Vì sao thực vật chọn carbon dioxide làm nguyên liệu thô cho quang hợp, thay vì chọn những loại khí dồi dào hơn trong không khí?

Trong đời sống hàng ngày, con người không thể tồn tại nếu thiếu thức ăn. Ba bữa một ngày là điều quá quen thuộc, thậm chí chỉ cần bỏ lỡ một bữa là nhiều người đã cảm thấy mệt mỏi hoặc lo lắng. Thế nhưng, xung quanh chúng ta, hoa lá, cây cối và cả những cánh đồng rộng lớn đều vẫn âm thầm sinh trưởng dù chẳng hề di chuyển hay chủ động tìm kiếm thức ăn. 

Điều này khiến không ít người tự hỏi: thực vật thật sự ăn gì, và tại sao nguồn sống của chúng lại đến từ một loại khí chỉ chiếm 0,04 phần trăm bầu khí quyển?

Không khí trên Trái Đất chứa hơn 70 phần trăm nitơ và khoảng 20 phần trăm oxy. Nếu xét theo tỷ lệ, carbon dioxide chỉ là một phần cực nhỏ, giống như một giọt mực loang ra giữa một hồ nước khổng lồ. Vậy mà thực vật lại bỏ qua hai loại khí phổ biến nhất để ưu ái carbon dioxide. Nghe có vẻ khó hiểu, nhưng khi nhìn lại lịch sử Trái Đất, mọi chuyện trở nên rõ ràng hơn.

Trong giai đoạn sơ khai của hành tinh, bầu khí quyển chứa rất nhiều carbon dioxide. Các dạng sống quang hợp đầu tiên như vi khuẩn lam khi đó không có nhiều lựa chọn vì môi trường xung quanh gần như là một lớp súp carbon dioxide đặc quánh. 

Trong điều kiện đó, việc sử dụng CO2 trở thành con đường dễ dàng và khả thi nhất để tạo năng lượng và xây dựng vật chất hữu cơ. Qua hàng tỷ năm, lựa chọn này trở thành nền tảng để sự sống phát triển.

Carbon dioxide có cấu trúc phân tử đơn giản với một nguyên tử carbon liên kết với hai nguyên tử oxy. Tuy nhiên, chính sự đơn giản ấy lại mang đến một ưu điểm quan trọng. CO2 rất ổn định, không quá kén chọn và cũng không quá dễ phản ứng. 

Khi tiếp xúc với ánh sáng Mặt Trời, phân tử này có thể bị tách ra và tái tổ hợp để hình thành nên những hợp chất hữu cơ phức tạp hơn, tương tự như việc dùng những viên gạch Lego để xây nên mọi dạng cấu trúc mong muốn. Nguyên tử carbon chính là bộ khung tạo nên đường, tinh bột, protein, chất béo và cả DNA. Nói cách khác, ai kiểm soát được carbon thì kiểm soát được vật liệu để xây dựng sự sống.

Nếu carbon dioxide là ứng viên lý tưởng, tại sao không dùng oxy hay nitơ? Câu trả lời lại rất đơn giản.

Oxy là một chất quá mạnh, phản ứng quá nhanh và quá dữ dội. Nó giống như một ngọn lửa luôn muốn đốt cháy mọi thứ. Dùng oxy để xây phân tử hữu cơ phức tạp chẳng khác gì dùng bật lửa để xây nhà gỗ. Mọi cấu trúc chưa kịp hình thành sẽ bị phá hủy trước khi hoàn thành. Trên thực tế, thực vật phải đối phó với lượng oxy chúng tạo ra trong quá trình quang hợp để tránh bị loại khí mạnh này gây hại.

Nitơ thì ngược lại, nó quá bền và quá ì ạch. Hai nguyên tử nitơ nắm chặt nhau bằng một liên kết ba vô cùng chắc chắn, đòi hỏi rất nhiều năng lượng để phá vỡ. Trong những thời kỳ đầu của sự sống, chưa có sinh vật nào sở hữu công cụ đủ mạnh để xử lý dạng nitơ này. Chỉ về sau, một số vi khuẩn xuất hiện enzyme nitrogenase có khả năng phá vỡ liên kết ba đó. Vì vậy, nitơ không thể là nguyên liệu phù hợp để xây dựng các phân tử hữu cơ ban đầu.

Giữa oxy quá hung hãn và nitơ quá lười biếng, carbon dioxide chính là lựa chọn vừa vặn nhất. Nó đủ ổn định để không làm hỏng mọi thứ, nhưng cũng đủ linh hoạt để bị biến đổi khi cần thiết. Chính điều này khiến nó trở thành nguyên liệu thô lý tưởng để sự sống nguyên thủy dựa vào.

Khi quá trình sử dụng CO2 được thiết lập, hệ sinh học đã tiến hóa theo hướng tối ưu hóa việc khai thác loại khí này. Thực vật phát triển lục lạp, một xưởng sản xuất cực kỳ tinh vi để tận dụng ánh sáng Mặt Trời và carbon dioxide. 

Tại trung tâm của dây chuyền này là một enzyme nổi tiếng với tính hiệu quả thấp nhưng lại giữ vai trò không thể thay thế, Rubisco. Enzyme này có nhiệm vụ bắt giữ CO2 rồi gắn nó vào một phân tử đường để khởi động chu trình tạo ra glucose và hàng trăm hợp chất hữu cơ khác.

Rubisco đôi khi mắc lỗi và nhầm oxy với carbon dioxide. Điều này khiến hiệu suất giảm vì dẫn đến hiện tượng hô hấp sáng. Tuy vậy, suốt hàng triệu năm, thực vật không thể loại bỏ Rubisco mà chỉ có thể phát triển thêm các chiến lược để giúp nó hoạt động hiệu quả hơn. Một số loài tạo ra cơ chế tập trung CO2 như thực vật C4 hay thực vật CAM, làm tăng năng suất quang hợp ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.

Hiện nay, mọi sinh vật sống trên Trái Đất, từ thực vật đến động vật, đều phụ thuộc vào carbon mà thực vật cố định được qua quang hợp. Ngay cả nước, yếu tố quan trọng thứ hai của quang hợp, cũng chỉ cung cấp hydro và electron, giống như lao động hỗ trợ. Phần khung chính của vật chất hữu cơ vẫn đến từ CO2.

Nếu thiếu nước, quá trình quang hợp dừng lại. Nhưng nếu thiếu carbon dioxide, quá trình này mất đi mục tiêu cốt lõi. Đó là lý do vì sao CO2 được gọi là bản thiết kế, là bộ khung thép để xây dựng nên sự sống hữu cơ. 

Và cũng vì thế, quyết định tiến hóa chọn CO2 làm nguyên liệu thô đã trở thành con đường không thể đảo ngược. Thay đổi lựa chọn này đồng nghĩa phải viết lại toàn bộ cách thức vận hành của sự sống, một việc gần như không thể.

Ngày nay, từ oxy trong không khí mà chúng ta hít thở đến mọi loại thực phẩm, trái cây, rau củ, gỗ, sợi bông vải hay các phân tử cấu tạo nên tế bào người, tất cả đều bắt nguồn từ carbon dioxide mà thực vật hấp thụ và biến đổi. Không ai nhìn thấy CO2 bằng mắt thường, nhưng chính nó là nền tảng vô hình nuôi dưỡng toàn bộ sự sống trên hành tinh này.

Quang hợp có thể âm thầm diễn ra hàng ngày, nhưng ý nghĩa của nó thì không thể phủ nhận. Chính hơi thở của cây xanh, thông qua hành trình chuyển hóa carbon dioxide, đã tạo nên cả thế giới tự nhiên mà chúng ta đang sống. Và đó cũng là minh chứng rõ ràng nhất cho khả năng kỳ diệu của sự tiến hóa khi biến một loại khí hiếm trong không khí thành nguồn sống cho toàn bộ hệ sinh thái Trái Đất.