Vì sao nhiều chu trình tự nhiên có tính lặp lại?

Sự khác biệt này rất quan trọng. Nhìn thấy một hiện tượng xuất hiện nhiều lần chưa đủ để kết luận rằng nó là một chu trình. Cần xác định quá trình nào đang quay lại, tác nhân nào tạo ra sự lặp, vật chất được chuyển đi đâu và trạng thái cuối có thực sự dẫn trở lại điều kiện có thể khởi động quá trình tiếp theo hay không.

Chu trình tự nhiên là gì?

Chu trình tự nhiên là một chuỗi biến đổi trong tự nhiên có khả năng tái diễn vì hệ thống quay trở lại, hoặc tiến gần trở lại, một trạng thái hay tập hợp điều kiện đã từng xuất hiện. Thành phần được lặp có thể là trạng thái vật lý, vị trí tương đối của các thiên thể, hoạt động sinh học hoặc đường đi của vật chất giữa những nơi lưu trữ khác nhau.

Ngày – đêm là một trường hợp dễ nhận thấy. Một địa điểm trên Trái Đất lần lượt hướng về phía Mặt Trời rồi quay ra khỏi phía được chiếu sáng, sau đó trạng thái chiếu sáng tương tự xuất hiện trở lại khi Trái Đất tiếp tục quay. Với chu trình nước, thứ quay vòng không phải một “trạng thái ngày – đêm” mà là nước được vận chuyển giữa đại dương, khí quyển, mặt đất, sông hồ, đất và nước ngầm thông qua bay hơi, ngưng tụ, mưa, thấm và dòng chảy.

Do đó, các chu trình tự nhiên không cùng một kiểu. Có chu trình chủ yếu hình thành do chuyển động có tính định kỳ; có chu trình dựa nhiều hơn vào sự bảo toàn và tái phân phối vật chất; cũng có những nhịp lặp chịu ảnh hưởng mạnh của phản hồi nội tại trong hệ thống.

Một điểm thường bị hiểu sai là năng lượng và vật chất đều “quay vòng” theo cùng một cách. Trong hệ Trái Đất, vật chất như nước và carbon có thể được tái sử dụng qua nhiều kho chứa, trong khi năng lượng chủ yếu đi qua hệ thống: năng lượng Mặt Trời đi vào, được biến đổi qua nhiều quá trình rồi cuối cùng phần lớn được phát trở lại không gian dưới dạng bức xạ nhiệt. Năng lượng vì thế thường là động lực của chu trình hơn là một lượng vật chất tuần hoàn trong vòng kín.

Ba cơ chế chính tạo nên tính lặp lại

Nhiều chu trình tự nhiên lặp lại vì ba nhóm cơ chế có thể hoạt động riêng lẻ hoặc kết hợp với nhau.

Thứ nhất là tác nhân cưỡng bức có tính lặp. Khi một nguyên nhân bên ngoài hệ thống tái xuất hiện với nhịp tương đối ổn định, phản ứng của hệ cũng có xu hướng lặp. Sự tự quay của Trái Đất tạo nhịp ngày – đêm; chuyển động quanh Mặt Trời kết hợp với độ nghiêng trục tạo nhịp mùa.

Thứ hai là sự tuần hoàn của vật chất giữa các kho chứa. Vật chất không biến mất sau một giai đoạn của quá trình mà được chuyển sang nơi khác, sau đó có thể quay trở lại. Nước bốc hơi khỏi đại dương không kết thúc ở khí quyển: nó có thể ngưng tụ, rơi xuống dưới dạng mưa rồi chảy hoặc thấm trở lại các kho chứa nước. Chính sự nối tiếp giữa các dòng chuyển giúp một chuỗi quá trình có thể bắt đầu lại.

Thứ ba là phản hồi và các điều kiện vật lý, hóa học hoặc sinh học của hệ thống. Một số phản hồi chống lại sự lệch khỏi trạng thái thông thường, trong khi những phản hồi có độ trễ có thể góp phần tạo dao động. Các ngưỡng như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng hay trạng thái của quần thể cũng quyết định khi nào một giai đoạn chuyển sang giai đoạn tiếp theo.

Ba cơ chế này giải thích vì sao “lặp lại” không đồng nghĩa với việc tự nhiên tự động đặt mọi thứ về đúng vị trí ban đầu. Một chu trình tồn tại khi các nguyên nhân và quan hệ trong hệ thống liên tục tạo ra những điều kiện khiến một trạng thái tương tự có thể xuất hiện trở lại.

Chuyển động thiên văn tạo nhịp lặp như thế nào?

Các chu trình có nguồn gốc thiên văn thường thể hiện tính định kỳ rõ nhất vì chúng được gắn với những chuyển động tương đối ổn định.

Một ngày Mặt Trời trung bình kéo dài khoảng 24 giờ. Khi Trái Đất quay quanh trục, một địa điểm liên tục đi qua vùng được Mặt Trời chiếu sáng và vùng tối. Hình học chiếu sáng vì thế tái lập gần như theo cùng một nhịp mỗi ngày, tạo nền tảng cho hàng loạt biến đổi lặp lại về ánh sáng và nhiệt độ.

Ở thang thời gian dài hơn, Trái Đất hoàn thành một vòng quanh Mặt Trời trong khoảng 365,24 ngày. Trục quay của Trái Đất nghiêng khoảng 23,4° so với phương vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo. Vì hướng nghiêng này được duy trì tương đối ổn định trong một vòng quỹ đạo, góc chiếu của ánh sáng và độ dài ngày tại mỗi bán cầu thay đổi theo một trình tự rồi quay trở lại. Đây là cơ sở của chu trình mùa. Các mô tả thiên văn của NASA cũng nhấn mạnh rằng độ nghiêng trục, chứ không phải việc Trái Đất đơn giản gần hay xa Mặt Trời hơn, là nguyên nhân chính tạo ra các mùa.

Tính lặp ở đây xuất phát từ việc hình học của hệ Mặt Trời – Trái Đất được tái tạo theo quỹ đạo. Tuy nhiên, tác nhân lặp không buộc mọi kết quả trên bề mặt Trái Đất phải giống nhau. Mùa hè có thể trở lại hằng năm, nhưng nhiệt độ, lượng mưa hay thời tiết của từng ngày không nhất thiết giống mùa hè năm trước. Tác nhân thiên văn có tính định kỳ cao, còn hệ khí quyển và bề mặt đáp ứng với nhiều biến số cùng lúc.

Vật chất tuần hoàn giữa các kho chứa ra sao?

Một nhóm chu trình khác hình thành vì vật chất liên tục được chuyển giữa những kho chứa khác nhau thay vì bị tiêu hao sau một lần sử dụng. Cách mô tả chu trình nước của USGS thể hiện rõ nguyên tắc này: nước tồn tại trong các kho chứa và di chuyển giữa chúng thông qua những dòng chuyển khác nhau.

Năng lượng Mặt Trời cung cấp năng lượng cho quá trình bay hơi. Hơi nước đi vào khí quyển, có thể ngưng tụ thành giọt nước hoặc tinh thể băng rồi trở lại bề mặt qua giáng thủy. Sau đó, nước có thể chảy trên mặt đất, thấm xuống đất, đi vào nước ngầm, được sinh vật sử dụng hoặc cuối cùng trở lại sông và đại dương. Khi có đủ năng lượng và điều kiện thích hợp, nước lại có thể bay hơi. Chuỗi biến đổi vì thế nối đầu ra của một giai đoạn với đầu vào của giai đoạn khác.

Chu trình carbon cũng thể hiện nguyên tắc tương tự nhưng phức tạp hơn về thời gian. Quang hợp chuyển carbon dioxide từ khí quyển vào vật chất hữu cơ; hô hấp và phân hủy có thể trả carbon trở lại khí quyển; đại dương, đất và đá lại lưu giữ carbon trong những khoảng thời gian rất khác nhau.

Điều này cho thấy một chu trình vật chất không nhất thiết có một “đồng hồ” duy nhất. Một phân tử nước có thể nằm trong khí quyển trong thời gian ngắn nhưng được giữ lâu hơn nhiều trong nước ngầm hoặc băng. Carbon cũng có thể đi qua sinh vật khá nhanh nhưng tồn tại rất lâu trong các kho địa chất. Tính chu trình nằm ở mạng lưới dòng chuyển có khả năng đưa vật chất quay lại những kho hoặc trạng thái trước đó, không nằm ở yêu cầu mọi phần tử phải hoàn thành cùng một vòng trong cùng một khoảng thời gian.

Phản hồi làm nhịp lặp ổn định hay biến đổi thế nào?

Không phải mọi nhịp tự nhiên đều do một chuyển động quỹ đạo bên ngoài trực tiếp điều khiển. Bản thân hệ thống có thể chứa các phản hồi làm giảm sai lệch, khuếch đại biến đổi hoặc tạo ra dao động khi phản ứng xảy ra với độ trễ.

Phản hồi âm thường chống lại một thay đổi ban đầu và có thể kéo hệ về một khoảng trạng thái nhất định. Khi cơ chế phục hồi không xảy ra tức thời mà có độ trễ, hệ có thể vượt qua trạng thái cân bằng rồi điều chỉnh ngược lại, tạo điều kiện cho dao động. Ngược lại, phản hồi dương khuếch đại thay đổi và có thể làm hệ rời xa trạng thái trước đó. Vì thế, chỉ có “phản hồi” chưa đủ để bảo đảm một chu trình ổn định; loại phản hồi, cường độ và độ trễ đều quan trọng.

Nhịp sinh học ngày – đêm là một ví dụ về sự kết hợp giữa cơ chế nội tại và tác nhân bên ngoài. Đồng hồ sinh học ở nhiều sinh vật dựa trên các vòng phản hồi phân tử có khả năng tạo dao động xấp xỉ 24 giờ, trong khi chu kỳ sáng – tối của môi trường giúp đồng bộ nhịp nội tại với ngày thiên văn. Nếu tác nhân môi trường thay đổi, nhịp nội tại vẫn có thể tồn tại nhưng thời điểm và mức độ đồng bộ có thể khác.

Các điều kiện ngưỡng cũng góp phần định hình chu trình. Nước chỉ chuyển pha khi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm đạt những điều kiện thích hợp; hoạt động của nhiều sinh vật thay đổi khi ánh sáng hoặc nhiệt độ vượt qua các ngưỡng sinh lý. Khi những điều kiện này xuất hiện lặp lại, các quá trình phụ thuộc vào chúng cũng có xu hướng tái diễn.

Vì sao chu trình không bao giờ cần lặp lại y hệt?

Trong tự nhiên, “có tính lặp lại” thường có nghĩa là cấu trúc hoặc trình tự cơ bản xuất hiện trở lại, không phải toàn bộ hệ thống được đặt lại chính xác như cũ.

Một chu trình chịu ảnh hưởng của nhiều quá trình đồng thời. Chu trình mùa diễn ra trên nền của biến động khí quyển và đại dương; chu trình nước phụ thuộc vào nhiệt độ, gió, địa hình và lượng nước đang nằm trong từng kho; chu trình sinh học còn phụ thuộc vào nguồn thức ăn, cạnh tranh và điều kiện môi trường. Khi một trong các yếu tố này thay đổi, lần lặp tiếp theo có thể khác về cường độ, thời điểm hoặc đường đi dù cơ chế nền vẫn tồn tại.

Đó cũng là lý do cần phân biệt tính định kỳ với tính chu trình. Ngày – đêm gần với một quá trình định kỳ vì thời gian lặp được xác định rất rõ. Chu trình nước lại mang tính chu trình mạnh nhưng không có một khoảng thời gian duy nhất sau đó toàn bộ nước trên Trái Đất đồng loạt trở về trạng thái ban đầu. Một hiện tượng có thể tuần hoàn mà không hoàn toàn tuần kỳ.

Khi đánh giá một quá trình có thực sự là chu trình tự nhiên hay không, có thể kiểm tra bốn điểm: trạng thái hoặc vật chất nào xuất hiện trở lại; cơ chế nào đưa hệ trở lại; tác nhân tạo nhịp có ổn định hay không; và mỗi vòng có thể biến đổi đến mức nào. Cách nhìn này giúp phân biệt một chu trình có cơ chế rõ ràng với sự trùng hợp của những sự kiện chỉ tình cờ xuất hiện nhiều lần.

Nhiều chu trình tự nhiên lặp lại vì các nguyên nhân nền của chúng cũng có khả năng tái diễn. Chuyển động quay và quỹ đạo tạo những nhịp cưỡng bức tương đối ổn định; sự bảo toàn và vận chuyển vật chất nối các kho chứa thành vòng tuần hoàn; phản hồi cùng các điều kiện của hệ thống quyết định cách quá trình trở lại hoặc dao động quanh những trạng thái quen thuộc. Tuy nhiên, tự nhiên không phải một cỗ máy đặt lại hoàn toàn sau mỗi vòng. Các hệ luôn tương tác, nên một chu trình có thể giữ nguyên cơ chế cơ bản trong khi thời điểm, cường độ và chi tiết của từng lần lặp vẫn thay đổi.