Vì sao cây rụng lá vào mùa thu?

Đó là những cây quang hợp nhiều hơn vào mùa xuân và mùa hè sẽ rụng lá sớm vào mùa thu. 

Lá của những loài cây rụng lá vùng ôn đới chuyển sang màu vàng và đỏ rực rỡ trước khi rụng, báo hiệu mùa thu đã đến. Đây là quá trình lão hóa của lá, giúp cho cây chuẩn bị đón mùa đông bằng cách tạm ngừng phát triển và lấy dưỡng chất từ các tán lá. Trong chu trình vật hậu của cây, lá già đi đánh dấu thời điểm kết thúc giai đoạn sinh trưởng mà cây hấp thụ CO2 qua quá trình quang hợp.

Tình trạng ấm lên toàn cầu dẫn đến các giai đoạn sinh trưởng dài hơn trong những năm gần đây, với sự xuất hiện của lá cây vào mùa xuân sớm hơn 2 tuần so với 100 năm trước và lá già đi chậm hơn 6 ngày. Tình trạng lão hóa của lá sẽ còn tiếp tục chậm hơn thế nếu khí hậu tiếp tục ấm áp, làm tăng lượng carbon cây hấp thụ vào trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Tuy nhiên, các nhà khoa học ở ETH Zurich mới đây lại có kết luận ngược lại. Trong một nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Khoa học, họ đã giải thích cơ chế tự điều tiết làm ngắn lại thời kỳ sinh trưởng của cây. Tăng quang hợp vào mùa xuân và mùa hè dẫn đến lão hóa sớm hơn, khiến cho lá mùa thu rụng sớm hơn.

Giảm sút bể chứa carbon chính là yếu tố quyết định sự lão hóa của lá

Trước đây, rất khó dự báo chính xác mùa tăng trưởng của cây vì các yếu tố dẫn đến việc lá cây già đi chưa được hiểu đầy đủ. Đến nay, các nhà khoa học cho rằng khi mùa hè qua đi, thời tiết mùa thu làm cho nhiệt độ thấp xuống, ngày ngắn lại. Đây là những yếu tố chính làm cho lá cây suy giảm sức sống. Một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng sự phát triển của lá trong mùa xuân có ảnh hưởng đến việc lụi tàn của lá khi thu sang.

"Nhưng vì các cơ chế này quan trọng đến mức nào thì chúng ta vẫn chưa hiểu hết nên các mô hình vật hậu học chỉ có thể vận dụng các tác động này phần nào mà thôi." - Tiến sĩ Constantin Zohner, trưởng nhóm nghiên cứu của ETH Zurich cho biết.

Mối liên hệ giữa vật hậu học mùa thu và mùa xuân có thể được giải thích bằng hoạt động quang hợp, hay chính xác hơn là hiện tượng giảm sút bể chứa carbon. Trong giả thuyết này, khi đất khan hiếm chất dinh dưỡng như là nitrogen chẳng hạn, thì lượng CO₂ mà cây hấp thụ trong mùa thu cũng bị giảm sút. Cây càng hấp thụ nhiều carbon trong mùa xuân và mùa thu thì mùa lá úa tàn càng sớm bắt đầu.

Từ lâu người ta đã biết đến vai trò này của quang hợp trong việc kiểm soát sự lão hóa của lá, ví dụ như ở các loài cây lương thực thu hoạch theo vụ mùa, nhưng chưa bao giờ được thí nghiệm ở các loài cây khác. Chính vì thế các nhà khoa học ở ETH Zurich đã tiến hành nghiên cứu các yếu tố quyết định vật hậu học bằng cách vừa kết hợp quan sát thực địa với các thí nghiệm và các mô hình trong phòng thí nghiệm.

Tác động mạnh của quang hợp

Qua quan sát lâu dài 6 loài cây rụng lá theo mùa ở châu Âu trong 6 thập kỷ qua, các nhà khoa học đã có cơ sở để tiến hành nghiên cứu này. Từ các dữ liệu thu thập được, nhóm của Tiến sĩ Zohner đã thử nghiệm ảnh hưởng tương đối của các yếu tố khác nhau đối với thời gian lá cây úa tàn vào mùa thu, trong đó có các yếu tố: sự sinh trưởng mạnh của lá vào mùa xuân, quang hợp theo mùa, nồng độ CO₂, nhiệt độ và lượng mưa.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn tiến hành một loại thí nghiệm với cây non ngoài trời và trong lồng thí nghiệm để có thể phân biệt các tác động của nhiệt độ, ánh sáng ban ngày và nồng độ CO₂ ảnh hưởng như thế nào đến mối tương quan giữa quang hợp và sự già đi của lá.

Quan sát lâu ngày cũng cho thấy tác động mạnh mẽ của quang hợp: trong những năm lá cây quang hợp nhiều vào mùa xuân và mùa hè, lá già đi sớm hơn ở mức cứ tăng 10% hoạt động quang hợp thì dẫn đến lá già đi sớm 8 ngày. Các thí nghiệm đã khẳng định thêm cho các phát hiện này.

Mô hình mới dự báo chính xác hơn

Nghiên cứu cho thấy quang hợp theo mùa, nhiệt độ mùa thu và độ dài của ngày là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự già đi của lá. Một số yếu tố khác như nồng độ CO₂ trong không khí, nhiệt độ mùa hè, cường độ ánh sáng và lượng mưa cũng có ảnh hưởng nhưng chỉ ảnh hưởng gián tiếp thông qua việc chúng ảnh hưởng đến quá trình quang hợp.

Mùa thu ấm lên do biến đổi khí hậu khiến cho quá trình già đi của lá bị chậm lại. Tuy nhiên, tác động này bị chặn lại bởi quang hợp tăng lên vào mùa xuân và mùa hè thông qua việc tăng nồng độ CO₂, mùa hè ấm hơn và lá cây phát triển sớm hơn.

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một mô hình vật hậu học mùa thu mới có tính đến tất cả các yếu tố này ở mức ảnh hưởng của từng yếu tố. Mô hình mới giúp họ dự đoán thời gian lá già đi vào mùa thu với mức độ chính xác tăng 42% so với các mô hình cũ. Các dự báo trước đây cho rằng thời điểm lá cây già đi sẽ xuất hiện chậm 2 đến 3 tuần vào cuối thế kỷ này, nhưng mô hình mới cho kết quả ngược lại, tức là nếu quang hợp tiếp tục tăng lên thì lá cây sẽ già đi sớm hơn từ 3 đến 6 ngày so với hiện nay. Điều đó có nghĩa là mùa cây phát triển sẽ kéo dài thêm từ 8 đến 12 ngày vào cuối thế kỷ này.