近日，中國生物多樣性保護與綠色發展基金會（簡稱中國綠發會，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提升水的能量。綠會國際部現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，直到今年還是一個懸而未決的問題。

加州大學圣巴巴拉分校的研究人員現在已經計算出植物通過木質部將水分從土壤輸送到葉片所需的巨大能量。他們發現，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，這相當于人類所有水電的產量。他們的研究發表在《地球物理研究雜志：生物地球科學》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：“通過樹木的木質部向上移動水需要能量。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生的。正是通過樹木的結構，被動地從環境中獲取能量。”

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，但其他兩種成分構成了挑戰：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（有時相當遠）。

更復雜的植物通過維管系統實現這一點，在維管系統中，稱為木質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生的糖向下輸送到植物的其他部分。“維管植物進化木質部是樹木得以生存的一個巨大因素。”奎廷說。

許多動物也有血管系統。我們進化了一個封閉的循環系統，心臟通過動脈、毛細血管和靜脈泵送血液，將氧氣和營養物質輸送到身體周圍。研究報告的合著者、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的一種功能。我們為此付出代價，因為我們必須保持心臟跳動，這可能是我們代謝能量的一部分。”

植物也可能進化成心臟。但它們沒有。這為它們節省了大量的代謝能量。

與動物相比，植物循環系統是開放的，被動供電。陽光使水分蒸發，水分從樹葉的毛孔中逸出。這產生了一個負壓，將其下方的水拉起。科學家稱這個過程為“蒸騰作用”。

實質上，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。

科學家們對這一過程相當了解，但從來沒有人估計過它消耗了多少能量。“我只在一篇論文中看到它被特別提到作為能量。”合著者利安德·安德雷格（Leander Anderegg）說，“這是一個非常大的數字。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。”

這項特殊的研究源于基本的好奇心。安德雷格回憶道：“當我和格雷格（奎廷）都是研究生時，我們讀了很多關于植物蒸騰作用的書。在某個時候，植物在克服重力提升水的過程中做了多少工作？”他現在是生態學、進化和海洋生物學系的助理教授

格雷格說：“我說，我不知道。我想知道是否有人知道？我們當然也可以計算。”

大約十年后，他們繞了回來，就這樣做了。該團隊將植物電導的全球數據庫與sap上升的數學模型相結合，以估計世界植物生命用于抽水的功率。他們發現，地球的森林每年消耗大約9.4皮瓦時。他們很快指出，這與全球水力發電量相當。

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物和真菌，以及消耗它們的動物，等等。

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

這些發現可能沒有很多直接的應用，但它們幫助我們更好地了解地球上的生命。“事實上，有一個我們沒有量化的全球能量流，這有點不和諧，”奎廷說。“這似乎是一個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家研究的尺度之間。對于植物生理學家來說，它太大了，而對于研究地球系統的科學家來說，它又太小了。作者解釋說，只有在過去十年里，科學家們才收集了足夠的水分利用和木質部阻力數據，開始在全球范圍內解決蒸騰能量問題。

在這段時間內，科學家們已經能夠利用新的觀測和模型來完善地球系統中蒸騰作用的重要性。它影響溫度、氣流和降雨量，并有助于塑造一個地區的生態和生物多樣性。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。

現在還處于早期階段，團隊承認，在收緊估計方面還有很多工作要做。植物的莖對水流的傳導能力差異很大。例如，將耐寒的沙漠杜松與河邊的白楊木進行比較。安德雷格說：“一棵非常適應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。”

這一不確定性反映在作者的估計中，估計值介于每年7.4到15.4千兆瓦時之間。也就是說，這可能高達每年140皮瓦時，盡管奎廷承認這一上限不太可能。“我認為這種不確定性突出表明，我們對植物抗性的生物地理學（以及在較小程度上的蒸騰作用）仍有很多不了解，”他說。“這是在這些領域繼續研究的良好動機。”

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

來源: 中國綠發會