Из почвы в небо: исследователи подсчитывают количество энергии, которое растения используют для подъема воды в глобальном масштабе.

[ad_1]

От земли к небу

Кусты дрожащих осин качают воду под свои кроны на юго-западе Колорадо. Кредит: Леандер Андерегг

Каждый день около одного квадриллиона галлонов воды бесшумно перекачивается с земли на верхушки деревьев. Растительная жизнь Земли совершает этот ошеломляющий подвиг, используя только солнечный свет. Чтобы поднять всю эту жидкость, требуется энергия, но вопрос, сколько именно, оставался открытым до этого года.


Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре подсчитали огромное количество энергии, используемой растениями для перемещения воды через их ксилему из почвы в листья. Они обнаружили, что в среднем это дополнительные 14% энергии, получаемой растениями в процессе фотосинтеза. В глобальном масштабе это сравнимо с производством всей гидроэнергии человечества. Их исследование, опубликованное в Журнал геофизических исследований: биогеонаукипервым оценил, сколько энергии уходит на подъем воды до кроны растений, как для отдельных растений, так и для всего мира.

«Для перемещения воды вверх по ксилеме дерева требуется сила. Для этого требуется энергия. Мы подсчитываем, сколько это энергии», — сказал первый автор Грегори Кветин, научный сотрудник Департамента географии. Эта энергия является дополнением к тому, что растение производит посредством фотосинтеза. «Энергия пассивно извлекается из окружающей среды, просто через структуру дерева».

Фотосинтез требует углекислого газа, света и воды. СО2 широко доступен в воздухе, но два других ингредиента представляют собой проблему: свет исходит сверху, а вода снизу. Так, растениям необходимо подносить воду вверх (иногда на значительное расстояние) туда, где есть свет.

Более сложные растения достигают этого с помощью сосудистой системы, в которой трубки, называемые ксилемой, доставляют воду от корней к листьям, а другие трубки, называемые флоэмой, переносят сахар, вырабатываемый в листьях, к остальной части растения. «Сосудистые растения, развивающие ксилему, — это огромное дело, которое позволило деревьям существовать», — сказал Кетин.

Многие животные также имеют сосудистую систему. Мы развили замкнутую систему кровообращения с сердцем, которое качает кровь по артериям, капиллярам и венам, чтобы доставлять кислород и питательные вещества по всему телу. «Это функция, за которую многие организмы много платят», — сказала соавтор Анна Тругман, доцент кафедры географии. «Мы платим за это, потому что нам нужно, чтобы наши сердца бились, и это, вероятно, большая часть нашей метаболической энергии».

У растений тоже могли развиться сердца. Но они этого не сделали. И это экономит им много метаболической энергии.

В отличие от животных кровеносная система растений открыта и питается пассивно. Солнечный свет испаряет воду, которая выходит из пор в листьях. Это создает отрицательное давление, которое подтягивает воду под собой. Ученые называют этот процесс «транспирацией».

По сути, транспирация — это просто еще один способ получения растениями энергии от солнечного света. Просто, в отличие от фотосинтеза, эту энергию не нужно обрабатывать, прежде чем ее можно будет использовать.

Ученые достаточно хорошо понимают этот процесс, но никто никогда не подсчитывал, сколько энергии он потребляет. «Я только в одной статье видел, что это упоминается конкретно как энергия, — сказал соавтор Леандер Андерегг, — и это означало, что «это действительно большое число. Если растениям приходилось расплачиваться за это своим метаболизмом, они не сработает».

Это конкретное исследование выросло из элементарного любопытства. «Когда Грег [Quetin] и я оба были аспирантами, мы много читали о транспирации растений», — вспоминает Андерегг, ныне доцент кафедры экологии, эволюции и морской биологии. «В какой-то момент Грег спросил: «Какую работу выполняют растения?» просто поднимая воду против силы тяжести?»

«Я сказал:« Понятия не имею. Интересно, кто-нибудь знает?» И Грег сказал: «Конечно, мы можем это вычислить».

Примерно десять лет спустя они вернулись и сделали именно это. Команда объединила глобальную базу данных о проводимости растений с математическими моделями всплытия сока, чтобы оценить, сколько энергии мировая растительность тратит на откачку воды. Они обнаружили, что леса Земли потребляют около 9,4 петаватт-часов в год. Они быстро отмечают, что это соответствует мировому производству гидроэлектроэнергии.

Это около 14,2% энергии, получаемой растениями в результате фотосинтеза. Таким образом, это значительная часть энергии, от которой растения получают пользу, но не должны активно ее перерабатывать. Эта свободная энергия переходит к животным и грибам, которые потребляют растения, и к животным, которые их потребляют, и так далее.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что борьба с гравитацией составляет лишь малую часть от этого общего количества. Большая часть энергии уходит на простое преодоление сопротивления собственного стебля растения.

У этих открытий может не быть большого количества непосредственных применений, но они помогают нам лучше понять жизнь на Земле. «Тот факт, что существует глобальный поток энергии такого масштаба, который мы не определили количественно, слегка раздражает», — сказал Кетин. «Это действительно похоже на концепцию, которая ускользнула из трещин».

Энергия, участвующая в транспирации, кажется, находится между шкалами, которые исследуют разные ученые. Он слишком велик для физиологов растений и слишком мал для ученых, изучающих земные системы, поэтому о нем забыли. Авторы объяснили, что только за последнее десятилетие ученые собрали достаточно данных об использовании воды и устойчивости к ксилеме, чтобы приступить к изучению энергии транспирации в глобальном масштабе.

За это время ученые смогли уточнить значение транспирации в системах Земли, используя новые наблюдения и модели. Он влияет на температуру, воздушные потоки и количество осадков, а также помогает формировать экологию и биоразнообразие региона. Способность к восхождению сока является небольшим компонентом транспирации в целом, но авторы подозревают, что она может оказаться заслуживающей внимания, учитывая значительную вовлеченную энергию.

Это все еще первые дни, и команда признает, что предстоит проделать большую работу, чтобы уточнить свои оценки. Растения сильно различаются по степени проводимости их стеблей для потока воды. Сравните, например, выносливый пустынный можжевельник с прибрежным тополем. «Дерево можжевельника, которое очень хорошо приспособлено к засухе, имеет очень высокую устойчивость, — сказал Андерегг, — в то время как тополь живет только для того, чтобы качать воду».

Эта неопределенность отражена в оценках авторов, которые составляют от 7,4 до 15,4 петаватт-часов в год. Тем не менее, это может достигать 140 петаватт-часов в год, хотя Кетин признает, что эта верхняя граница маловероятна. «Я думаю, что эта неопределенность подчеркивает, что мы еще многого не знаем о биогеографии устойчивости растений (и, в меньшей степени, транспирации)», — сказал он. «Это хорошая мотивация для продолжения исследований в этих областях».


Тайная жизнь растений раскрыта: открытие имеет значение для производства продуктов питания и хранения углерода


Дополнительная информация:
Грегори Р. Кветин и др., Количественная оценка глобальной мощности, необходимой для подъема сока у растений, Журнал геофизических исследований: биогеонауки (2022). DOI: 10.1029/2022JG006922

Предоставлено Калифорнийским университетом в Санта-Барбаре.

Цитата: От почвы к небу: исследователи количественно определяют количество энергии, которое растения используют для подъема воды в глобальном масштабе (2022 г., 7 сентября), получено 7 сентября 2022 г. с https://phys.org/news/2022-09-soil. -sky-quantify-amount-energy.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любой честной сделки с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.



[ad_2]

Source link

(Посещений всего:13 times, 1)

Вячеслав

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Next Post

Все, что видит человек, произошло 15 секунд назад

Чт Сен 8 , 2022
[ad_1] Мозг не обновляет зрение человека в режиме реального времени. Ученые установили, что мы видим только те картинки, которые глаз зафиксировал 15 секунд назад. Если бы мы увидели все сразу без промедления, то человеку показалось бы, что он галлюцинирует. Поэтому наш мозг «обновляет» картинки постепенно, с небольшой задержкой. Механизм, который […]

Вам может понравиться