Растение произвежда вода, сякаш дошла от космоса

Анализът на вода, изтеглена през кухото стъбло на живо растение Equisetum, познато като хвощ, е регистрирал най-екстремните следи на кислороден изотоп, измервани някога в който и да е земен материал.

Това откритие разширява известните химични граници на водата на Земята и кара учените да преосмислят как растенията, фосилите и дори пустинният климат регистрират преминаването на изпаренията.

Изненада с размерите на стъблото

По гладкото, съчленено стъбло на съвременното растение хвощ, водата става все по-необичайна в кислородния си състав с издигането си от основата.

Като взимат проби от водата от основата до върха, д-р Закари Шарп (Zachary Sharp) от Университета на Ню Мексико демонстрира, че самото стъбло постоянно концентрира тежък кислород, докато влагата излиза в сухия въздух.

Стойностите, които започват в рамките на типичен естествен диапазон в основата, се изкачваха до нива, толкова обогатени във върха, че надминаваха всяко предишно земно измерване.

Тъй като тази химическа трансформация се развива в рамките на едно растение, а не в екстремна среда, откритието изисква по-внимателно разглеждане на това как изпарението променя формата на водата много преди тя да достигне до листата.

Изпарението нагоре по стъблото

Изпарението продължава да издърпва вода от стъблото, докато се издига, дори преди да достигне до листните разклонения.

Докато капчиците излизат през стената на стъблото, по-леките водни молекули напускат първи, така че остава по-тежкият кислород .

Всеки по-висок сегмент започва с вече обогатена вода, след което губи още повече леки водни молекули във въздуха, изграждайки екстремен градиент към върха.

Сухият вятър и топлината могат да ускорят този процес, което помага да се обяснят странните данни за кислорода от пустинните растения.

Кислородните атоми като улики

Кислородът във водата носи химичен подпис, който учените използват, за да проследят откъде идва влагата и какво се случва след това.

Водната проба съдържа повече от един вид кислород, а изотопите – атоми на един елемент с различни маси – маркират тази смес.

Когато водата изсъхва, молекулите с по-лек кислород излитат първи, а останалата течност задържа по-тежкия кислород заради изпарението.

Без внимателно тълкуване, това просто сортиране може да направи езеро, листо или вкаменелост да изглеждат по-влажни или по-сухи, отколкото са били.

Три кислородни сигнала

Три отделни кислородни варианта в една и съща водна капка позволиха на учените да определят дали изпарението или изворната вода са довели до промяната.

Екипът на Шарп разглежда едновременно три варианта на кислород, проследявайки как всеки от тях се променя заедно във водата, движеща се през стъблото.

Този допълнителен слой е от значение, защото тежкият кислород е рядък и малки отклонения могат да се скрият, когато се измерва само едно съотношение.

С три сигнала едновременно, екипът би могъл да тества закономерностите в растенията и водата по начин, по който обикновените измервания не могат.

Отвъд Земята

Фосилни останки от хвощове достигат до девон, период отпреди около 400 милиона години, което определя дългия им произход.

Във водата от стъблото на хвощ, делът на по-тежкия кислород се покачва рязко от основата към върха, достигайки нива, които никой преди не е измервал в живо растение.

"Ако видя такава проба, щях да кажа, че е от метеорит"“, обяснява Шарп.

Чрез петкратно разтягане на известния диапазон на кислорода в рамките на Земята и Слънчевата система, резултатите дават на моделиращите твърда граница.

Химия на затворената вода

Вътре в тъканите на хвоща, силициевият диоксид изгражда малки стъкловидни тела, които могат да оцелеят дълго след смъртта на растението.

Изследователите наричат ​​тези тела фитолити , малки силициеви отливки, образувани вътре в растенията, а хвощът се нарежда сред най-силните акумулатори на силициев диоксид.

Според данните на Шарп, кислородният отпечатък във фитолитния силициев диоксид не съвпада с водата, движеща се през стъблото.

Това несъответствие означава, че показанията на фосилните фитолити могат да сочат грешна история за влажността, особено когато изследователите осреднят цялото стъбло .

Коригиране на допусканията на модела

Моделите, които предсказват химичния състав на водата в растенията, зависят от няколко константи и една от тях е била леко неправилна.

Използвайки измервания от цялото стъбло, екипът на Шарп коригира ключово число в моделите на изпарение, така че то да съответства по-добре на това как водните пари действително се движат през сух въздух.

Това актуализирано число помага да се обяснят по-ранните озадачаващи показания за кислород в пустинните растения и животни, които пият от силно изпарена вода.

По-добрите константи няма да отстранят всяка неопределеност, но намаляват риска да се търси причината в биологията, когато физиката е задвижвала сигнала.

Фосилите срещат сухия въздух

Учените са тествали кислородните сигнали от изкопаемите фитолити като начин за оценка на миналата влажност.

Тъй като влагата във въздуха влияе върху това колко бързо водата се отделя от растенията, кислородният модел, който остава след това, може да отразява колко сух е бил въздухът.

"Вече можем да започнем да реконструираме влажността и климатичните условия на околната среда, датиращи от времето, когато динозаврите са бродили по Земята", отбелязва Шарп.

Все пак, предупреждението на Шарп за несъответстващи фитолитни сигнали поставя ограничения върху това, което тези фосили могат да кажат без допълнителен контекст.

Екстремните водни отпечатъци от жив хвощ дават на учените нов начин за стрес-тестиране на климатични модели и фосилни заместители.

Бъдещата работа ще трябва да картографира подобни сигнали в други растения и среди, особено там, където сушата довежда изпарението до краен предел.

Справка: Extreme triple oxygen isotope fractionation in Equisetum; Zachary Sharp, Jordan Wostbrock, Anthony Gargano, +21 , and James Ehleringer, Proceedings of the National Academy of Sciences 2025; 122 (44) e2507455122
https://doi.org/10.1073/pnas.2507455122

Източник: Plant that has lived on Earth over 400 million years produces water that looks like it came from space, Jordan Joseph, Earth.com

Още по темата

01/09/2023

Физика

Открит е изототоп на кислорода, който се противопоставя на всичките очаквания за това как трябва да се държи

17/08/2023

Животът

Учените изследват "колизеума" на динозаврите в Аляска

28/11/2017

Физика

Изотопът никел-78 е двойно магически или свръхнова в лаборатория

17/11/2014

Земята

Кратка геохронологична таблица