從土壤到天空：研究人員量化了植物在全球范圍內(nèi)提升水的能量

近日，中國生物多樣性保護(hù)與綠色發(fā)展基金會（簡稱中國綠發(fā)會，綠會）國際部從國際知名期刊獲悉，從土壤到天空：研究人員量化了植物在全球范圍內(nèi)提升水的能量。綠會國際部現(xiàn)將該文整理編譯如下，供感興趣的讀者參考和了解。

（圖片描述：科羅拉多州西南部，一片搖曳的白楊樹將水抽到了它們的樹冠上。圖源：Leander Anderegg）

每天，大約有1萬億加侖的水被默默地從地面抽到樹梢。地球上的植物僅利用陽光就完成了這一驚人的壯舉。提升所有這些液體需要能量，但到底需要多少能量，直到今年還是一個(gè)懸而未決的問題。

加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)計(jì)算出植物通過木質(zhì)部將水分從土壤輸送到葉片所需的巨大能量。他們發(fā)現(xiàn)，平均而言，這是植物通過光合作用獲得的額外14%的能量。在全球范圍內(nèi)，這相當(dāng)于人類所有水電的產(chǎn)量。他們的研究發(fā)表在《地球物理研究雜志：生物地球科學(xué)》上，這是第一次估算將水提升到植物冠層所需的能量，無論是對單個(gè)植物還是全世界。

第一作者格雷戈里·奎廷（Gregory Quetin）是地理系的博士后研究員，他說：“通過樹木的木質(zhì)部向上移動(dòng)水需要能量。我們正在量化這是多少能量。這種能量是植物通過光合作用產(chǎn)生的。正是通過樹木的結(jié)構(gòu)，被動(dòng)地從環(huán)境中獲取能量。”

光合作用需要二氧化碳、光和水。二氧化碳在空氣中廣泛存在，但其他兩種成分構(gòu)成了挑戰(zhàn)：光來自上方，水來自下方。因此，植物需要把水帶到光線所在的地方（有時(shí)相當(dāng)遠(yuǎn)）。

更復(fù)雜的植物通過維管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在維管系統(tǒng)中，稱為木質(zhì)部的管將水分從根部輸送到葉片，而稱為韌皮部的其他管將葉片中產(chǎn)生的糖向下輸送到植物的其他部分?！熬S管植物進(jìn)化木質(zhì)部是樹木得以生存的一個(gè)巨大因素。”奎廷說。

許多動(dòng)物也有血管系統(tǒng)。我們進(jìn)化了一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)，心臟通過動(dòng)脈、毛細(xì)血管和靜脈泵送血液，將氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)輸送到身體周圍。研究報(bào)告的合著者、地理系助理教授安娜·特魯格曼（Anna Trugman）說：“這是許多生物為之付出很多代價(jià)的一種功能。我們?yōu)榇烁冻龃鷥r(jià)，因?yàn)槲覀儽仨毐３中呐K跳動(dòng)，這可能是我們代謝能量的一部分?！?/p>

植物也可能進(jìn)化成心臟。但它們沒有。這為它們節(jié)省了大量的代謝能量。

與動(dòng)物相比，植物循環(huán)系統(tǒng)是開放的，被動(dòng)供電。陽光使水分蒸發(fā)，水分從樹葉的毛孔中逸出。這產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)壓，將其下方的水拉起?？茖W(xué)家稱這個(gè)過程為“蒸騰作用”。

實(shí)質(zhì)上，蒸騰作用只是植物從陽光中獲取能量的另一種方式。只是，與光合作用不同，這種能量在投入使用之前不需要處理。

科學(xué)家們對這一過程相當(dāng)了解，但從來沒有人估計(jì)過它消耗了多少能量?！拔抑辉谝黄撐闹锌吹剿惶貏e提到作為能量?！焙现呃驳隆ぐ驳吕赘瘢↙eander Anderegg）說，“這是一個(gè)非常大的數(shù)字。如果植物必須用它們的新陳代謝來支付，它們就不會工作了。”

這項(xiàng)特殊的研究源于基本的好奇心。安德雷格回憶道：“當(dāng)我和格雷格（奎廷）都是研究生時(shí)，我們讀了很多關(guān)于植物蒸騰作用的書。在某個(gè)時(shí)候，植物在克服重力提升水的過程中做了多少工作？”他現(xiàn)在是生態(tài)學(xué)、進(jìn)化和海洋生物學(xué)系的助理教授

格雷格說：“我說，我不知道。我想知道是否有人知道？我們當(dāng)然也可以計(jì)算。”

大約十年后，他們繞了回來，就這樣做了。該團(tuán)隊(duì)將植物電導(dǎo)的全球數(shù)據(jù)庫與sap上升的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，以估計(jì)世界植物生命用于抽水的功率。他們發(fā)現(xiàn)，地球的森林每年消耗大約9.4皮瓦時(shí)。他們很快指出，這與全球水力發(fā)電量相當(dāng)。

這大約是植物通過光合作用吸收能量的14.2%。因此，這是一個(gè)重要的能源，植物從中受益，但不需要積極處理。這種自由能量傳遞給了消耗植物的動(dòng)物和真菌，以及消耗它們的動(dòng)物，等等。

令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，對抗重力只占總數(shù)的一小部分。大部分能量用于簡單地克服植物自身莖的阻力。

這些發(fā)現(xiàn)可能沒有很多直接的應(yīng)用，但它們幫助我們更好地了解地球上的生命?！笆聦?shí)上，有一個(gè)我們沒有量化的全球能量流，這有點(diǎn)不和諧，”奎廷說。“這似乎是一個(gè)從裂縫中溜走的概念。

蒸騰作用所涉及的能量似乎介于不同科學(xué)家研究的尺度之間。對于植物生理學(xué)家來說，它太大了，而對于研究地球系統(tǒng)的科學(xué)家來說，它又太小了。作者解釋說，只有在過去十年里，科學(xué)家們才收集了足夠的水分利用和木質(zhì)部阻力數(shù)據(jù)，開始在全球范圍內(nèi)解決蒸騰能量問題。

在這段時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家們已經(jīng)能夠利用新的觀測和模型來完善地球系統(tǒng)中蒸騰作用的重要性。它影響溫度、氣流和降雨量，并有助于塑造一個(gè)地區(qū)的生態(tài)和生物多樣性。Sap上升功率是蒸騰作用的一小部分，但作者懷疑，考慮到所涉及的大量能量，它可能是值得注意的。

現(xiàn)在還處于早期階段，團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，在收緊估計(jì)方面還有很多工作要做。植物的莖對水流的傳導(dǎo)能力差異很大。例如，將耐寒的沙漠杜松與河邊的白楊木進(jìn)行比較。安德雷格說：“一棵非常適應(yīng)干旱的杜松樹具有非常高的抵抗力，而棉白楊只是靠抽水來生存?！?/p>

這一不確定性反映在作者的估計(jì)中，估計(jì)值介于每年7.4到15.4千兆瓦時(shí)之間。也就是說，這可能高達(dá)每年140皮瓦時(shí)，盡管奎廷承認(rèn)這一上限不太可能?！拔艺J(rèn)為這種不確定性突出表明，我們對植物抗性的生物地理學(xué)（以及在較小程度上的蒸騰作用）仍有很多不了解，”他說。“這是在這些領(lǐng)域繼續(xù)研究的良好動(dòng)機(jī)?！?/p>

原文參看：https://phys.org/news/2022-09-soil-sky-quantify-amount-energy.html

編譯：Daisy
審核：Nicole

編輯：Pierre