什么限制了光合作用？揭示地球系统中共生物圈的热力学约束
大气与海洋物理
2022-10-18 v3 生物物理
摘要
光合作用将阳光转化为滋养地球生物圈的化学自由能，然而其转化水平远低于热力学所允许的程度。本文提出，光合作用尽管如此仍受热力学限制，但该限制间接作用于水与二氧化碳的物质交换。我利用基于全球观测的辐射、光合作用、降水和蒸发数据集证实了这一解释。我首先计算了陆地生态系统中光合作用的转换效率及其气候学变化，中位效率为0.78%（n = 13445）。该速率与蒸发紧密相关（r2 = 0.89），这表明光合作用与物质交换的耦合十分重要。随后，我利用太阳辐射和降水数据集，从地表与大气之间热力学上可能的物质最大交换推断出蒸发。该推断速率与基于观测的蒸发数据集紧密相关（r2 = 0.85）。当将此速率转换回光合活动时，所得模式与基于观测的数据集高度相关（r2 = 0.56）。这支持了如下解释：直接限制陆地光合作用的并非能量，而是由阳光驱动的物质交换。该解释能够说明陆地生态系统中观测到的极低光合作用转换效率及其空间变化。更一般地，这意味着要理解生命的热力学，就必须将生命所需的物质流与交换纳入考量。这最终要求一种将生物圈活动与地球系统中传输过程的热力学约束联系起来的视角。
引用
@article{arxiv.2005.06529,
title = {What limits photosynthesis? Identifying the thermodynamic constraints of the biosphere within the Earth system},
author = {Axel Kleidon},
journal= {arXiv preprint arXiv:2005.06529},
year = {2022}
}
备注
accepted for publication in Special Issue "21st European Bioenergetics Conference", Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics