När växter suger upp vatten från rötterna för att ge näring åt stjälkar och blad uppstår en elektrisk potential som skulle kunna utnyttjas som en förnybar energikälla. Som alla levande varelser är dock växter underkastade en dygnsrytm – den biologiska klocka som styr biologiska processer genom dag- och nattcykler. Hos växter innebär denna dygnscykel bland annat att de fångar upp ljusenergi för fotosyntes och absorberar vatten och näringsämnen från jorden under dagen och saktar ner sina tillväxtprocesser under natten.
I en studie som publicerades denna vecka i Physics of Fluids beskriver forskare från Indian Institute of Technology Kharagpur i detalj hur biologiska processer producerar spänning i växter och hur de cykliska förändringarna mellan dag och natt påverkar denna spänning.
”Denna strömpotential, som i huvudsak är en följd av den naturliga energi som samlas i växten, erbjuder en förnybar energikälla som är kontinuerlig och kan vara hållbar under långa perioder”, säger Suman Chakraborty. ”Frågan vi ville besvara var hur mycket potential den kan producera, och hur påverkas den elektriska potentialen av växtens biologiska klocka?”
För att ta reda på det satte författarna in elektroder i stjälkarna på vattenhyacinter och fäste reservoarer med elektroder på bitar av lycklig bambu för att noggrant undersöka hur den elektriska potentialen förändras beroende på typer av joner, jonkoncentration och pH-värdet i den vätska som strömmar genom växterna.
”Vårt eureka-ögonblick var när våra första experiment visade att det är möjligt att producera elektricitet i en cyklisk rytm och den exakta kopplingen mellan detta och växtens inneboende dygnsrytm”, säger Chakraborty. ”Vi kunde exakt fastställa hur detta är relaterat till vattnets transpiration och de joner som växten transporterar via saftstigningen.”
Studien kvantifierade spänningsresponsen som härrör från joners rörelse genom växtens vägar som är unikt anpassade till växtens dygnsrytm. Författarna upptäckte att växter aktivt kan moderera flödet av vätska eller växtsaft i takt med dag- och nattcyklerna. De fann också att den elektriska strömpotentialen ökar med minskad koncentration av joner eller ökat pH i vätskan.
”Vi har inte bara återupptäckt växternas elektriska rytm och uttryckt den i termer av spänningar och strömmar, utan vi har också gett insikter om hur man kan utnyttja växternas elektriska kraftproduktion på ett hållbart sätt utan miljöpåverkan och utan att störa ekosystemet”, säger Chakraborty.
”Resultaten kan bidra till att utveckla biomimetiska, naturinspirerade system som kan hantera den globala energikrisen med en miljövänlig, hållbar lösning där trädplantering inte bara lindrar klimatförändringarna och den försämrade miljökvaliteten, utan också gör det möjligt att utvinna elektricitet från träden.”
Ytterligare information: How does the diurnal biological clock influence electrokinetics in a living plant?, Physics of Fluids (2024). DOI: 10.1063/5.0195088
