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所有生物体都必须执行一系列基本功能才能维持自身。这些过程之一涉及在整个生物体中运输材料。因此，生物体需要与环境交换物质，这可以从小规模的细胞之间相互运输蛋白质和其他物质上看出，也可以在更大的尺度上看到，例如水循环，水在地球表面、上方和下方不断移动。在这两个例子中，材料从一个区域到另一个区域的移动是一个受环境和生物变量调节的动态过程。
维管植物，从最小的蕨类植物到加利福尼亚的巨型红杉，通过从植物根部到尖端的维管束系统将水和水溶性物质输送到整个植物中。具体来说，水和养分被根毛吸收，并通过渗透作用转移到植物的木质部中，木质部是植物中发现的两个大型维管系统之一。然后，水被输送到植物的最高点，并向外输送到发生光合作用的叶子中。有趣的是，植物吸收的水中只有 1% 用于光合作用。另外 99% 的水不被植物直接使用，而是由于蒸发或内脏作用（也称为蒸腾作用）从植物中流失。蒸发是水向空气中的运动，其中内脏特指从植物的孔隙中分泌水滴。这两个过程结合起来构成了植物中的蒸腾作用。
植物的叶子在通过其气孔释放光合作用的副产品方面起着重要作用，气孔是允许植物和大气之间交换物质的开口。气孔以保卫细胞为边界，保卫细胞调节气孔何时打开和关闭。这是大部分水因蒸发而损失的活跃场所，也是气体与大气交换的场所。虽然工厂因蒸发而损失水分乍一看似乎是一个糟糕的策略，但为了维持工厂中材料和水的运输，同时最大限度地增加气体输入，这是不可避免的。蒸腾作用产生的水浓度较低，因此叶片中的渗透电位较低。这些水浓度的差异是驱动水进入植物叶子以及将水释放到大气中的原因。
水势驱动从根毛吸收水分，并将水分输送到叶尖。水势是水自由能的量度，其中水分子从水势较高的区域移动到水势较低的区域。当叶子的蒸发量很高时，就会产生水势较低的区域，或者水量较少的区域，因此根和茎的水被驱赶到叶子上。水分子的内聚力和粘附特性使水的这种运动成为可能。内聚力是水分子相互吸引，粘附力是水分子对其他材料（如木质部壁）的吸引力。当水分子通过气孔流出时，它们会将水分子拉到下面，导致水向较低的水势移动。
植物物种的物理特性以及它们在生态系统中的形态和功能差异很大。植物物种之间的这些差异以及远亲植物物种之间的相似性是随着时间的推移通过进化形成的，更具体地说，是由食草动物、传粉者和其他气候和环境因素施加的选择形成的。因此，蒸腾速率的差异受环境和植物物种本身的影响。驱动蒸腾速率的主要环境因素是温度。较高的温度会增加蒸腾速率，因为水分通过蒸发损失得更快。生活在炎热环境中的植物比位于凉爽气候中的植物更容易损失更多的水分。水的可用性、风、阳光等因素也有助于影响植物的蒸腾速率。
生活在炎热和干旱环境中的植物具有特定的适应性，可以帮助它们控制水分流失，例如储存或节约用水的能力。这些环境中的一组植物，也称为 Crassulacean 酸代谢或 CAM 植物，已经进化出策略，例如只在夜间打开气孔进行气体交换，以减少水分流失1。 干旱环境特有的其他一些植物特征包括叶表面积减少、气孔减少或叶子上有毛以节约水分。然而，在限制水分流失和具有光合作用所需的最佳蒸腾速率之间需要权衡。光合作用的速率与植物的生长速率和能量获取速率有关，而植物的生长速率和能量获取速率又与水分的摄入和损失速率有关，因此植物能够平衡这种权衡非常重要。另一方面，在水不是限制资源的环境中，例如热带雨林，植物面临不同的选择压力，这些压力会导致蒸腾速率的差异。在这些环境中，自然选择可能反而偏爱能够更快地运输水分的植物物种，以便长得比竞争对手的邻居长得更高，以避免被食草动物吃掉。
蒸腾速率可以通过使用测钾仪间接评估，测钾仪是一种测量多叶植物吸水速率的设备。电位计测量的假设是蒸腾作用会导致水分吸收，其量可以量化。此外，科学家可以通过观察叶片结构来确定植物的相对蒸腾速率，例如每单位面积气孔的大小和数量。
研究植物蒸腾速率不仅可以告诉我们植物如何适应不同的环境，还可以提供有关如何在不同环境条件下最好地种植作物以增加粮食产量并调整我们对植物的使用以适应全球气候变化和人口增长的信息。例如，蒸腾速率会因全球变暖和其他原因而改变，并可能影响全球水循环，进而影响生态系统和人类2。因此，了解这些变化对于制定补救其负面影响的策略是必要的。此外，研究不同作物的蒸腾速率有助于确定水分利用效率高的作物，从而提高单位水的粮食产量并减少灌溉需求3。
从沙漠到温带森林，再到海底，世界上几乎所有的生态系统中都有植物。由于自然选择，植物已经进化出惊人的多样性来应对不同的环境挑战。植物面临的主要挑战之一是保持适当的水分。水是它们进行光合作用、结构支持以及营养物质和其他重要分子运输所依赖的关键资源。植物控制水分平衡的一种方法是调节称为蒸腾作用的过程，该过程本质上是植物地上部分的水蒸发。这种水分流失主要发生在叶子上称为气孔的孔隙中。但是水是怎么来的呢？
为了回答这个问题，让我们更仔细地观察地下。在这里，水通过渗透作用进入植物根部，然后通过称为木质部的维管组织一直向上移动到叶子。这条水道被称为蒸腾流。因为水分子彼此粘附并粘附在木质部壁上，当水从气孔蒸发时，水从蒸腾流的下部被向上拉，取而代之，导致从根部向上流动。现在让我们仔细看看造口。每个气孔孔都由两个保卫细胞接壤，这两个保卫细胞可以扩大以打开孔隙，收缩以关闭孔隙。植物打开气孔吸收二氧化碳进行光合作用并释放氧气。蒸腾作用造成的水分损失是此过程不可避免的副作用。
这种权衡对生活在干旱环境中的植物提出了特殊的挑战，因此它们已经发展出尽可能减少水分流失的策略。他们可以做到这一点的一种方法是种植表面积小的叶子，呈现出可以发生蒸腾的小区域。这就是为什么杂酚油等沙漠植物的叶子相对较小的原因。但更进一步，来自干旱环境的植物叶子上每单位面积的气孔也较少，这使它们能够最大限度地减少通过蒸腾作用造成的水分损失。
相比之下，栖息在热带雨林等水源丰富的环境中的植物可以承受通过蒸腾作用损失大量水分。例如，像这种芋头这样的植物通常会长出具有大表面积的叶子，这增加了它们拦截光以推动光合作用的能力。与来自干旱栖息地的植物相比，这些植物还具有高密度的气孔，使它们能够保持高光合作用速率并支撑大叶子和茎。
在本实验中，您将测量蒸腾速率并检查不同植物物种中叶片气孔的频率，以揭示来自不同栖息地的植物如何解决调节蒸腾的问题。
