Todos los días, alrededor de mil billones de galones de agua se bombean silenciosamente desde el suelo hasta las copas de los árboles.
por Harrison Tasoff, Universidad de California – Santa Bárbara
La vida vegetal de la Tierra logra esta hazaña asombrosa usando solo la luz del sol. Se necesita energía para levantar todo este líquido, pero cuánto era una pregunta abierta hasta este año.
Investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara ahora han calculado la enorme cantidad de energía utilizada por las plantas para mover el agua a través de su xilema desde el suelo hasta las hojas. Descubrieron que, en promedio, era un 14% adicional de la energía que las plantas recolectaban a través de la fotosíntesis. A escala global, esto es comparable a la producción de toda la energía hidroeléctrica de la humanidad. Su estudio, publicado en el Journal of Geophysical Research: Biogeosciences , es el primero en estimar cuánta energía se utiliza para elevar el agua hasta las copas de las plantas, tanto para plantas individuales como en todo el mundo.
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“Se necesita poder para mover el agua a través del xilema del árbol. Se necesita energía. Estamos cuantificando cuánta energía es eso”, dijo el primer autor Gregory Quetin, investigador postdoctoral en el Departamento de Geografía. Esta energía se suma a la que produce una planta a través de la fotosíntesis. “Es energía que se recolecta pasivamente del medio ambiente, solo a través de la estructura del árbol”.
La fotosíntesis requiere dióxido de carbono, luz y agua. El CO 2 está ampliamente disponible en el aire, pero los otros dos ingredientes plantean un desafío: la luz viene de arriba y el agua de abajo. Por lo tanto, las plantas necesitan llevar el agua (a veces a una distancia considerable) hasta donde está la luz.
Las plantas más complejas logran esto con un sistema vascular, en el que los tubos llamados xilema llevan agua desde las raíces hasta las hojas, mientras que otros tubos llamados floema mueven el azúcar producido en las hojas hacia el resto de la planta. “La evolución del xilema de las plantas vasculares es un gran problema que permitió que existieran los árboles”, dijo Quetin.
Muchos animales también tienen un sistema vascular . Evolucionamos un sistema circulatorio cerrado con un corazón que bombea sangre a través de arterias, capilares y venas para llevar oxígeno y nutrientes a nuestro cuerpo. “Esta es una función por la que muchos organismos pagan mucho”, dijo la coautora Anna Trugman, profesora asistente en el Departamento de Geografía. “Lo pagamos porque tenemos que mantener nuestros corazones latiendo, y eso es probablemente una gran parte de nuestra energía metabólica “.
Las plantas también podrían haber desarrollado corazones. Pero no lo hicieron. Y les ahorra mucha energía metabólica.
A diferencia de los animales, los sistemas circulatorios de las plantas están abiertos y alimentados pasivamente. La luz del sol evapora el agua, que escapa de los poros de las hojas. Esto crea una presión negativa que levanta el agua debajo de él. Los científicos llaman a este proceso “transpiración”.
En esencia, la transpiración es simplemente otra forma en que las plantas obtienen energía de la luz solar. Es solo que, a diferencia de la fotosíntesis, esta energía no necesita ser procesada antes de que pueda usarse.
Los científicos entienden bastante bien este proceso, pero nadie había estimado nunca cuánta energía consume. “Solo lo he visto mencionado específicamente como energía en un artículo”, dijo el coautor Leander Anderegg, “y era para decir que ‘este es un número realmente grande. Si las plantas tuvieran que pagarlo con su metabolismo, no funcionaría'”.
Este estudio en particular surgió de la curiosidad básica. “Cuando Greg [Quetin] y yo éramos estudiantes de posgrado, leíamos mucho sobre la transpiración de las plantas”, recordó Anderegg, ahora profesor asistente en el Departamento de Ecología, Evolución y Biología Marina. “En algún momento, Greg preguntó: ‘¿Cuánto trabajo hacen las plantas simplemente levantando agua contra la gravedad?'”
“Dije: ‘No tengo idea. Me pregunto si alguien lo sabe’. Y Greg dijo: ‘Seguramente podemos calcular eso'”.
Aproximadamente una década después, dieron la vuelta e hicieron exactamente eso. El equipo combinó una base de datos global de conductancia de plantas con modelos matemáticos de ascenso de savia para estimar cuánta energía dedica la vida vegetal del mundo a bombear agua. Descubrieron que los bosques de la Tierra consumen alrededor de 9,4 petavatios-hora por año. Eso está a la par con la producción mundial de energía hidroeléctrica, señalan rápidamente.
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Esto es aproximadamente el 14,2% de la energía que toman las plantas a través de la fotosíntesis. Por lo tanto, es una parte importante de la energía de la que las plantas se benefician pero no tienen que procesarla activamente. Esta energía gratuita pasa a los animales y hongos que consumen plantas , y a los animales que las consumen, y así sucesivamente.
Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que luchar contra la gravedad representa solo una pequeña fracción de este total. La mayor parte de la energía se destina simplemente a vencer la resistencia del propio tallo de la planta.
Es posible que estos hallazgos no tengan muchas aplicaciones inmediatas, pero nos ayudan a comprender mejor la vida en la Tierra. “El hecho de que haya una corriente de energía global de esta magnitud que no hayamos cuantificado es ligeramente discordante”, dijo Quetin. “Parece un concepto que se escapó”.
Las energías involucradas en la transpiración parecen estar entre las escalas que examinan diferentes científicos. Es demasiado grande para que lo consideren los fisiólogos de plantas y demasiado pequeño para que los científicos que estudian los sistemas de la Tierra se molesten, por lo que se olvidó. Y solo en la última década los científicos recopilaron suficientes datos sobre el uso del agua y la resistencia del xilema para comenzar a abordar la energía de la transpiración a escala global, explicaron los autores.
En ese tiempo, los científicos han podido refinar la importancia de la transpiración en los sistemas de la Tierra utilizando nuevas observaciones y modelos. Afecta las temperaturas, las corrientes de aire y las precipitaciones, y ayuda a dar forma a la ecología y la biodiversidad de una región. El poder de ascenso de la savia es un pequeño componente de la transpiración en general, pero los autores sospechan que puede resultar digno de mención dada la energía significativa involucrada.
Todavía son los primeros días, y el equipo admite que hay mucho trabajo por hacer para ajustar sus estimaciones. Las plantas varían ampliamente en cuanto a la conductividad de sus tallos al flujo de agua. Compare un enebro del desierto resistente con un álamo ribereño, por ejemplo. “Un árbol de enebro que está muy adaptado a la sequía tiene una resistencia muy alta”, dijo Anderegg, “mientras que los álamos solo viven para bombear agua”.
Esta incertidumbre se refleja en las estimaciones de los autores, que oscilan entre 7,4 y 15,4 petavatios-hora al año. Dicho esto, podría llegar a 140 petavatios-hora por año, aunque Quetin admite que este límite superior es poco probable. “Creo que esta incertidumbre destaca que todavía hay mucho que no sabemos sobre la biogeografía de la resistencia de las plantas (y, en menor medida, la transpiración )”, dijo. “Esta es una buena motivación para continuar la investigación en estas áreas”.
Más información: Gregory R. Quetin et al, Quantifying the Global Power Needed for Sap Ascent in Plants,
Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (2022). DOI: 10.1029/2022JG006922
