Đại dương tạo ra khoảng một nửa oxy trên Trái Đất bằng cách nào?

Một sinh vật nhỏ đến mức mắt thường không nhìn thấy có thể góp phần tạo ra tới 20% lượng oxy của toàn bộ sinh quyển: đó là vi khuẩn Prochlorococcus. Nhưng câu trả lời cho câu hỏi đại dương tạo ra bao nhiêu oxy không thể là một con số cố định, vì các quần thể sinh vật phù du và tốc độ quang hợp luôn thay đổi theo mùa, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian trong ngày và thủy triều. NOAA ước tính ít nhất một nửa lượng oxy được tạo ra trên Trái Đất có nguồn gốc từ đại dương, chủ yếu nhờ các sinh vật phù du quang hợp ở lớp nước gần mặt biển. [1]

Điều này không có nghĩa toàn bộ lượng oxy ấy được đưa thẳng vào không khí để con người hít thở. Sinh vật biển cũng sử dụng oxy, còn xác sinh vật sau khi chết tiếp tục tiêu thụ oxy trong quá trình phân hủy. Vì vậy, cần tách hai câu hỏi: đại dương sản xuất oxy nhanh đến đâu, và bao nhiêu oxy thực sự được tích lũy trong khí quyển. [1]

Ai đang tạo ra oxy dưới mặt biển?

Ở lớp nước gần bề mặt, ánh sáng cung cấp năng lượng cho các sinh vật quang hợp. Nhóm này gồm thực vật phù du, tảo và một số vi khuẩn trôi nổi theo dòng nước. Chúng hấp thụ năng lượng ánh sáng để thực hiện quang hợp, qua đó tạo ra oxy. Vì số lượng của chúng rất lớn và phân bố trên diện tích đại dương rộng, tổng sản lượng oxy của chúng có thể vượt xa hình dung quen thuộc về những khu rừng lớn trên đất liền. [1]

Một chi tiết đặc biệt là phần lớn “nhà máy oxy” dưới biển không phải những cây lớn hay rong biển dễ nhận ra, mà là các sinh vật phù du cực nhỏ. Prochlorococcus là một vi khuẩn quang hợp được NOAA mô tả là sinh vật quang hợp nhỏ nhất trên Trái Đất. Dù kích thước rất nhỏ, loài này có thể đóng góp tới 20% lượng oxy trong toàn bộ sinh quyển, một tỷ lệ cao hơn tổng đóng góp của tất cả các khu rừng mưa nhiệt đới trên đất liền cộng lại. [1]

Vì sao con số thường là “khoảng một nửa”?

Các nhà khoa học không thể đặt một thiết bị duy nhất xuống biển rồi đo toàn bộ oxy được tạo ra trên hành tinh. Đại dương là một hệ thống liên tục biến đổi: nơi có nhiều sinh vật phù du hôm nay có thể khác vào mùa khác, còn tốc độ quang hợp cũng thay đổi khi điều kiện nước thay đổi. Vì thế, con số khoảng một nửa là một ước tính ở quy mô toàn cầu, không phải tỷ lệ bất biến cho mọi thời điểm và mọi vùng biển. [1]

Ảnh vệ tinh giúp theo dõi sự hiện diện và phân bố của các sinh vật phù du quang hợp trên bề mặt. Từ những thay đổi quan sát được, các nhà khoa học có thể ước tính mức độ quang hợp đang diễn ra. Tuy nhiên, ảnh vệ tinh không cho biết toàn bộ câu chuyện: chúng khó phản ánh đầy đủ những gì xảy ra bên dưới lớp nước nhìn thấy, cũng như các biến động theo thời gian trong ngày và theo thủy triều. Vì vậy, kết quả cuối cùng phải được hiểu là một khoảng ước tính thay đổi, không phải phép đếm chính xác từng phân tử oxy. [1]

Mùa, nhiệt độ và chất dinh dưỡng thay đổi điều gì?

Số lượng sinh vật phù du không cố định. NOAA cho biết quần thể này thay đổi theo mùa và phản ứng với lượng chất dinh dưỡng trong nước, nhiệt độ cùng những yếu tố khác. Khi các điều kiện phù hợp, sinh vật phù du có thể phát triển mạnh hơn, làm tăng hoạt động quang hợp ở khu vực đó. Khi điều kiện kém thuận lợi, số lượng và hoạt động của chúng có thể giảm. [1]

Có thể hình dung điều này như một cánh đồng thay đổi năng suất theo thời tiết, nhưng đại dương phức tạp hơn nhiều: “cánh đồng” ấy trôi nổi, trải rộng và thay đổi theo từng vùng nước. Một vùng biển giàu chất dinh dưỡng không tự động có cùng sản lượng oxy với mọi vùng khác, bởi nhiệt độ, ánh sáng và các điều kiện đi kèm cũng tham gia quyết định tốc độ quang hợp. Đây là lý do một phép đo tại một địa điểm không thể đại diện nguyên trạng cho toàn bộ đại dương. [1]

Ngay cả lượng oxy ở một vị trí cụ thể cũng có thể thay đổi theo thời gian trong ngày và theo thủy triều. Do đó, khi so sánh các phép đo, cần biết chúng được thực hiện ở đâu và vào thời điểm nào. Một con số không kèm bối cảnh thời gian và địa điểm dễ tạo cảm giác chính xác hơn thực tế. [1]

Oxy tạo ra có được giữ lại trong khí quyển không?

Không phải toàn bộ oxy do đại dương tạo ra đều trở thành phần oxy tích lũy lâu dài trong khí quyển. Sinh vật biển sử dụng oxy để hô hấp; cả thực vật và động vật đều dùng oxy cho quá trình hô hấp tế bào. Khi thực vật phù du và động vật biển chết, quá trình phân hủy cũng tiêu thụ oxy. NOAA lưu ý rằng lượng oxy được đại dương tạo ra và lượng bị sinh vật biển sử dụng có thể xấp xỉ nhau. [1]

Điều này giúp phân biệt “sản lượng oxy” với “lượng oxy ròng được bổ sung”. Đại dương có thể tạo ra một lượng oxy rất lớn trong quá trình quang hợp, nhưng phần lớn được sử dụng lại trong chính hệ sinh thái biển. Phần lớn oxy con người hít thở đến từ nguồn oxy đã tích lũy trong khí quyển qua hàng trăm triệu năm, chứ không phải chỉ từ hoạt động quang hợp đang diễn ra ngay tại thời điểm đó. [1]

Khi nhà máy oxy biến thành vùng thiếu oxy

Hoạt động quang hợp mạnh không phải lúc nào cũng dẫn đến môi trường giàu oxy lâu dài. NOAA cảnh báo rằng khi các đợt nở hoa của tảo chết đi, quá trình phân hủy có thể tiêu thụ oxy nhanh hơn tốc độ oxy được bổ sung. Nồng độ oxy khi đó giảm xuống rất thấp, tạo thành vùng thiếu oxy, thường được gọi là “vùng chết” vì không đủ oxy để duy trì phần lớn sinh vật biển. [1]

Nghịch lý này cho thấy đại dương không chỉ là nơi sản xuất oxy, mà còn là một hệ thống trao đổi và tiêu thụ oxy liên tục. Cùng một mạng lưới sinh vật phù du có thể góp phần vào sản lượng oxy toàn cầu, trong khi sự chết và phân hủy tập trung tại một khu vực lại gây sức ép lên hệ sinh thái nơi đó. Trung tâm Quốc gia về Khoa học Đại dương Ven biển của NOAA nghiên cứu và dự báo các đợt nở hoa của tảo cùng tình trạng thiếu oxy nhằm giảm tác động đến môi trường biển và con người. [1]

Điều con số ấy thực sự nói lên

Câu “đại dương tạo ra khoảng một nửa oxy trên Trái Đất” đúng ở cấp độ ước tính toàn cầu, nhưng không nên được hiểu như một tỷ lệ cố định cho từng ngày hay từng vùng biển. Ý nghĩa quan trọng hơn nằm ở cơ chế phía sau: những sinh vật phù du vô hình, trong đó có Prochlorococcus, thực hiện quang hợp trên quy mô rộng; còn thời tiết, mùa, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, ánh sáng và chuyển động của nước khiến sản lượng thay đổi liên tục. [1]

Nhìn theo cách này, đại dương không phải một bình oxy khổng lồ chỉ tạo ra rồi cất giữ thành phẩm. Đó là một hệ thống sống, nơi oxy được tạo ra, được sử dụng và bị tiêu thụ trong các quá trình phân hủy. Một con số gần đúng vì thế không làm phát hiện kém quan trọng; nó nhắc rằng quy mô toàn cầu chỉ có thể được hiểu bằng cách kết hợp quan sát rộng với việc thận trọng trước những biến động diễn ra bên dưới mặt nước. [1]