Varje dag pumpas omkring en kvadriljon liter vatten tyst från marken till trädtopparna. Jordens växtliv åstadkommer denna häpnadsväckande bedrift med bara solljus. Det tar energi att lyfta upp all denna vätska, men hur mycket var en öppen fråga fram till i år.

Forskare vid UC Santa Barbara har nu beräknat den enorma mängd energi som används av växter för att flytta vatten genom sin xylem från jorden till sina löv. De fann att det i genomsnitt var ytterligare 14 % av energin som växterna skördade genom fotosyntes. På en global skala är detta jämförbart med produktionen av all mänsklighetens vattenkraft. Deras studie, publicerad i Journal of Geophysical Research:Biogeosciences , är den första att uppskatta hur mycket energi som går åt till att lyfta upp vatten till växtkronorna, både för enskilda växter och över hela världen.

"Det krävs kraft för att flytta vatten upp genom trädets xylem. Det tar energi. Vi kvantifierar hur mycket energi det är", säger första författaren Gregory Quetin, en postdoktor vid institutionen för geografi. Denna energi kommer utöver vad en växt producerar via fotosyntes. "Det är energi som skördas passivt från miljön, bara genom trädets struktur."

Fotosyntes kräver koldioxid, ljus och vatten. CO₂ finns allmänt tillgängligt i luften, men de andra två ingredienserna utgör en utmaning:Ljus kommer ovanifrån och vatten underifrån. Så växter måste föra upp vattnet (ibland ett stort avstånd) till där ljuset är.

Mer komplexa växter åstadkommer detta med ett kärlsystem, där rör som kallas xylem för vatten från rötterna till bladen, medan andra rör som kallas floem flyttar socker som produceras i bladen ner till resten av växten. "Kärlväxter som utvecklar xylem är en enorm sak som gjorde det möjligt för träd att existera," sa Quetin.

Många djur har också ett kärlsystem. Vi utvecklade ett slutet cirkulationssystem med ett hjärta som pumpar blod genom artärer, kapillärer och vener för att leverera syre och näringsämnen runt våra kroppar. "Det här är en funktion som många organismer betalar mycket för", säger medförfattaren Anna Trugman, biträdande professor vid institutionen för geografi. "Vi betalar för det eftersom vi måste hålla våra hjärtan slå, och det är förmodligen mycket av vår metabola energi."

Växter kunde också ha utvecklat hjärtan. Men det gjorde de inte. Och det sparar dem mycket metabol energi.

I motsats till djur är växternas cirkulationssystem öppna och drivs passivt. Solljus avdunstar vatten, som strömmar ut från porerna i löven. Detta skapar ett undertryck som drar upp vattnet under sig. Forskare kallar denna process "transpiration."

I huvudsak är transpiration bara ett annat sätt att växter skördar energi från solljus. Det är bara det att, till skillnad från vid fotosyntes, behöver denna energi inte bearbetas innan den kan tas i bruk.

Forskare förstår denna process ganska väl, men ingen hade någonsin uppskattat hur mycket energi den förbrukar. "Jag har bara sett det nämnt specifikt som energi i ett dokument," sa medförfattaren Leander Anderegg, "och det var att säga att" det här är ett riktigt stort antal. Om växter var tvungna att betala för det med sin ämnesomsättning, de skulle inte fungera.'"

Denna speciella studie växte fram ur grundläggande nyfikenhet. "När Greg [Quetin] och jag båda var doktorander, läste vi mycket om växttranspiration," mindes Anderegg, nu biträdande professor vid institutionen för ekologi, evolution och marinbiologi. "Vid något tillfälle frågade Greg, 'Hur mycket arbete gör växter bara för att lyfta vatten mot gravitationen?'"

"Jag sa:'Jag har ingen aning. Jag undrar om någon vet?' Och Greg sa, 'Visst kan vi räkna ut det.'"

Ungefär ett decennium senare cirklade de tillbaka och gjorde just det. Teamet kombinerade en global databas över växtledningsförmåga med matematiska modeller av savuppstigning för att uppskatta hur mycket kraft världens växtliv ägnar åt att pumpa vatten. De fann att jordens skogar konsumerar cirka 9,4 petawattimmar per år. Det är i nivå med global vattenkraftproduktion, påpekar de snabbt.

Detta är cirka 14,2 % av den energi som växter tar in genom fotosyntesen. Så det är en betydande del av energin som växter drar nytta av men som inte behöver bearbeta aktivt. Denna fria energi överförs till djuren och svamparna som konsumerar växter, och djuren som konsumerar dem, och så vidare.

Överraskande upptäckte forskarna att kampen mot gravitationen bara står för en liten bråkdel av denna summa. Det mesta av energin går till att helt enkelt övervinna motståndet hos en växts egen stam.

Dessa fynd kanske inte har många omedelbara tillämpningar, men de hjälper oss att bättre förstå livet på jorden. "Det faktum att det finns en global energiström av den här storleken som vi inte har kvantifierat är milt skakande," sa Quetin. "Det verkar som ett koncept som gled igenom stolarna."

Energierna som är involverade i transpiration tycks hamna mellan de skalor som olika forskare undersöker. Det är för stort för växtfysiologer att överväga och för litet för forskare som studerar jordsystem att bry sig om, så det glömdes bort. Och det är bara under det senaste decenniet som forskare har samlat in tillräckligt med data om vattenanvändning och xylemresistens för att börja ta itu med transpirationsenergin på global skala, förklarade författarna.

Inom den tiden har forskare kunnat förfina betydelsen av transpiration i jordsystem med hjälp av nya observationer och modeller. Det påverkar temperaturer, luftströmmar och nederbörd, och hjälper till att forma en regions ekologi och biologiska mångfald. Sapuppstigningskraft är en liten del av transpirationen totalt sett, men författarna misstänker att det kan visa sig vara anmärkningsvärt med tanke på den betydande energi som är involverad.

Det är fortfarande tidiga dagar, och teamet medger att det finns mycket arbete att göra för att skärpa sina uppskattningar. Växter varierar mycket i hur ledande deras stjälkar är för vattenflödet. Jämför till exempel en tålig ökenen med en bomullsträ vid floden. "Ett enbär som är väldigt torkanpassat har en mycket hög motståndskraft", sa Anderegg, "medan bomullsträd bara lever för att pumpa vatten."

Denna osäkerhet återspeglas i författarnas uppskattningar, som ligger mellan 7,4 och 15,4 petawattimmar per år. Som sagt, det kan vara så högt som 140 petawattimmar per år, även om Quetin medger att denna övre gräns är osannolik. "Jag tror att denna osäkerhet belyser att det fortfarande finns mycket vi inte vet om biogeografin av växtresistens (och i mindre utsträckning transpiration)," sa han. "Detta är bra motivation för fortsatt forskning inom dessa områden." + Utforska vidare

Växternas hemliga liv avslöjades:Upptäckten har konsekvenser för livsmedelsproduktion och kollagring