Forscher quantifizieren die Energiemenge, die Pflanzen verbrauchen, um Wasser auf globaler Ebene zu heben

Jeden Tag werden ungefähr eine Billiarde Gallonen Wasser lautlos vom Boden in die Baumwipfel gepumpt. Die Pflanzenwelt der Erde vollbringt diese erstaunliche Leistung, indem sie nur Sonnenlicht verwendet. Es braucht Energie, um all diese Flüssigkeit zu heben, aber wie viel war bis zu diesem Jahr eine offene Frage.

Forscher der UC Santa Barbara haben nun die enorme Energie berechnet, die Pflanzen aufwenden, um Wasser durch ihr Xylem vom Boden zu ihren Blättern zu transportieren. Sie fanden heraus, dass es im Durchschnitt zusätzliche 14 % der Energie waren, die die Pflanzen durch Photosynthese geerntet haben. Im globalen Maßstab ist dies vergleichbar mit der Produktion der gesamten Wasserkraft der Menschheit. Ihre Studie, veröffentlicht in der Journal of Geophysical Research: Biogeowissenschaftenist der erste, der abschätzt, wie viel Energie in das Heben von Wasser zu den Pflanzenkronen fließt, sowohl für einzelne Pflanzen als auch weltweit.

„Es braucht Kraft, um Wasser durch das Xylem des Baums nach oben zu bewegen. Es braucht Energie. Wir quantifizieren, wie viel Energie das ist“, sagte Erstautor Gregory Quetin, Postdoktorand am Institut für Geographie. Diese Energie kommt zu dem hinzu, was eine Pflanze durch Photosynthese produziert. „Es ist Energie, die passiv aus der Umgebung gewonnen wird, einfach durch die Struktur des Baumes.“

Photosynthese benötigt Kohlendioxid, Licht und Wasser. CO2 ist in der Luft weit verbreitet, aber die beiden anderen Bestandteile stellen eine Herausforderung dar: Licht kommt von oben und Wasser von unten. Pflanzen müssen also das Wasser (manchmal über eine beträchtliche Entfernung) dorthin bringen, wo das Licht ist.

Komplexere Pflanzen erreichen dies mit einem Gefäßsystem, in dem Röhren namens Xylem Wasser von den Wurzeln zu den Blättern bringen, während andere Röhren namens Phloem den in den Blättern produzierten Zucker zum Rest der Pflanze transportieren. „Gefäßpflanzen, die Xylem entwickeln, ist eine große Sache, die es ermöglicht hat, dass Bäume existieren“, sagte Quetin.

Viele Tiere haben auch ein Gefäßsystem. Wir haben ein geschlossenes Kreislaufsystem mit einem Herz entwickelt, das Blut durch Arterien, Kapillaren und Venen pumpt, um unseren Körper mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. „Das ist eine Funktion, für die viele Organismen viel bezahlen“, sagte Co-Autorin Anna Trugman, Assistenzprofessorin am Institut für Geographie. „Wir zahlen dafür, weil wir unser Herz am Schlagen halten müssen, und das ist wahrscheinlich ein großer Teil unserer Stoffwechselenergie.“

Pflanzen könnten auch Herzen entwickelt haben. Aber sie taten es nicht. Und es spart ihnen viel Stoffwechselenergie.

Im Gegensatz zu Tieren sind pflanzliche Kreislaufsysteme offen und werden passiv mit Strom versorgt. Sonnenlicht verdunstet Wasser, das aus Poren in den Blättern entweicht. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der das Wasser darunter nach oben zieht. Wissenschaftler nennen diesen Vorgang „Transpiration“.

Im Wesentlichen ist Transpiration lediglich eine weitere Möglichkeit, wie Pflanzen Energie aus Sonnenlicht gewinnen. Nur muss diese Energie, anders als bei der Photosynthese, nicht verarbeitet werden, bevor sie genutzt werden kann.

Wissenschaftler verstehen diesen Prozess ziemlich gut, aber niemand hatte jemals geschätzt, wie viel Energie er verbraucht. „Ich habe nur gesehen, dass es in einem Artikel speziell als Energie erwähnt wurde“, sagte Co-Autor Leander Anderegg, „und da hieß es: ‚Das ist eine wirklich große Zahl. Wenn Pflanzen dafür mit ihrem Stoffwechsel bezahlen müssten, sie würde nicht funktionieren.'“

Diese spezielle Studie entstand aus grundlegender Neugier. „Als Gregor [Quetin] und ich beide Doktoranden waren, lasen wir viel über die Transpiration von Pflanzen“, erinnerte sich Anderegg, jetzt Assistenzprofessor am Institut für Ökologie, Evolution und Meeresbiologie. „Irgendwann fragte Greg: „Wie viel Arbeit leisten Pflanzen? nur Wasser gegen die Schwerkraft heben?'“

„Ich sagte: ‚Ich habe keine Ahnung. Ich frage mich, ob es jemand weiß?‘ Und Greg sagte: ‚Sicher können wir das berechnen.’“

Ungefähr ein Jahrzehnt später kehrten sie zurück und taten genau das. Das Team kombinierte eine globale Datenbank der Pflanzenleitfähigkeit mit mathematischen Modellen des Saftaufstiegs, um abzuschätzen, wie viel Energie die Pflanzen der Welt dem Pumpen von Wasser widmen. Sie fanden heraus, dass die Wälder der Erde etwa 9,4 Petawattstunden pro Jahr verbrauchen. Das entspreche der globalen Wasserkraftproduktion, betonen sie schnell.

Das sind etwa 14,2 % der Energie, die Pflanzen durch Photosynthese aufnehmen. Es ist also ein erheblicher Teil der Energie, von dem Pflanzen profitieren, aber nicht aktiv verarbeitet werden müssen. Diese kostenlose Energie geht an die Tiere und Pilze, die Pflanzen verzehren, und an die Tiere, die sie verzehren, und so weiter.

Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass der Kampf gegen die Schwerkraft nur einen winzigen Bruchteil dieser Gesamtmenge ausmacht. Die meiste Energie geht in die einfache Überwindung des Widerstands des pflanzeneigenen Stängels.

Diese Ergebnisse haben vielleicht nicht viele unmittelbare Anwendungen, aber sie helfen uns, das Leben auf der Erde besser zu verstehen. „Die Tatsache, dass es einen globalen Energiestrom dieser Größenordnung gibt, den wir nicht quantifiziert haben, ist leicht erschütternd“, sagte Quetin. „Es scheint ein Konzept zu sein, das durch die Ritzen gerutscht ist.“

Die an der Transpiration beteiligten Energien scheinen zwischen die Skalen zu fallen, die verschiedene Wissenschaftler untersuchen. Es ist zu groß für Pflanzenphysiologen, um es in Betracht zu ziehen, und zu klein für Wissenschaftler, die Erdsysteme untersuchen, um sich damit zu beschäftigen, also wurde es vergessen. Und erst in den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler genügend Daten über den Wasserverbrauch und die Xylemresistenz gesammelt, um die Energie der Transpiration auf globaler Ebene zu untersuchen, erklärten die Autoren.

Innerhalb dieser Zeit konnten Wissenschaftler die Bedeutung der Transpiration im Erdsystem mithilfe neuer Beobachtungen und Modelle verfeinern. Sie beeinflusst Temperaturen, Luftströmungen und Niederschläge und trägt zur Gestaltung der Ökologie und Biodiversität einer Region bei. Die Aufstiegskraft des Saftes ist insgesamt eine kleine Komponente der Transpiration, aber die Autoren vermuten, dass sie sich angesichts der erheblichen Energie, die damit verbunden ist, als bemerkenswert erweisen könnte.

Wir befinden uns noch in den Anfängen und das Team gibt zu, dass es noch viel zu tun gibt, um die Schätzungen zu verschärfen. Pflanzen unterscheiden sich stark darin, wie leitfähig ihre Stängel für den Wasserfluss sind. Vergleichen Sie zum Beispiel einen robusten Wüstenwacholder mit einer Pappel am Flussufer. „Ein sehr an Trockenheit angepasster Wacholder hat eine sehr hohe Widerstandskraft“, sagt Anderegg, „während Pappeln nur dafür leben, Wasser zu pumpen.“

Diese Unsicherheit spiegelt sich in den Schätzungen der Autoren wider, die zwischen 7,4 und 15,4 Petawattstunden pro Jahr liegen. Allerdings könnten es bis zu 140 Petawattstunden pro Jahr sein, obwohl Quetin zugibt, dass diese Obergrenze unwahrscheinlich ist. „Ich denke, diese Ungewissheit unterstreicht, dass wir noch vieles über die Biogeographie der Pflanzenresistenz (und in geringerem Maße über die Transpiration) nicht wissen“, sagte er. „Das ist eine gute Motivation für die weitere Forschung in diesen Bereichen.“