Những sinh vật nào có thể quang hợp? Danh sách và đặc điểm

Những sinh vật có thể quang hợp gồm ba nhóm chính: thực vật, tảo và một số vi khuẩn (chủ yếu là vi khuẩn lam và vi khuẩn quang hợp không sinh oxy). Ngoài ra, khoa học còn phát hiện một số loài động vật đặc biệt như sên biển Elysia chlorotica cũng có khả năng quang hợp nhờ “đánh cắp” lục lạp từ tảo.

Những sinh vật nào có thể quang hợp?

Trong sinh giới, chỉ những sinh vật có sắc tố quang hợp (diệp lục hoặc khuẩn diệp lục) mới thực hiện được quá trình quang hợp. Các nhóm chính bao gồm thực vật, tảo và vi khuẩn có khả năng quang hợp. Chúng được gọi chung là sinh vật quang dưỡng (photoautotroph) — nghĩa là “tự dưỡng bằng ánh sáng”.

Theo Wikipedia tiếng Việt, sinh vật quang dưỡng sử dụng chlorophyll (ở thực vật, tảo, vi khuẩn lam) hoặc bacteriochlorophyll (ở vi khuẩn quang hợp không sinh oxy) để chuyển đổi năng lượng ánh sáng Mặt trời thành năng lượng hóa học. Một trường hợp đặc biệt hiếm gặp là sên biển Elysia chlorotica — loài động vật duy nhất được ghi nhận có khả năng quang hợp thực sự.

Thực vật — Nhóm sinh vật quang hợp phổ biến nhất

Thực vật là nhóm sinh vật quang hợp quen thuộc và đa dạng nhất, phân bố rộng khắp trên cạn lẫn dưới nước. Quá trình quang hợp ở thực vật diễn ra chủ yếu tại lục lạp trong tế bào lá, nơi chứa diệp lục hấp thụ ánh sáng Mặt trời để tổng hợp chất hữu cơ từ CO₂ và H₂O.

Các nhóm thực vật có khả năng quang hợp bao gồm:

• Thực vật có hoa (Angiosperm): Nhóm đa dạng nhất với hơn 300.000 loài, gồm cây thân gỗ, thân thảo, cây lương thực, cây ăn quả.
• Thực vật hạt trần (Gymnosperm): Các loài cây lá kim như thông, tùng, bách — quang hợp quanh năm ở vùng ôn đới.
• Dương xỉ và thực vật có bào tử: Nhóm không sinh hạt, phổ biến ở môi trường ẩm như rừng nhiệt đới.
• Rêu và địa y: Thực vật bậc thấp, thích nghi trong môi trường khắc nghiệt như đá, vỏ cây, vùng cực.

Điểm chung của các nhóm này là đều sử dụng chlorophyll a làm sắc tố chính, tạo ra oxy như sản phẩm phụ của quang hợp.

Tảo — Nhà sản xuất chính trong hệ sinh thái nước

Tảo là nhóm sinh vật quang hợp sống chủ yếu trong môi trường nước, đóng vai trò nhà sản xuất sơ cấp của hệ sinh thái thủy sinh. Theo dữ liệu từ AlgaeBase (tháng 1/2024), có khoảng 50.605 loài tảo còn sống được ghi nhận trên toàn thế giới. Tảo bao gồm từ vi tảo đơn bào đến đại tảo dài tới 50 mét như tảo bẹ khổng lồ (giant kelp).

Tảo lục (Chlorophyta)

Tảo lục chứa chlorophyll a và b giống thực vật bậc cao, vì vậy có màu xanh lá đặc trưng. Nhóm này gồm các loài đơn bào như Chlorella, Chlamydomonas và tập đoàn như Volvox. Tảo lục được coi là tổ tiên của thực vật trên cạn hiện đại.

Tảo nâu và tảo đỏ

Tảo nâu (Phaeophyceae) chứa sắc tố fucoxanthin tạo màu nâu, phổ biến ở vùng biển ôn đới như tảo bẹ, rong mơ. Tảo đỏ (Rhodophyta) chứa sắc tố phycoerythrin cho phép chúng quang hợp ở độ sâu lớn, nơi ánh sáng xanh lam xuyên tới — một số loài được dùng làm rau câu, thạch agar.

Tảo silic và tảo hai roi

Tảo silic (Diatom) là vi tảo có vỏ silica tinh xảo, chiếm 20–25% sản lượng quang hợp toàn cầu. Tảo hai roi (Dinoflagellate) phổ biến trong sinh vật phù du biển, một số loài cộng sinh với san hô tạo rạn san hô — hiện tượng tẩy trắng san hô xảy ra khi chúng bị trục xuất khỏi mô san hô.

Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) — Sinh vật quang hợp cổ xưa nhất

Vi khuẩn lam, còn gọi là tảo lam hoặc tảo lục lam, là nhóm sinh vật quang hợp xuất hiện sớm nhất trên Trái Đất. Chúng thuộc giới vi khuẩn (prokaryote) nhưng có khả năng quang hợp giải phóng oxy giống thực vật và tảo. Theo thuyết nội cộng sinh, lục lạp của thực vật và tảo nhân chuẩn tiến hóa trực tiếp từ vi khuẩn lam cổ đại.

Theo Wikipedia tiếng Việt, “loài vi khuẩn lam biển nhỏ bé thuộc chi Prochlorococcus được phát hiện năm 1986 chiếm trên 50% khả năng quang hợp của đại dương mênh mông”. Bằng chứng hóa thạch cho thấy vi khuẩn lam đã xuất hiện từ khoảng 2,7–3,5 tỷ năm trước và là sinh vật đầu tiên “bơm” oxy vào khí quyển Trái Đất, mở đường cho sự sống hiếu khí tiến hóa.

Vi khuẩn lam sống ở khắp mọi nơi — từ đại dương, nước ngọt, đất ẩm đến các môi trường khắc nghiệt như suối nước nóng, sa mạc và vùng cực. Một số loài còn cộng sinh với thực vật như bèo hoa dâu (Azolla), cung cấp nitơ cố định cho cây chủ và làm phân bón xanh trong nông nghiệp.

Vi khuẩn quang hợp không sinh oxy

Bên cạnh vi khuẩn lam, một nhóm vi khuẩn khác cũng có khả năng quang hợp nhưng không tạo ra oxy. Chúng sử dụng bacteriochlorophyll (khuẩn diệp lục) thay vì chlorophyll, và dùng các chất như hydro sulfide (H₂S) hoặc hợp chất hữu cơ làm nguồn electron thay cho nước. Nhóm này thường sống trong môi trường kỵ khí.

Vi khuẩn tía (Purple bacteria)

Vi khuẩn tía chia thành hai nhánh: vi khuẩn tía lưu huỳnh (Chromatiales) và vi khuẩn tía không lưu huỳnh (như chi Rhodopseudomonas, Rhodobacter). Chúng thường gặp ở suối nước nóng, ao tù, đầm lầy. Viện Công nghệ Sinh học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã phân lập 4 chủng vi khuẩn tía không lưu huỳnh để sản xuất chế phẩm thức ăn cho con giống thủy sản, với hàm lượng protein đạt khoảng 61%.

Vi khuẩn lục (Green bacteria)

Vi khuẩn lục gồm vi khuẩn lục lưu huỳnh (Chlorobiaceae) và vi khuẩn lục không lưu huỳnh (Chloroflexi). Chúng chứa các bacteriochlorophyll c, d hoặc e tập trung trong các cấu trúc gọi là chlorosome, giúp hấp thụ ánh sáng ở điều kiện cực thấp. Vi khuẩn lục lưu huỳnh là nhóm kỵ khí bắt buộc, trong khi vi khuẩn lục không lưu huỳnh linh hoạt hơn về nhu cầu oxy.

Sên biển Elysia chlorotica — Động vật quang hợp duy nhất được ghi nhận

Sên biển Elysia chlorotica, thường gọi là “sên mặt trời” hoặc sên biển xanh lục bảo, là loài động vật đa bào duy nhất được khoa học ghi nhận có khả năng quang hợp thực sự. Loài này sinh sống ở vùng đầm lầy nước mặn dọc bờ Đông Hoa Kỳ và Canada, có thân dài khoảng 2–6 cm, hình dáng giống chiếc lá.

Nhà sinh học Sidney Pierce (Đại học South Florida, Hoa Kỳ) cùng cộng sự đã nghiên cứu loài sên này hơn 20 năm. Nhóm phát hiện Elysia chlorotica ăn tảo Vaucheria litorea, giữ lại nguyên vẹn lục lạp và đưa vào tế bào ruột của mình — hiện tượng được gọi là kleptoplasty (đánh cắp lục lạp). Trong điều kiện được chiếu sáng 12 giờ mỗi ngày, sên có thể sống nhiều tháng mà không cần ăn.

Nghiên cứu còn cho thấy sên đã hợp nhất một phần gen từ tảo vào bộ nhiễm sắc thể của chính mình — minh chứng cho sự chuyển gen ngang (horizontal gene transfer) giữa các loài. Tuy vậy, thế hệ sên con vẫn phải ăn tảo lần đầu để lấy lục lạp, vì chúng chưa thể tự tổng hợp lục lạp mới.

Bảng tổng hợp các nhóm sinh vật có khả năng quang hợp

Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm chính của các nhóm sinh vật quang hợp đã đề cập, giúp người đọc nắm được khác biệt giữa từng nhóm:

Câu hỏi thường gặp về những sinh vật có khả năng quang hợp

Động vật có thể quang hợp không?

Hầu hết động vật không quang hợp. Ngoại lệ là sên biển Elysia chlorotica — loài duy nhất giữ được lục lạp tảo để quang hợp.

Nấm có quang hợp được không?

Không. Nấm là sinh vật dị dưỡng, không chứa diệp lục nên không thể quang hợp — chúng hút dinh dưỡng từ chất hữu cơ có sẵn.

Sinh vật nào tạo nhiều oxy nhất cho Trái Đất?

Vi khuẩn lam và tảo biển. Riêng chi Prochlorococcus đóng góp khoảng 50% sản lượng quang hợp của đại dương toàn cầu.

Vi khuẩn nào quang hợp mà không cần oxy?

Vi khuẩn tía (lưu huỳnh, không lưu huỳnh) và vi khuẩn lục quang hợp trong điều kiện kỵ khí, dùng H₂S thay vì H₂O.

Như vậy, khả năng quang hợp không chỉ giới hạn ở cây xanh mà còn hiện diện ở tảo, vi khuẩn lam, một số vi khuẩn kỵ khí và thậm chí một loài động vật đặc biệt. Chính sự đa dạng của các sinh vật quang hợp đã tạo nên bầu khí quyển giàu oxy, duy trì chuỗi thức ăn và nền tảng sự sống trên Trái Đất suốt hàng tỷ năm qua.