Sinh học tự nhiên của thực vật

Dù rằng có một vài ngoại lệ, nhìn chung thực vật không lấy nguồn lương thực từ những sinh vật khác để làm nguồn năng lượng và cấu tạo các phần cơ bản cho chúng để sống, tăng trưởng và tái tạo. Thay vào đó, thực vật sử dụng chu trình quang hợp để lấy năng lượng, hấp thụ nguồn dinh dưỡng trực tiếp từ môi trường chung quanh. Cách sinh trưởng tự phát này giúp cho thực vật phát triển và nảy nở ở khắp mọi địa bàn, để trở thành điều hổ trợ căn bản cho nhiều loài sinh vật cao cấp khác và tạo thành dây chuyền nguồn thực phẩm. Thực vật chính là nhà sản xuất hơn là nhà tiêu thụ, chúng sản xuất nguyên liệu sinh học hơn là tiêu thụ. Bản thân thực vật bị động vật ăn cỏ dùng làm thức ăn, đến lược đông vật này lại bị động vật ăn thịt làm thức ăn. Tóm lại, thực vật đóng một vai trò quan trọng trong thế giới tự nhiên của nguồn thực phẩm hàng loạt loài động vật khác nhau không thể tồn tại được.


Oxy được tạo ra trong suốt quá trình quang hợp có thể được thấy rõ ràng khi xem lá cây lá trầu “Echidorus sp”. Oxy này là chất được thải ra và được phóng thích trở lại nước và được các loài sinh vật khác sử dụng.

Thực vật phát triển trên mặt đất trước khi đi vào sống dưới nước cho dù cây thủy sinh khá thích hợp với môi trường dưới nước, nhiều lý tính đặc trưng nói lên cội nguồn của chúng có liên quan đến tổ tiên chúng sống trên mặt đất. Nhiều tính đặc trưng khác đã biến mất theo chu trình tiến hóa; nhiều lá rậm để giữ độ ẩm và những cuốn lá cứng, chắc dùng hổ trợ cho lá tỏ ra không cần thiết trong điều kiện dưới nước. Nói trái lại cây thủy sinh đã phát triển một ít đặc tính để hổ trợ đời sống dưới nước. Nhiều loài cây thủy sinh dựa vào sự sản sinh các hóa chất lấy từ đáy nền được cây dùng làm dưỡng chất, và những hóa chất được dùng để bảo vệ chống lại sự xâm hại do động vật và sự cạnh tranh từ các loài cây khác. Những sự thay đổi lý tính cũng có thể thấy được trong sự phát triển cấu trúc lá hỗn hợp được thiết lập làm tối ưu lượng ánh sáng do cây nhận được, cho phép cây sống được trong những điều kiện khắc nghiệt dưới nước.

Hãy xem đặc tính sinh học và cấu trúc của các loài cây thủy sinh giúp chúng ta hiểu rõ tại sao một vài điều kiện phải có trong một hồ thủy sinh nếu chúng ta muốn cho cây thủy sinh sống được. Một sự hiểu biết nhiều hơn về chức năng của cây thủy sinh cũng sẽ giúp xác định được nguyên nhân và giải pháp cho các vấn đề đặt ra có liên quan khi duy trì cây thủy sinh trong hồ.


Quang hợp.
Chức năng độc đáo mà thực vật có được là khả năng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời, carbon dioxide, và nước qua chu trình quang hợp. Các tế bào quang hợp trong lá và các mô từ cuốn lá chứa các sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng để phá vỡ cấu trúc phân tử nước thành hy-dro và oxy. Trước tiên hy-dro và sau đó oxy tác dụng với carbon dioxide để tạo thành đường glucose là loại đường cơ bản và một nguồn quan trọng để tạo ra năng lượng. Một lượng oxy thoát ra ngoài trong quang hợp và tan trở lại trong nước, tại đó chúng được các loài vi khuẩn hay động vật tiêu thụ hoặc được phóng thích khỏi mặt nước bay vào bầu khí quyển.

Đường glucose sản sinh từ quang hợp là chất nước lỏng dễ tan, và nếu lưu trữ một số lượng lớn, cây sẽ hấp thụ nước và làm trương các tế bào có chứa chúng. Một điều hiển nhiên là cây không thể lưu giữ tình trạng này, thế là đường glucose nhanh chóng chuyển hóa thành tinh bột và chuyển đến các bộ phận khác của cây để tích trữ, trong mọi trường hợp là phần trên rễ cây. Một vài loại cây có thể tích trữ tinh bột trong những cấu trúc rễ đăc biệt định sẵn. Một trong những thí dụ điển hình rõ ràng là cây chuối (Nymphoides aquatica), chúng mọc ra rất nhiều rễ có hình dạng giống trái chuối để tích trữ tinh bột và các dưỡng chất khác. Đa số cây tích trữ tinh bột trong những nốt rễ, thân rễ và cũ rễ. Tinh bột dễ dàng được chuyển hóa trở lại thành đường glucose và đưa đi khắp cây khi cần.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp.
Một cây chỉ kiểm soát ít tỉ lệ của quang hợp xảy ra trong các tế bào. Một số yếu tố môi trường ảnh hưởng đến việc sinh sản tế bào quang hợp đó cũng luôn chính là yếu tố trong việc ít cung cấp làm hạn chế tỉ lệ của quang hợp. Mục đích chính trong hồ thủy sinh là loại bỏ những trở ngại cho quang hợp nhằm đạt được mức độ tỉ lệ tối ưu. Tỉ lệ quang hợp nhiều hơn tạo điều kiện cho cây tăng trưởng, sinh sản nhanh hơn và làm cho cây tươi tốt hơn. Ánh sáng là yếu tố hiển nhiên nhất, tuy nhiên nhiệt độ, mức độ carbon dioxide khác nhau, và dưỡng chất sẵn có cũng ảnh hưởng đến tỉ lệ quang hợp.

Ánh sáng.
Cây chỉ quang hợp khi nhận được ánh sáng thích hợp để tạo điều kiện cho các tế bào quang hợp hấp thụ được. Vào ban đêm,cây ngừng quang hợp và chỉ khởi động lại vào ban ngày. Cường độ và khoảng thời gian của ánh sáng là những yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ quang hợp. Trong tự nhiên, phần lớn các cây nhiệt đới thường tiếp nhận ánh sáng mặt trời khoảng 12 giờ trong thời gian 24 giờ của 1 ngày. Cường độ ánh sáng thay đổi suốt ngày. Tùy thuộc vào vị trí và độ bóng râm của cây, cường độ ánh sáng mạnh nhất ở chỗ thoáng xoay quanh thời điểm giữa trưa. Trong hồ thủy sinh, cùng độ dài thời gian nêu trên cũng được áp dụng, và trong mọi trường hợp có nguồn ánh sáng chói là thích hợp được. Nếu để ánh sáng trong thời gian lâu hơn, thời gian quang hợp cũng tăng theo. Điều này đưa đến hậu quả cây quang hợp quá mức và sẽ trở nên tệ hại do chính bản thân kiệt sức.

Nhờ vào các yếu tố khác có sẳn trong việc cung cấp đúng, tỉ lệ quang hợp tương xứng với cường độ ánh sáng do cây nhận được cho đến khi đạt đến điểm bảo hòa ánh sáng. Những cây thường phát triển chậm trong thiên nhiên thường là mọc ở vùng bóng râm có thể có vấn đề khi trải qua điều kiện có được ánh sáng mạnh. Các loại cây này sẽ hấp thụ dưỡng chất và carbon dioxide ở mức độ thấp hơn, vì thế một sự gia tăng quang hợp được thúc đẩy dựa trên ánh sáng chói có thể tạo nguyên nhân suy giảm dưỡng chất chứa trong cây, ngay cả ảnh hưởng một số lớn dưỡng chất sẵn có tại môi trường chung quanh.

Nhiệt độ.
Hơi nóng làm ảnh hưởng đến quá trình sinh học bên trong một sinh vật và nhờ vào sự thay đổi của nhiệt độ mà sinh vật thích nghi dần, một sự gia tăng nhiệt độ thường tạo nên sự trao đổi chất. Bên trong cây, một sự gia tăng 10 O C sẽ lập tức làm tăng gấp đôi tỷ lệ quang hợp, thừa nhận các yếu tố khác thuân lợi phát triển. Tuy nhiên, nếu môi trường chung quanh trở nên quá ấm, cây sẽ bắt đầu chết đi, và quang hợp sẽ chấm dứt .Một sự gia tăng nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến quang hợp, mà còn ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình trao đổi chất của một cây, Vì thế cho nên điều đó cũng làm tăng nhu cầu dưỡng chất, carbon dioxide, và các thành phần khác của cây. Chính vì lý do đó một sự tăng nhẹ nhiệt độ của hồ thủy sinh để giúp cho cây quang hợp, và như thế cây tăng trưởng không giống như làm việc. Nếu một hồ thủy sinh đặt ở nhiệt độ căn cứ vào môi trường tự nhiên của cây thời kỳ kém phát triển, hoặc cần gia tăng tỷ lệ phát triển, có thể được giải thích rõ hơn hoặc đạt được qua sự quan sát các yếu tố giới hạn khác.

Carbon dioxide.
Cây nhận carbon dioxide từ nước và đáy nền chung quanh. Nếu không đủ số lượng carbon dioxide cần có, nhiều loài cây phát sinh nhiều cách lấy nhiều hỗn hợp có chứa carbon và tự tạo nguồn carbon dioxide. Điều này xảy ra nhiều hơn trong các loài cây nước nặng, gồm loài Vallisneria và Egeria, chúng quen với mức độ carbon dioxide thấp trong thiên nhiên. Trong nước nặng, carbon dioxide thích kết lại với các khoáng chất, tạo thành carbonate, nhiều loài cây sẽ hấp thụ các carbonate này, phá vỡ cấu trúc chúng, làm cho carbon trở thành carbon dioxide.

Cây thường mọc lá trên mặt đất tự hấp thụ khí carbon dioxide từ bầu khí quyển là nơi có chứa với số lượng tập trung nhiều hơn. Cây nổi trên mặt nước liên tục tiêp xúc với không khí, vì thế chúng nhận được dễ dàng carbon dioxide từ không khí ở chung quanh qua các lá cây cũng giống như các loài cây trồng trên mặt đất. Một vài loại thân cây cũng sinh sản ra lá hoặc cuống lá tiếp xúc không khí nằm trên mặt nước. Không khí thấm qua trung tâm cuống lá để vừa tiếp nhận carbon dioxide vừa oxýt hóa vùng rễ cây.

Trong hầu hết hoàn cảnh tự nhiên, thiếu carbon dioxide làm giới hạn quang hợp và làm trở ngại trầm trọng phát triển cây thủy sinh. Trong hồ thủy sinh, người chơi thủy sinh phải kiểm soát thường xuyên mức độ carbon dioxide và có thể thực hiện ở mức độ cao liên tục bằng hệ thống tạo carbon dioxide.

Dưỡng chất có sẵn.
Các sắc tố quang hợp – thường là chất diệp lục - do cây sinh sản nằm trong các tế bào. Để làm được điều này, một số dưỡng chất cần thiết như magnesium (Mg), potassium (K), sắt (Fe), và đạm (N). Các dưỡng chất này và các chất gián tiếp khác là nguồn sống cho sinh sản và sử dụng liên tục của sắc tố quang hợp và tế bào chứa chúng. Một sự thiếu hụt lớn của bất kỳ các dưỡng chất này có thể thường được xem như là sự phai màu hay là sự thay đổi màu lá giống như sự sinh sản của sắc tố diệp lục bị ảnh hưởng.

Quang hợp và màu lá.
Màu sắc của một vật mà chúng ta nhận thấy được do các sắc tố sinh sản ra phản ánh một vài bước sóng của ánh sáng. Một sắc tố màu xanh lá cây sẽ hấp thụ được hầu hết quang phổ ánh sáng ngoại trừ vùng xanh lá cây, khi được phản ánh tạo ảnh hiện ra màu xanh lá cây. Sắc tố quang hợp xanh lá cây trong đa số các loài cây là sắc tố diệp lục được tích trữ trong những ô được gọi là ô diệp lục nằm trong các tế bào của cây. Sắc tố diệp lục được sinh sản với khối lượng nhiều nhất tại những vị trí mà cây nhận nhiều ánh sáng nhất, chủ yếu là từ các lá cây. Rễ cây không nhận ánh sáng chút nào vì ở đáy nền, do đó chúng không chứa sắc tố diệp lục và thế là chúng không xuất hiện màu xanh lá cây.


Cây hàm ếch (lá lốt nước )”Saururus cernuus “ đang dương thẳng các lá lên trên mặt nước, từ nơi này, chúng hấp thụ carbon dioxide trực tiếp từ không khí. Những lá chìm trong nước to hơn và mỏng hơn các lá ngoài trời.


hoa loa kèn nhiệt đới (Nymphaea sp) mọc lá trên mặt nước để dễ dàng tiếp nhận carbon dioxide và ánh sáng mặt trời. Chúng còn che chở cho các sinh vật sống dưới nước khác.

Như chúng ta vừa thấy trên đây, cây đón nhận rất ít tỉ lệ quang hợp trong phạm vi các tế bào của chúng và chỉ quang hợp hóa với vận tốc có thể nhanh nhất, tùy thuộc vào các điều kiện môi trường. Trong điều kiện chói lòe, một cây có thể nhận lượng ánh sáng nhiều hơn là nó cần để sinh sản đủ lượng đường glucose. Nếu điều này xảy ra liên tục trong địa bàn của cây, cây có thể tự thích nghi phát sinh ra phương pháp quang hợp hóa khác với tốc độ chậm hơn. Điều này thường bao gồm việc sử dụng một sắc tố quang hợp khác ít hiệu quả dưới nước cho việc quang hợp. Các sắc tố thứ hai này gọi là sắc tố tiền cảm biến và làm biến đổi màu sắc từ màu vàng nhạt sang màu đỏ đậm. Tùy thuộc vào điều kiện ánh sáng cây thường quen chịu đựng, là sẽ thay đổi màu sắc và có thể xuất hiện có giới hạn màu xanh lá, màu nâu , màu cam hay màu đỏ khác nhau. Một vài loài cây luôn giử đúng y một thứ màu, trong khi đó một vài loài cây khác có thể thay đổi màu sắc tùy theo điều kiện ánh sáng. Trong hồ thủy sinh, nhìn màu lá của cây có thể giúp lắp đặt đèn cho ánh sáng cở nào mà cây đòi hỏi. Một cây sinh sản ra màu là đo đỏ có thể thích hợp với điều kiện ánh sáng chói lọi trong thiên nhiên và sẽ cần điều kiện giống như vậy trong hồ thủy sinh để quang hợp phù hợp. Đôi khi, mới đầu cây màu đỏ mọc ra lá màu xanh, nhưng sau đó chuyển sang màu đỏ. Nếu chúng ngừng chuyển sang màu đỏ hay quay trở lại để chuyển sang màu xanh lá, điều này báo hiệu cho biết cường độ ánh sáng trong hồ thủy sinh cao chưa đủ. Ngược lại trong điều kiện ánh sáng quá chói, các cây có màu xanh có thể bắt đầu mọc lá màu đỏ, tuy nhiên điều này không thể được xem như là dấu hiệu cho biết rằng ánh sáng quá chói.

Một vài loài cây, đặc biệt là nhóm cây ẩn hoa, mọc lá màu nâu. các loài cây này thương thấy ở trong các suối cạn với loài rau quả thân leo và có thể phát triển cách sử dụng các sắc tố quang hợp hiệu quả hơn qua việc sử dụng vùng màu xanh của quang phổ. Trường hợp này có vẽ khả quan hơn trong một môi trường bị che khuất bởi cây khác. Vì vậy, cây có lá màu nâu sẽ tương đối sống khõe trong vùng khuất của hồ thủy sinh. Trong nhiều trường hợp cây ẩn hoa có lá màu nâu sẽ phát triển lá màu xanh khi chúng được giữ trong vùng ánh sáng chói trong hồ thủy sinh. Sự thay đổi màu sắc xảy ra do sự thay đổi quang phổ từ môi trường tự nhiên của cây. Một sắc tố quang hợp màu xanh như sắc tố diệp lục có vẻ trở nên có ích hơn cho cây so với các sắc tố trước.


cây huyết tâm lan “Alternanthera reineckii” có màu lá nâu đỏ đặc trưng. Một sắc tố qung hợp màu đỏ có tác dụng kém khi dùng năng lượng ít, một biểu hiện cho biết cây này cần ánh sáng mạnh hơn.


lá màu xanh có lóm đóm xen màu đỏ của cây lá trầu “Echinodorus“ này chỉ ra cho biết rằng có hai sắc tố quang hợp riêng biệt. Trong ánh sáng chói, sắc tố màu đỏ tác dụng kém giúp giảm tỉ lệ quang hợp, trong khi đó in ánh sáng yếu, sắc tố màu xanh sẽ trải rộng ra làm tăng hiệu quả quang hợp.

Sự hô hấp và liều lượng Oxy.
Chu trình hô hấp xảy ra trong hầu hết sinh vật phức hợp và cũng xảy ra trong các tế bào thực vật. Trong suốt quá trình hô hấp, Oxy được hấp thụ và carbon dioxide được thải ra như là sản phẩm phụ. Phương trình hóa học của chu trình hô hấp là sự đảo ngược chuẩn xác của quang hợp, ngoại trừ trường hợp năng lượng mặt trời không tác dụng đến. Khác với quang hợp , hô hấp là một chu trình liên tục kể cả ban đêm. Vì vậy, quang hợp tích trữ lương thực ở những nơi hô hấp phóng thích năng lượng.

Hiểu biết hô hấp của cây là vấn đề quan trọng vì ở trong một hồ thủy sinh có trồng nhiều cây rậm, hô hấp có ảnh hưởng đáng kể đến lượng Oxy trong hồ. Trong bất kỳ vòng thời gian là 24 giờ, cây phóng thích ra lượng Oxy nhiều hơn, qua quang hợp hơn là cây sử dụng Oxy trong hô hấp. Đây là một nguyên nhân tai sao nhiều loài cây mọc nhanh hay quang hợp nhanh được bán làm cây tạo Oxy cho ao hồ hoặc là hồ thủy sinh. Tuy nhiên, cũng như cây, loài cá và vi sinh vật cũng hấp thụ liên tục Oxy qua hô hấp; thực ra vi sinh là nhà tiêu thụ lớn nhất lượng Oxy trong hồ thủy sinh. Trong thời gian tối om, một hồ thủy sinh có trồng nhiều cây rậm có thể nhanh chóng tiêu thụ nhanh lượng Oxy đến mức độ thấp mà loài cá nhận thấy khó chịu do thiếu hụt Oxy. Điều này cũng thường gặp đối với các hồ thủy sinh có trồng nhiều cây rậm ít thoáng khí hoặc nước ít di chuyển, và có thể điều chỉnh lại bằng cách tăng lượng Oxy suốt thời gian tối om. Không khí thoáng một chút hoặc bơm trên mặt nước mạnh bằng máy bơm nước hoặc vách ngăn lọc luôn luôn cho đủ Oxy trong hồ thủy sinh trên mặt nước và ngăn ngừa được sự thiếu hụt Oxy. Cây thường không thích hợp lượng Oxy cao trong hồ thủy sinh vì điều đó sẽ làm giảm khả năng hấp thụ dưỡng chất. Điều này cũng có nghĩa là bơm khí liên tục trong hồ thủy sinh có trồng cây không có ích và chỉ có lợi vào ban đêm khi mà sự thiếu hụt Oxy xảy ra. Mục đích là cân bằng nhu cầu giữa cây và cá trong hồ thủy sinh có cây trồng.