt đậu úp vào nhau. Ban ngày trời nắng, những lỗ này thường mở to; nhưng soi lại chính chiếc lá đó vào lúc nửa đêm, phần lớn lỗ đã khép lại. Điều gì bên trong hai tế bào hình hạt đậu ấy khiến chúng tự mở ra rồi tự đóng lại như vậy?

Kiến thức trọng tâm

Khí khổng là những lỗ nhỏ nằm trên biểu bì lá, mỗi lỗ được hai tế bào hạt đậu — còn gọi là tế bào bảo vệ — ôm lấy hai bên. Phần lớn khí khổng tập trung ở mặt dưới của lá, ít hơn hẳn ở mặt trên; cách sắp xếp này giúp lá hạn chế phần nào lượng nước bốc hơi trực tiếp dưới ánh nắng chiếu thẳng vào mặt trên. Điểm đặc biệt của tế bào hạt đậu nằm ở vách tế bào: vách phía trong, sát lỗ khí, dày hơn hẳn vách phía ngoài. Chính sự chênh lệch độ dày này quyết định cách tế bào uốn cong khi trương nước.

Kết quả đếm minh hoạ từ một tiêu bản biểu bì lá điển hình: biểu bì dưới có số khí khổng nhiều hơn hẳn biểu bì trên, đúng với đặc điểm phần lớn khí khổng tập trung ở mặt dưới lá.

Khi tế bào hạt đậu hút nước, không bào trung tâm trương lên, đẩy toàn bộ tế bào căng ra. Vì vách ngoài mỏng nên giãn nhiều hơn vách trong dày, cặp tế bào hạt đậu bị kéo cong ra hai phía như hai chiếc lưỡi liềm tách xa nhau — lỗ khí ở giữa mở ra. Ngược lại, khi tế bào mất nước, không bào xẹp bớt, vách ngoài co lại gần vách trong, hai tế bào hạt đậu thẳng ra và áp sát nhau, lỗ khí khép kín. Toàn bộ quá trình đóng mở, vì vậy, chỉ là kết quả của việc nước ra vào tế bào hạt đậu, không cần bất kỳ cơ hay dây chằng nào điều khiển.

Ánh sáng là tín hiệu chính điều khiển lượng nước ra vào tế bào hạt đậu. Khi có ánh sáng, tế bào hạt đậu tích luỹ thêm các chất hoà tan bên trong, kéo nước từ những tế bào lân cận thẩm thấu vào, khiến khí khổng mở. Khi trời tối hoặc khi cây thiếu nước nghiêm trọng, tế bào hạt đậu mất các chất hoà tan đó và mất nước theo, khí khổng đóng lại để hạn chế thoát hơi nước qua lỗ khí — kể cả giữa ban ngày, nếu đất quá khô, cây vẫn có thể đóng bớt khí khổng để tự bảo vệ.

Ánh sáng và lượng nước trong đất cùng quyết định trạng thái đóng, mở của khí khổng tại từng thời điểm.

Ví dụ

Dự đoán trạng thái khí khổng

1
Vào một buổi trưa nắng gắt nhưng đất trong chậu đã khô hẳn nhiều ngày, khí khổng trên lá cây trong chậu đó có mở rộng như một buổi trưa bình thường hay không?
2
Hai tín hiệu điều khiển khí khổng là ánh sáng và lượng nước cây có thể hút được. Buổi trưa nắng gắt cho tín hiệu 'nên mở', nhưng đất khô hẳn nhiều ngày cho tín hiệu ngược lại là cây đang thiếu nước nghiêm trọng.
3
Theo cơ chế đã học, khi thiếu nước nghiêm trọng, tế bào hạt đậu mất nước, khí khổng khép lại để hạn chế thoát hơi nước, kể cả khi có đủ ánh sáng — tín hiệu thiếu nước lấn át tín hiệu ánh sáng vì đây là phản ứng sống còn.
4
Nếu khí khổng vẫn mở rộng như bình thường trong tình huống này, cây sẽ tiếp tục mất nước qua thoát hơi nước trong khi rễ không còn nước để bù lại, dẫn tới héo rồi chết — điều này không hợp lý với mục đích tồn tại của khí khổng.
5
Vậy khí khổng của cây trong chậu đó khép lại phần lớn, dù đang là buổi trưa nắng gắt, vì tín hiệu thiếu nước nghiêm trọng lấn át tín hiệu ánh sáng.

Ví dụ

Vì sao khí khổng khép bớt vào giữa trưa những ngày hè oi bức (dạng đề kiểm tra)

1
Ở một số cây trồng ngoài trời, vào những ngày hè nắng nóng, khí khổng mở rộng vào buổi sáng nhưng lại khép bớt vào đúng giữa trưa — thời điểm ánh sáng mạnh nhất trong ngày — rồi mở trở lại vào buổi chiều mát hơn. Giải thích hiện tượng này.
2
Giữa trưa, nhiệt độ không khí lên cao nhất, làm tốc độ bốc hơi nước qua khí khổng tăng mạnh — nước thoát ra nhanh hơn hẳn so với buổi sáng mát.
3
Trong khi đó, tốc độ rễ hút nước từ đất không tăng kịp theo tốc độ mất nước ở lá, đặc biệt nếu đất đã hơi khô sau nhiều giờ nắng — cây đứng trước nguy cơ mất nước ròng.
4
Nếu khí khổng cứ mở rộng như buổi sáng, cây sẽ mất nước nhanh hơn tốc độ rễ bù được, dẫn tới héo tạm thời; khép bớt khí khổng làm chậm tốc độ mất nước, giữ cho lượng nước trong cây không giảm quá nhanh.
5
Vậy việc khép bớt khí khổng vào giữa trưa là phản ứng tự bảo vệ trước nguy cơ mất nước ròng, không phải vì cây không cần ánh sáng lúc đó — ánh sáng vẫn còn rất mạnh, chỉ là tín hiệu thiếu nước tạm thời đã lấn át.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn khá phổ biến là nghĩ khí khổng đóng mở nhờ một loại 'cơ' co giãn giống cơ ở động vật. Thực ra tế bào hạt đậu không có mô cơ — toàn bộ chuyển động cong ra, thẳng lại chỉ đến từ việc nước ra vào tế bào làm không bào trương lên hay xẹp xuống, kết hợp với vách tế bào dày mỏng không đều. Một nhầm lẫn khác là nghĩ khí khổng luôn mở khi trời nắng bất kể tình trạng nước của cây — như hai worked example vừa học cho thấy, thiếu nước nghiêm trọng có thể khiến khí khổng khép lại ngay cả giữa trưa nắng gắt.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Khí khổng là cặp tế bào hạt đậu có vách dày mỏng không đều, đóng mở nhờ nước ra vào làm không bào trương lên hay xẹp xuống — không nhờ cơ. Ánh sáng và lượng nước cây hút được là hai tín hiệu chính; khi thiếu nước nghiêm trọng, khí khổng khép lại dù đang có ánh sáng mạnh, kể cả vào giữa trưa nắng gắt.

Nhưng khí khổng không chỉ là cửa cho khí carbon dioxide và oxygen ra vào. Bài tiếp theo học tiếp việc gì thực sự đi qua những lỗ khí này — khí carbon dioxide và oxygen di chuyển theo chiều nào vào ban ngày và ban đêm, và vì sao không có chiều nào là tuyệt đối.