Fra jorden til himlen:Forskere kvantificerer mængden af ​​energi, som planter bruger til at løfte vand på global skala

Hver dag pumpes der lydløst omkring en quadrillion liter vand fra jorden til trætoppene. Jordens planteliv opnår denne svimlende bedrift ved kun at bruge sollys. Det kræver energi at løfte al denne væske, men hvor meget var et åbent spørgsmål indtil i år.

Forskere ved UC Santa Barbara har nu beregnet den enorme mængde strøm, som planter bruger til at flytte vand gennem deres xylem fra jorden til deres blade. De fandt ud af, at det i gennemsnit var yderligere 14 % af den energi, planterne høstede gennem fotosyntese. På globalt plan kan dette sammenlignes med produktionen af ​​hele menneskehedens vandkraft. Deres undersøgelse, offentliggjort i Journal of Geophysical Research:Biogeosciences , er den første til at vurdere, hvor meget energi der går til at løfte vand op til plantekroner, både for individuelle planter og på verdensplan.

"Det kræver strøm at flytte vand op gennem træets xylem. Det kræver energi. Vi kvantificerer, hvor meget energi det er," sagde førsteforfatter Gregory Quetin, en postdoc-forsker ved Institut for Geografi. Denne energi kommer i tillæg til, hvad en plante producerer via fotosyntese. "Det er energi, der bliver høstet passivt fra miljøet, blot gennem træets struktur."

Fotosyntese kræver kuldioxid, lys og vand. CO₂ er bredt tilgængeligt i luften, men de to andre ingredienser udgør en udfordring:Lys kommer fra oven og vand nedefra. Så planterne skal bringe vandet op (nogle gange en betydelig afstand) til hvor lyset er.

Mere komplekse planter opnår dette med et karsystem, hvor rør kaldet xylem bringer vand fra rødderne til bladene, mens andre rør kaldet floem flytter sukker produceret i bladene ned til resten af ​​planten. "Karplanter, der udvikler sig xylem, er en kæmpe aftale, der gjorde det muligt for træer at eksistere," sagde Quetin.

Mange dyr har også et karsystem. Vi udviklede et lukket kredsløbssystem med et hjerte, der pumper blod gennem arterier, kapillærer og vener for at levere ilt og næringsstoffer rundt i vores kroppe. "Dette er en funktion, som mange organismer betaler meget for," sagde medforfatter Anna Trugman, en adjunkt ved Institut for Geografi. "Vi betaler for det, fordi vi skal holde vores hjerter slå, og det er nok meget af vores metaboliske energi."

Planter kunne også have udviklet hjerter. Men det gjorde de ikke. Og det sparer dem for en masse metabolisk energi.

I modsætning til dyr er planters kredsløbssystemer åbne og drives passivt. Sollys fordamper vand, som slipper ud fra porerne i bladene. Dette skaber et undertryk, der trækker vandet op under det. Forskere kalder denne proces "transpiration."

I det væsentlige er transpiration blot en anden måde, hvorpå planter høster energi fra sollys. Det er bare det, at denne energi, i modsætning til i fotosyntesen, ikke skal bearbejdes, før den kan tages i brug.

Forskere forstår denne proces ret godt, men ingen havde nogensinde estimeret, hvor meget energi den forbruger. "Jeg har kun set det nævnt specifikt som energi i et papir," sagde medforfatter Leander Anderegg, "og det var for at sige, at "det er et rigtig stort antal. Hvis planter skulle betale for det med deres stofskifte, ville de ville ikke virke.'"

Denne særlige undersøgelse voksede ud af grundlæggende nysgerrighed. "Da Greg [Quetin] og jeg begge var kandidatstuderende, læste vi meget om plantetranspiration," huskede Anderegg, nu assisterende professor ved Institut for Økologi, Evolution og Havbiologi. "På et tidspunkt spurgte Greg:'Hvor meget arbejde udfører planter bare ved at løfte vand mod tyngdekraften?'"

"Jeg sagde:'Jeg aner ikke. Gad vide, om nogen ved det?' Og Greg sagde:'Vi kan bestemt regne det ud.'"

Omkring et årti senere kredsede de tilbage og gjorde netop det. Holdet kombinerede en global database over planteledningsevne med matematiske modeller af sapstigning for at vurdere, hvor meget strøm verdens planteliv bruger på at pumpe vand. De fandt ud af, at jordens skove forbruger omkring 9,4 petawatt-timer om året. Det er på niveau med global vandkraftproduktion, påpeger de hurtigt.

Dette er omkring 14,2 % af den energi, som planter optager gennem fotosyntesen. Så det er en betydelig del af energien, som planter har gavn af, men som ikke skal bearbejdes aktivt. Denne gratis energi går videre til dyrene og svampene, der spiser planter, og dyrene, der spiser dem, og så videre.

Overraskende nok opdagede forskerne, at bekæmpelse af tyngdekraften kun udgør en lille brøkdel af denne total. Det meste af energien går til simpelthen at overvinde modstanden fra en plantes egen stængel.

Disse resultater har måske ikke mange umiddelbare anvendelser, men de hjælper os med bedre at forstå livet på Jorden. "Det faktum, at der er en global energistrøm af denne størrelsesorden, som vi ikke havde kvantificeret, er mildt sagt skurrende," sagde Quetin. "Det virker som et koncept, der slap igennem sprækkerne."

Energierne involveret i transpiration synes at falde mellem de skalaer, som forskellige videnskabsmænd undersøger. Det er for stort for plantefysiologer at overveje og for småt til at forskere, der studerer jordsystemer, kan genere, så det blev glemt. Og det er først inden for det seneste årti, at videnskabsmænd har indsamlet nok data om vandforbrug og xylemresistens til at begynde at adressere transpirationsenergien på global skala, forklarede forfatterne.

Inden for den tid har forskere været i stand til at forfine betydningen af ​​transpiration i jordsystemer ved hjælp af nye observationer og modeller. Det påvirker temperaturer, luftstrømme og nedbør og er med til at forme en regions økologi og biodiversitet. Sap-opstigningskraft er en lille komponent af transpiration generelt, men forfatterne formoder, at det kan vise sig at være bemærkelsesværdigt i betragtning af den betydelige energi, der er involveret.

Det er stadig de tidlige dage, og holdet indrømmer, at der er meget arbejde at gøre med at stramme deres estimater. Planter varierer meget i, hvor ledende deres stængler er til vandstrømmen. Sammenlign for eksempel en hårdfør ørkenenebær med en bomuldstræ ved floden. "Et enebærtræ, der er meget tørketilpasset, har en meget høj modstand," sagde Anderegg, "mens bomuldstræer bare lever for at pumpe vand."

Denne usikkerhed afspejles i forfatternes skøn, som falder mellem 7,4 og 15,4 petawatt-timer om året. Når det er sagt, kan det være så højt som 140 petawatt-timer om året, selvom Quetin indrømmer, at denne øvre grænse er usandsynlig. "Jeg tror, ​​at denne usikkerhed fremhæver, at der stadig er meget, vi ikke ved om biogeografien af ​​planteresistens (og i mindre grad transpiration)," sagde han. "Dette er en god motivation for fortsat forskning på disse områder." + Udforsk yderligere

Planternes hemmelige liv afsløret:Opdagelse har konsekvenser for fødevareproduktion og kulstoflagring