Khi các nhà khoa học lần đầu tiên, nghiên cứu cấu trúc các tế bào thần kinh tạo nên bộ não con người, họ đã ghi nhận sự tương đồng mạnh mẽ của chúng với cây cối.
Trên thực tế, ‘đuôi gai’, thuật ngữ để mô tả các hình chiếu từ một tế bào thần kinh, xuất phát từ chữ ‘Dendron’ trong tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “cây”.
Mặc dù, mối liên hệ về sự xuất hiện của các tế bào thần kinh được tạo ra cùng với cây cối, nhưng sự so sánh có thể phù hợp hơn: Các nhà khoa học đang bắt đầu phát hiện ra rằng, cây cối có hệ thống thần kinh riêng – có khả năng tạo điều kiện cho cây giao tiếp, ghi nhớ và học tập.
Rừng là hệ thống phức tạp
Rừng bao phủ 30% bề mặt trái đất. Rừng được gọi là “bể chứa carbon” vì cây cối hấp thụ Carbon dioxide (CO2) từ không khí, lưu trữ Carbon và thở ra oxy.
Các nhà khoa học đã tận dụng đặc tính này để đo lường tỷ lệ giữa 2 dạng Carbon xuất hiện tự nhiên (đồng vị Carbon 12 và Carbon 14) để ấn định tuổi cho cây, một kỹ thuật được gọi là xác định niên đại bằng đồng vị Carbon.
Sử dụng kỹ thuật này, các nhà khoa học phát hiện ra rằng, những cây sống trong rừng, có xu hướng sống lâu hơn những cây sống trong môi trường đô thị – thường bị cô lập.
Các nhà khoa học nghiên cứu về cây thân gỗ (Dendrologists), nghĩ rằng có lẽ những cây sống cùng nhau đã giúp đỡ lẫn nhau, bằng cách gửi ‘tài nguyên’ qua rễ của chúng.
Để kiểm tra, trong các khu rừng ở Bắc Mỹ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là truy tìm đồng vị Carbon.
Trong thí nghiệm này, họ đã bơm khí Carbon dioxide (CO2) – với đồng vị Carbon 14 – ‘được đánh dấu phóng xạ’ vào thân cây Bạch dương (Hình 1).
Khi những cây Linh sam gần đó được che phủ bằng vải bóng râm, để ngăn chặn khả năng thu nhận chất dinh dưỡng thông qua quá trình quang hợp của chúng, các nhà khoa học đã tìm thấy hàm lượng Carbon 14 được đánh dấu phóng xạ cao hơn trong thân cây Linh sam, nghĩa là chúng phải nhận được từ cây Bạch dương.
Những thí nghiệm này đã xác nhận rằng, cây cối thực sự đang giao tiếp với nhau và chia sẻ chất dinh dưỡng qua rễ của chúng, tạo thành một hệ thống phức tạp đôi khi được gọi là “mạng lưới giao tiếp của cây – Wood wide web”.
Điều kỳ diệu của tự nhiên
Mạng lưới phức tạp này, kết nối các cây với nhau, phụ thuộc vào mối quan hệ cộng sinh với các vi sinh vật trong đất như nấm và vi khuẩn.
Cộng sinh là khi 2 sinh vật riêng biệt hình thành mối quan hệ cùng có lợi với nhau.
Nấm có thể bao phủ một diện tích bề mặt lớn, bằng cách phát triển các sợi nấm màu trắng. Sợi nấm lan ra trên ngọn rễ cây bằng cách hấp thụ đường từ cây và cung cấp lại các khoáng chất quan trọng cho cây, chẳng hạn như nitơ và phốt pho (hình 2). Mối quan hệ cộng sinh này giữa rễ cây và nấm được gọi là mạng lưới nấm rễ (tiếng Hy Lạp, Myco, “nấm” và Rhiza, “rễ”).
Để xác định các loài cấu thành mạng lưới nấm rễ, các nhà khoa học đã sử dụng những tiến bộ công nghệ gần đây trong giải trình tự DNA và phân tích dữ liệu lớn.
Các nhà vi trùng học đã xác định được các loài nấm và vi khuẩn khác nhau hình thành mối quan hệ cộng sinh với các loài cây khác nhau.
Các nhà khoa học tin rằng, tất cả các cây đều có mạng lưới nấm rễ, nhưng các cây chỉ giao tiếp với nhau nếu các loài nấm và vi khuẩn cấu thành mạng lưới nấm rễ của chúng giống nhau.
Sự kết hợp phổ biến nhất của nấm tạo thành mạng lưới Arbuscular Mycorrhizal (AM), được phát hiện là rất quan trọng đối với sự hấp thu chất dinh dưỡng ở 65% của tất cả các loại cây và loài thực vật.
35% các loài cây và thực vật còn lại có thể – có sự kết hợp của các loại nấm khác tạo nên mạng lưới của chúng.
Bằng cách điều tra các tương tác khác nhau giữa các loài cây, các nhà khoa học phát hiện ra rằng, cây tận dụng những điểm tương đồng và khác biệt trong “lớp trang điểm” vi sinh vật của chúng, để nhận ra những cây khác loài, chúng ưu tiên chia sẻ chất dinh dưỡng với cây cùng loài thông qua mạng lưới mycorrhizal.
Hành vi này, được gọi là “nhận dạng họ hàng”, gần đây đã được khám phá khi nhiều họ cây Linh sam được trồng trong một khu đất và các thí nghiệm theo dõi Carbon chỉ ra rằng, các cây trong cùng một họ chia sẻ nhiều Carbon so với cây khác họ.
Các nhà khoa học vẫn đang điều tra lý do tại sao điều này lại xảy ra, nhưng có giả thuyết cho rằng, tất cả các loài thực vật đều tiến hóa để có sự nhận dạng họ hàng cho mục đích sinh sản.
Tương tự, có sự trao đổi chéo giữa các loài cây khác nhau có chung mạng lưới rễ nấm, chẳng hạn như giữa cây Bạch dương và cây Linh sam (Hình 3). Giao tiếp giữa các cây giữa các loài đã được chứng minh là làm tăng sức khỏe và khả năng phục hồi của cây.
Mạng lưới mycorrhizal cực kỳ quan trọng đối với sức khỏe của cây trong thời kỳ nguy hiểm.
Một số loài nấm có thể tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng phục hồi của cây đối với một số tác nhân gây ‘căng thẳng’ từ môi trường như động vật ăn thịt, độc tố và vi khuẩn gây bệnh xâm nhập hệ sinh thái.
Bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là Allelopathy, trong đó tín hiệu hóa học được gửi qua mạng lưới rễ nấm, cây cối có thể cảnh báo hàng xóm của chúng về kẻ săn mồi xâm lấn hoặc ngăn chặn sự phát triển của các loài thực vật xâm lấn.
Những cây xung quanh sau đó có thể tự bảo vệ mình bằng cách giải phóng các hormone hoặc hóa chất dễ bay hơi, để ngăn chặn những kẻ săn mồi hoặc bọ gây bệnh.
Người ta thậm chí còn phát hiện ra rằng, cây cối có thể gửi tín hiệu căng thẳng đến những cây gần đó sau một sự xáo trộn rừng lớn, chẳng hạn như nạn phá rừng.
Biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật rừng
Cây cối dựa vào một hệ sinh thái rừng lành mạnh để phát triển và tự bảo vệ mình khỏi nguy hiểm. Con người dựa vào một hệ sinh thái rừng khỏe mạnh để có thể hít thở oxy sạch.
Hiện tại, hàng triệu người trên khắp thế giới đã trải qua những tác động tàn phá của biến đổi khí hậu.
Biến đổi khí hậu không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe và phúc lợi của con người mà còn ảnh hưởng đến hệ sinh thái của các đại dương và rừng.
Phá rừng góp phần vào sự thay đổi khí hậu, bằng cách giảm số lượng cây xanh có thể hấp thụ Carbon dioxide (CO2). Phá rừng không chỉ loại bỏ những cây bị chặt mà còn ảnh hưởng đến những cây còn sống, bằng cách phá vỡ mạng lưới nấm rễ quan trọng đối với sự giao tiếp giữa các cây.
Những thay đổi về khí hậu, thể hiện qua hạn hán gia tăng và nhiệt độ khắc nghiệt, có thể phá vỡ thêm tính đa dạng sinh học của vi khuẩn trong rừng.
Sự suy giảm đa dạng sinh học này, được gọi là sự tiến hóa, với bàn tay của con người, hay “chọn lọc phi tự nhiên”.
Khi đó, hệ vi sinh vật trong rừng bị thay đổi có thể thay đổi chất dinh dưỡng mà cây có thể nhận được và những thay đổi về hình thái của cây sẽ xảy ra, đặc biệt là hình dạng của lá.
Điều này sẽ làm thay đổi khả năng quang hợp của cây. Ví dụ, những chiếc lá nhỏ hơn có diện tích bề mặt hấp thụ ánh sáng ít hơn, điều này sẽ tác động tiêu cực đến khả năng hấp thụ ánh nắng mặt trời và sản xuất ‘đường bột’ thông qua quá trình quang hợp.
Nó có khả năng ức chế sự phát triển của cây và lượng Carbon mà cây có thể chia sẻ với hệ vi sinh vật – nấm. Hơn nữa, nếu không có mạng lưới nấm rễ ‘đa dạng sinh học’, cây cối ngày càng dễ bị phá hủy bởi các loài côn trùng xâm lấn, gây hại.
Một số nhà khoa học đang cố gắng chống biến đổi khí hậu, bằng cách sử dụng các kỹ thuật chỉnh sửa gen để khôi phục các hệ sinh thái đã tuyệt chủng và tạo các vi khuẩn tổng hợp quan trọng đối với hệ sinh thái tự nhiên.
Cây cối được coi là sinh vật sống lâu đời nhất trên hành tinh. Qua nhiều thế kỷ, chúng đã kiên cường trước những thay đổi của môi trường nhờ mối quan hệ cộng sinh với nấm và các vi khuẩn khác.
Còn rất nhiều khám phá nữa cần được thực hiện để hiểu được trí tuệ cổ xưa về các khu rừng và các vi khuẩn vô hình giữ cho hệ sinh thái tự nhiên được hài hòa.
Tác giả:
Valentina Lagomarsino là nghiên cứu sinh năm thứ nhất chương trình Khoa học y sinh – sinh học tại Đại học Harvard.
Hannah Zucker là ứng cử viên tiến sĩ năm thứ hai trong Chương trình khoa học thần kinh tại Đại học Harvard.
