Vì sao lượng oxy trong khí quyển Trái Đất cần duy trì mức 20,9%?

Loài người và nhiều sinh vật khác đã quen sống trong bầu không khí với hàm lượng oxy trong khí quyển Trái Đất luôn ở mức 20,9 – 21%. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu nồng độ oxy tăng lên hoặc giảm nhanh đột ngột?

Trong bầu khí quyển của Trái đất, khí nitơ chiếm tỷ lệ lên tới 78%, còn lại là khí CO₂, CO, hơi nước và các vi lượng. Do đó, tiêu chuẩn nồng độ khí oxy trong không khí sẽ là 20,9%-21%.

Oxy của Trái đất đến từ đâu?

Trái đất của chúng ta đã tồn tại khoảng 4,6 tỷ năm. Trong suốt khoảng thời gian dài như vậy, Trái đất không ngừng phát triển và thay đổi, cho tới nay, nó đã từng trải qua 5 cuộc Đại Tuyệt chủng hàng loạt đáng sợ. Con người đã có mặt trên Trái đất được khoảng 200.000 năm, thậm chí là lâu hơn nữa. Xét về sâu xa, loài người sở dĩ có thể sinh tồn trên Trái đất là nhờ vào môi trường tự nhiên của hành tinh này.

Sự sống của con người và nhiều loài sinh vật khác trên Trái đất không thể tách rời oxy. Trên thực tế, trong nửa đầu lịch sử của Trái đất, nó hoàn toàn không có oxy. Cho tới khi “Sự kiện oxy hóa vĩ đại“ xảy ra và tạo ra oxy trên toàn cầu, các loài sinh vật từ đơn bào tới đa bào bậc cao, cũng như động vật và thậm chí là loài người có cơ hội để bắt đầu sự sống.

Vào thời điểm diễn ra sự kiện đó, sự nhảy vọt về nồng độ oxy chủ yếu là do vi khuẩn xyano, còn gọi là tảo lam – loài vi khuẩn quang hợp thở ra oxy. Môi trường sống cùng với hàm lượng oxy dồi dào đã góp phần kích thích sự phát triển kích thước của nhiều loài động, thực vật. Lượng oxy hấp thụ cao kết hợp với không khí trong lành đã cho giúp chúng khỏe mạnh và to lớn hơn nhiều so với hiện tại.

Bằng chứng là vào năm 2012, 2 nhà cổ sinh vật học Matthew Clappen và Jared Carr tại Đại học California, Santa Cruz đã công bố nghiên cứu của họ về sự thay đổi chiều dài cánh cũng như kích thước của hơn 10.500 hóa thạch côn trùng trong 320 triệu năm qua. Họ phát hiện ra rằng trong 150 triệu năm đầu tiên, kích thước cơ thể của chúng có mối tương quan nhất định với nồng độ oxy tại thời điểm đó. Ở môi trường có hàm lượng oxy cao, côn trùng có xu hướng tăng kích thước cơ thể lớn hơn. Không chỉ có các loài côn trùng, nhiều loài sinh vật và động, thực vật ở thuở sơ khai ấy có kích thước khổng lồ.

Tuy nhiên, mối quan hệ này cũng dần biến mất theo thời gian và các loài sinh vật, động, thực vật cũng trở nên nhỏ hơn. Điều này đã phần nào chứng minh rằng hàm lượng oxy có ảnh hưởng tới các loài. Và chúng ta vẫn biết rằng, nếu không có oxy trên Trái đất thì không có sinh vật nào có thể tồn tại. Nếu hàm lượng oxy trở nên loãng hơn thì sự tồn tại của các loài sinh vật, cũng như loài người cũng sẽ bị hạn chế. Đó là lý do tại sao hàm lượng oxy trong bầu khí quyển của Trái đất cần được kiểm soát.

Vì sao hàm lượng oxy trên Trái đất là 20,9%?

Hàm lượng oxy trong khí quyển Trái đất chiếm khoảng 21%. Trong đó, một nửa lượng oxy là do cây cối, thực vật sinh ra trong quá trình quang hợp. Nửa còn lại được tạo ra bởi đại dương, các sinh vật biển siêu nhỏ gọi là sinh vật phù du.

Loài người và nhiều loại sinh vật, động, thực vật đều đã hoàn toàn thích nghi với hàm lượng oxy 20,9% trong bầu khí quyển của Trái đất. Nhờ có sự thích nghi này nên nền văn minh của loài người mới có được sự phát triển ổn định như bây giờ. Vì vậy, một số nhà khoa học đã đặt ra câu hỏi rằng hàm lượng oxy trên Trái đất có nhiều thì tốt hay không? Sự sống trên Trái đất sẽ thay đổi thế nào nếu như nồng độ oxy cao hơn con số 21%?

Nếu hàm lượng oxy trong khí quyển Trái đất được đẩy lên 100% thì trước hết chắc chắn hệ thống hô hấp của con người sẽ được hưởng lợi. Bằng chứng là trên thế giới, có rất nhiều đơn vị cung cấp khí oxy nguyên chất cho khách hàng. Nhiều khách hàng sau khi sử dụng các dịch vụ này đều có kết quả tích cực như: giảm các triệu chứng choáng váng, đau đầu, cơ thể khỏe mạnh hơn.

Thế nhưng, oxy nguyên chất chỉ thực sự tốt khi sử dụng trong thời gian ngắn. Nếu như con người hít thở bầu không khí 100% oxy nguyên chất trong một thời gian dài thì chúng ta có thể sẽ bị nhiễm độc. Cụ thể, sau khi hít quá nhiều và quá lâu oxy nguyên chất thì con người sẽ cảm thấy tức ngực. Sau đó, con người sẽ cảm thấy chóng mặt, nhức đầu, phổi và não bị tổn thương cho đến khi mất dần nhận thức và chết.

Hơn nữa, chúng ta cần nhớ rằng oxy là nguyên tố chính xuất hiện trong các đám cháy. Do đó, hàm lượng oxy trong bầu khí quyển của Trái đất quá lớn sẽ khiến cho các đám cháy càng thêm dữ dội. Thậm chí, ai đó chỉ cần đốt 1 que diêm cũng có thể gây ra một vụ hỏa hoạn có tầm ảnh hưởng nghiêm trọng trên Trái đất.

Ngoài ra, hàm lượng oxy là 100% sẽ tác động lớn tới các loài côn trùng. Bởi theo nghiên cứu của 2 nhà cổ sinh vật học Matthew Clappen và Jared Carr thì các loại côn trùng đã từng có kích thước khổng lồ ở thời điểm hơn 300 triệu năm trước. Nguyên nhân gây ra sự khác biệt lớn về kích thước của chúng là do hàm lượng oxy thời điểm đó lên tới 35%. Vậy nếu hàm lượng oxy lên tới 100% thì cơ thể của các loài côn trùng có thể sẽ lớn đến mức nào và hãy thử tưởng tượng xem thế giới sẽ ra sao nếu như chúng trở thành khổng lồ. Chắc chắn rằng nguy cơ về một cuộc đại tuyệt chủng hàng loạt mới sẽ xảy ra chỉ trong một thời gian ngắn sau đó.

Nhưng nếu hàm lượng oxy trong khí quyển Trái đất giảm xuống dưới 20,9% thì sao? Trong cuốn “Khủng hoảng oxy” của tác giả Roddy Newman (Mỹ), so với thời tiền sử, hàm lượng oxy trong khí quyển của Trái đất đã giảm 1/3 và dừng lại ở mức 20,9%. Nguyên nhân khiến cho hàm lượng oxy bị giảm đi là do cách đây 10.000 năm, diện tích rừng bao phủ Trái đất nhiều gấp 2 bây giờ. Điều này cũng có nghĩa là lượng oxy hiện nay chỉ bằng ½ so với thời điểm đó.

Hàm lượng oxy ở biển cũng bị giảm như vậy. Theo báo cáo của NASA, lượng thực vật đơn bào sản xuất oxy đã giảm chỉ còn khoảng 70% so với cách đây 30 năm. Còn thống kê của Liên Hiệp Quốc cho thấy, có gần 150 vùng chết do chất thải công nghiệp và nông nghiệp được đưa ra biển. Những chất thải ở những vùng này khiến cho hàm lượng oxy ở biển giảm xuống đến mức không sinh vật biển nào có thể sống sót. Thiếu oxy ở biển còn gây ra hiện tượng đột biến gene, ảnh hưởng tới khả năng sinh sản của các sinh vật biển.

Về việc nếu hàm lượng oxy trong khí quyển ngày càng giảm xuống sâu dưới mức 20,9%, giáo sư Ervin Laszlo, cố vấn người Mỹ của Liên Hiệp Quốc về các khoa học hệ thống và triết học cho rằng sức khỏe con người sẽ bị ảnh hưởng đầu tiên. Bởi khi hàm lượng oxy quá thấp thì các tế bào và nội tạng sẽ bị thiếu oxy khiến cho hệ thống miễn dịch bị suy yếu, hoạt động kém. Các rối loạn sinh lý xảy ra khi tỷ lệ oxy trong không khí giảm xuống còn 16-17%. Khi hàm lượng oxy trong không khí là 7-8%, có thể gây ra một kết cục chết người.

Nếu như hàm lượng oxy giảm xuống mức 0% thì các công trình kiến trúc từ bê tông có thể sụp đổ ngay tức khắc. Nguyên nhân là oxy đóng vai trò như một chất liên kết đặc biệt cho bê tông. Việc không còn oxy còn khiến cho bầu trời trở nên tối đen như mực. Trong khi tất cả những điều trên xảy ra, lớp vỏ trái đất cũng hoàn toàn vỡ vụn bởi nó được tạo thành từ 45% oxy. Do đó, lớp vỏ này sẽ tiếp tục vỡ cho tới khi không còn gì.

Như vậy, dù hàm lượng không khí nhiều hơn hay ít hơn 20,9% thì chắc chắn thế giới của chúng ta, đặc biệt là loài người sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

Làm sao để duy trì hàm lượng oxy ở mức 20,9%?

Trải qua hàng triệu năm, hàm lượng oxy trong không khí đã tạm dừng lại ở mức 20,9%. Hàm lượng oxy này là mức lý tưởng cho các loài sinh vật trên Trái đất. Sự cân bằng của oxy và các khí khác được bảo đảm bởi vòng tuần hoàn của tự nhiên, đó là: động vật thải ra CO2, thực vật sử dụng nó và giải phóng ra oxy.

Tuy nhiên, thảm thực vật của chúng ta đang ngày càng mất đi. Ước tính có tới 13 triệu ha rừng (tương đương với diện tích của Hy Lạp) biến mất mỗi năm. Chính con người đã chặt cây cối để đáp ứng cho nhu cầu sản xuất nông nghiệp, công nghiệp đang ngày một tăng của mình. Và nếu như sự biến mất của cây cối không thể ngăn chặn thì trong tương lai loài người sẽ không thể tồn tại vì không khí không còn thích hợp cho việc hô hấp. Để sống sót, cách tốt nhất mà loài người có thể làm được là mang theo mặt nạ dưỡng khí để lọc oxy còn sót lại trong không khí.

Hơn nữa, sự cân bằng của oxy và các khí khác trong bầu khí quyển đã tạo nên tầng ozone ở độ cao 8-30km so với mặt đất. Đồng thời, nó còn bảo vệ sự sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của Mặt trời.

Đáng tiếc, một nghiên cứu do đại học Princeton, New Jersey, Mỹ đã công bố trên tạp chí Science thì lượng oxy trong khí quyển Trái đất đã giảm 0,7% trong vòng 800.000 năm qua. Các nhà nghiên cứu đã đo lường lượng oxy của lõi băng ở Greenland và Nam Cực. Theo đánh giá của nhóm nghiên cứu, đây là những khu vực còn lưu giữ vô số bong bóng khí đại diện cho bầu khí quyển Trái Đất trong hàng triệu năm qua. Bằng cách phân tích tỷ lệ oxy của đồng vị nito trong các lõi băng này, họ đã xác định được tỷ lệ giảm của nồng độ oxy cụ thể như trên.

Đáng chú ý, giáo sư Daniel Stolper, trưởng nhóm nghiên cứu còn cho biết thêm, trong 200 năm qua, giai đoạn công nghiệp hóa của xã hội loài người là giai đoạn có nhiều sự bất thường nhất. Hàm lượng ôxy trong khí quyển đã giảm nhanh chóng 0,1% do việc đốt nhiên liệu hóa thạch, tiêu thụ khí ôxy và tạo ra carbon dioxide.

Hàng năm, loài người đốt 7 tỉ tấn nhiên liệu hóa thạch đã gây ảnh hưởng đến hàm lượng ôxy tự do trong khí quyển. Với tốc độ quang hợp hiện nay, có thể sẽ mất khoảng 2.000 năm để tạo ra hàm lượng oxy lý tưởng trong bầu khí quyển của Trái đất.

Từ đây, có thể thấy, sự cân bằng của hàm lượng oxy trong bầu khí quyển của Trái đất sẽ không bao giờ là vĩnh viễn. Nếu như loài người không sớm nhận thức và thay đổi thì viễn cảnh của cuộc đại tuyệt chủng hàng loạt chính là kết cục đang chờ đợi chúng ta.