Elke dag wordt ongeveer een quadriljoen gallons water geruisloos van de grond naar de boomtoppen gepompt. Het plantenleven op aarde bereikt deze verbluffende prestatie met alleen zonlicht. Het kost energie om al deze vloeistof op te tillen, maar hoeveel was tot dit jaar een open vraag.

Onderzoekers van UC Santa Barbara hebben nu berekend hoeveel energie planten gebruiken om water door hun xyleem van de grond naar hun bladeren te verplaatsen. Ze ontdekten dat het gemiddeld 14% extra was van de energie die de planten via fotosynthese hebben geoogst. Op wereldschaal is dit vergelijkbaar met de productie van alle waterkracht van de mensheid. Hun studie, gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research:Biogeosciences , is de eerste die inschat hoeveel energie er gaat zitten in het optillen van water naar plantenluifels, zowel voor individuele planten als wereldwijd.

"Er is kracht nodig om water door het xyleem van de boom omhoog te bewegen. Het kost energie. We kwantificeren hoeveel energie dat is", zegt eerste auteur Gregory Quetin, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Geografie. Deze energie komt bovenop wat een plant via fotosynthese produceert. "Het is energie die passief uit de omgeving wordt geoogst, gewoon via de structuur van de boom."

Fotosynthese vereist koolstofdioxide, licht en water. CO₂ is overal in de lucht beschikbaar, maar de andere twee ingrediënten vormen een uitdaging:licht komt van boven en water van onder. Planten moeten het water dus (soms een behoorlijke afstand) omhoog brengen naar waar het licht is.

Complexere planten bereiken dit met een vasculair systeem, waarin buizen, xyleem genaamd, water van de wortels naar de bladeren brengen, terwijl andere buizen, floëem genaamd, de in de bladeren geproduceerde suiker naar de rest van de plant verplaatsen. "Vasculaire planten die xyleem ontwikkelen, is een enorm probleem waardoor bomen konden bestaan", zei Quetin.

Veel dieren hebben ook een vaatstelsel. We hebben een gesloten bloedsomloop ontwikkeld met een hart dat bloed door slagaders, haarvaten en aders pompt om zuurstof en voedingsstoffen door ons lichaam te brengen. "Dit is een functie waar veel organismen veel voor betalen", zegt co-auteur Anna Trugman, een assistent-professor bij de afdeling Geografie. "We betalen ervoor omdat we ons hart moeten laten kloppen, en dat is waarschijnlijk een groot deel van onze metabolische energie."

Planten kunnen ook harten hebben ontwikkeld. Maar dat deden ze niet. En het bespaart hen veel metabolische energie.

In tegenstelling tot dieren zijn de bloedsomloop van planten open en passief aangedreven. Zonlicht verdampt water, dat ontsnapt uit de poriën in de bladeren. Dit creëert een negatieve druk die het water eronder naar boven trekt. Wetenschappers noemen dit proces 'transpiratie'.

In wezen is transpiratie slechts een andere manier waarop planten energie uit zonlicht halen. Alleen hoeft deze energie, in tegenstelling tot fotosynthese, niet te worden verwerkt voordat ze kan worden gebruikt.

Wetenschappers begrijpen dit proces redelijk goed, maar niemand had ooit geschat hoeveel energie het verbruikt. "Ik heb het alleen specifiek als energie genoemd in één artikel," zei co-auteur Leander Anderegg, "en het was om te zeggen dat dit een heel groot aantal is. Als planten ervoor moesten betalen met hun metabolisme, zouden ze zou niet werken.'"

Deze specifieke studie is voortgekomen uit elementaire nieuwsgierigheid. "Toen Greg [Quetin] en ik allebei afgestudeerd waren, lazen we veel over plantentranspiratie", herinnert Anderegg zich, nu een assistent-professor bij de afdeling Ecologie, Evolutie en Mariene Biologie. "Op een gegeven moment vroeg Greg:'Hoeveel werk doen planten gewoon om water op te tillen tegen de zwaartekracht in?'"

"Ik zei:'Ik heb geen idee. Ik vraag me af of iemand het weet?' En Greg zei:'Dat kunnen we toch wel berekenen.'"

Ongeveer een decennium later cirkelden ze terug en deden precies dat. Het team combineerde een wereldwijde database van plantgeleiding met wiskundige modellen van sapopstijging om te schatten hoeveel energie het plantenleven in de wereld besteedt aan het pompen van water. Ze ontdekten dat de bossen op aarde ongeveer 9,4 petawattuur per jaar verbruiken. Dat is vergelijkbaar met de wereldwijde waterkrachtproductie, merken ze snel op.

Dit is ongeveer 14,2% van de energie die planten via fotosynthese opnemen. Het is dus een aanzienlijk deel van de energie waar planten van profiteren, maar die ze niet actief hoeven te verwerken. Deze gratis energie gaat naar de dieren en schimmels die planten consumeren, en de dieren die ze consumeren, enzovoort.

Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat het bestrijden van de zwaartekracht slechts een klein deel van dit totaal uitmaakt. De meeste energie gaat naar het overwinnen van de weerstand van de eigen stengel.

Deze bevindingen hebben misschien niet veel directe toepassingen, maar ze helpen ons het leven op aarde beter te begrijpen. "Het feit dat er een wereldwijde energiestroom van deze omvang is die we niet hadden gekwantificeerd, is enigszins schokkend," zei Quetin. "Het lijkt wel een concept dat door de kieren is geglipt."

De energieën die betrokken zijn bij transpiratie lijken tussen de schalen te vallen die verschillende wetenschappers onderzoeken. Het is te groot voor plantenfysiologen om te overwegen en te klein voor wetenschappers die aardse systemen bestuderen om zich er druk over te maken, dus werd het vergeten. En pas in het afgelopen decennium hebben wetenschappers voldoende gegevens verzameld over watergebruik en xyleemresistentie om de energie van transpiratie op wereldschaal aan te pakken, legden de auteurs uit.

Binnen die tijd hebben wetenschappers de betekenis van transpiratie in aardsystemen kunnen verfijnen met behulp van nieuwe waarnemingen en modellen. Het beïnvloedt temperaturen, luchtstromingen en regenval en helpt de ecologie en biodiversiteit van een regio vorm te geven. Het opstijgvermogen van het sap is een klein onderdeel van transpiratie in het algemeen, maar de auteurs vermoeden dat het opmerkelijk kan zijn gezien de aanzienlijke hoeveelheid energie die ermee gemoeid is.

Het staat nog in de kinderschoenen en het team geeft toe dat er nog veel werk aan de winkel is om hun schattingen aan te scherpen. Planten variëren sterk in hoe geleidend hun stengels zijn voor de waterstroom. Vergelijk bijvoorbeeld een winterharde woestijnjeneverbes met een populier aan de rivieroever. "Een jeneverbesboom die zeer droogte-aangepast is, heeft een zeer hoge weerstand," zei Anderegg, "terwijl populieren gewoon leven om water te pompen."

Deze onzekerheid wordt weerspiegeld in de schattingen van de auteurs, die tussen 7,4 en 15,4 petawattuur per jaar vallen. Dat gezegd hebbende, kan het oplopen tot 140 petawattuur per jaar, hoewel Quetin toegeeft dat deze bovengrens onwaarschijnlijk is. "Ik denk dat deze onzekerheid benadrukt dat er nog veel is dat we niet weten over de biogeografie van plantresistentie (en in mindere mate transpiratie),", zei hij. "Dit is een goede motivatie voor verder onderzoek op deze gebieden." + Verder verkennen

Het geheime leven van planten onthuld:ontdekking heeft gevolgen voor voedselproductie en koolstofopslag