Ecosysteem en evenwicht

Energiestroom door een ecosysteem

Energie gaat door een ecosysteem heen, niet rond. Producenten leggen zonne-energie vast in organische stof. Consumenten halen die energie eruit door te eten, reducenten door dode resten af te breken. Bij elke stap gaat een deel als warmte verloren.

De plaats van een organisme in die reeks heet het trofisch niveau, geteld vanaf de producent. Omdat er per stap maar een klein deel van de energie doorgaat, worden de niveaus snel smaller: dat is waarom een voedselketen zelden meer dan vier of vijf schakels telt.

Wie legt de energie vast

Organismen verschillen in hoe ze aan hun organische stof komen. Foto-autotrofen maken die zelf met licht als energiebron; chemo-autotrofen doen hetzelfde, maar halen hun energie uit anorganische reacties. Heterotrofen kunnen het niet zelf en moeten het uit ander organisch materiaal halen.

De opbrengst druk je uit in productie. De bruto primaire productie is alles wat de producenten vastleggen; wat overblijft nadat zij hun eigen dissimilatie hebben betaald, is de netto primaire productie — en dat is wat er voor de rest van het ecosysteem beschikbaar komt. Productiviteit zet dat af tegen oppervlakte en tijd, zodat je gebieden kunt vergelijken.

Verstoring van de energiestroom

Grijpt de mens in op een trofisch niveau, dan werkt dat door de hele keten. Overbevissing haalt schakels weg en laat de aantallen daaronder en daarboven verschuiven. Ontbossing haalt de vastlegging zelf weg: minder producenten betekent minder energie die het systeem in komt, en tegelijk minder koolstof die uit de lucht wordt gehaald.

Klimaatverandering werkt subtieler. Soorten verschuiven in ruimte en tijd, maar niet allemaal even snel, waardoor eter en gegetene uit de pas kunnen raken.

Kringlopen van elementen

Anders dan energie gaan stoffen wél rond. Een element doorloopt een kringloop en komt uiteindelijk weer terug bij het begin.

De drie groepen hebben elk hun rol. Producenten bouwen anorganische stof in tot organische stof, met fotosynthese als motor. Consumenten geven die stof door en breken een deel af bij hun dissimilatie. Reducenten sluiten de kring: zij breken dode resten en uitwerpselen af tot anorganische stof, waarmee de bouwstoffen weer beschikbaar komen. Zonder reducenten loopt elke kringloop binnen de kortste keren vast.

De koolstofkringloop en de stikstofkringloop zijn de twee die het examen het vaakst vraagt.

Processen in de stikstofkringloop

Stikstofgas is verreweg de grootste voorraad stikstof, maar zo stabiel dat vrijwel geen organisme hem rechtstreeks kan gebruiken. De kringloop draait daarom om een reeks omzettingen, elk door hun eigen bacteriën.

Stikstofbinding maakt van stikstofgas een bruikbare vorm. Ammonificatie levert uit dode resten en uitwerpselen ammoniak en ammonium. Nitrificatie zet ammonium via nitriet om in nitraat; planten kunnen, afhankelijk van de soort en omstandigheden, nitraat en ammonium opnemen — dat gebeurt aeroob. Denitrificatie doet het omgekeerde en brengt nitraat terug naar stikstofgas; dat gebeurt juist anaeroob, in natte, zuurstofarme bodems.

Methaan hoort bij de koolstofkringloop, niet bij de omzetting van stikstof. Het het ontstaat bij afbraak zonder zuurstof en is een sterk broeikasgas.

Verstoring van kringlopen

Komt er meer van een stof in het systeem dan de kringloop aankan, dan loopt het ergens over. Nitraat spoelt gemakkelijk uit naar grond- en oppervlaktewater, waar het niet meer bij de wortels komt maar wel de waterkwaliteit bepaalt.

Daar veroorzaakt het eutrofiëring: algen groeien hard, sterven af, en hun afbraak haalt het zuurstof uit het water — met vissterfte als gevolg. In de atmosfeer speelt hetzelfde met koolstof: broeikasgassen houden warmtestraling vast, wat op zichzelf normaal is en de aarde leefbaar maakt, maar bij een te hoge concentratie het klimaat verschuift.

Kringlopen sluiten

Wat de mens doet, bepaalt of een kringloop open of gesloten blijft. Hergebruik houdt een product in omloop; recyclen brengt het materiaal terug tot grondstof en maakt er iets nieuws van. Allebei besparen ze grondstof, maar recyclen kost zelf ook energie.

De uitkomst laat zich aflezen aan de biodiversiteit. Blijven kringlopen open, dan hoopt zich aan de ene kant afval op en raakt aan de andere kant grondstof op, en dat gaat ten koste van de verscheidenheid aan soorten en ecosystemen.

Dynamiek in een ecosysteem

Aantallen in een ecosysteem staan nooit stil. De populatiegrootte verandert door geboorte, sterfte en migratie, en die drie samen maken de dynamiek.

Welke factor de zaak in de hand houdt, wisselt. Van elke factor heeft een soort een optimum en een tolerantiebereik; buiten dat bereik redt hij het niet. Een beperkende factor begrenst op dat moment de groei. Factoren kunnen elkaar beïnvloeden; een afstand tot het optimum kun je niet zonder meer vergelijken tussen temperatuur, voedsel en andere grootheden. Op kleine schaal kan het microklimaat sterk afwijken van de omgeving, waardoor er onder een steen of in een bosrand heel andere soorten leven.

De eilandtheorie beschrijft hoe het aantal soorten in een geïsoleerd gebied uitkomt op een evenwicht tussen nieuwkomers en uitsterven.

Successie

Een kale plek blijft niet kaal. De soortensamenstelling verandert in de tijd, en elke fase verandert de omstandigheden voor de volgende — dat is successie.

Pioniersoorten komen als eerste: ze verdragen zware omstandigheden en maken de bodem geschikt voor soorten die minder kunnen hebben. Het klassieke successiemodel beschrijft een relatief stabiele eindtoestand als climaxecosysteem. In werkelijkheid kunnen verstoringen, bodem, water en klimaat verschillende ontwikkelingsroutes en blijvend open vegetatie veroorzaken; er is niet voor ieder gebied één vaste eindtoestand.

Overgangen en groei

De motor achter de overgangen is concurrentie: soorten die het in de nieuwe omstandigheden beter doen, verdringen de vorige.

Een groeicurve laat zien hoe een populatie zich daarbij ontwikkelt. Eerst loopt hij steil op, daarna vlakt hij af naarmate de draagkracht in zicht komt. Een gradiëntecosysteem is een gebied waarin een factor geleidelijk verloopt, bijvoorbeeld van nat naar droog of van zout naar zoet. Doordat er voor veel soorten ergens een geschikte plek zit, leven er veel meer soorten dan in een uniform gebied.

Evenwicht en omslag

Een ecosysteem kan in meer dan één evenwichtstoestand verkeren. De draagkracht geeft aan hoeveel individuen een gebied blijvend kan onderhouden; daarboven neemt de sterfte toe of de aanwas af, waardoor het aantal weer terugzakt.

Zolang een verstoring binnen de tolerantiegrenzen blijft, veert het systeem terug. Maar bij aanhoudende druk kan het een omslagpunt bereiken en in één keer naar een heel andere toestand kantelen — een helder meer dat troebel wordt, bijvoorbeeld. Terugdraaien lukt dan meestal niet door de druk simpelweg weg te nemen.

De mens en de ontwikkeling van ecosystemen

Klimaatverandering verschuift temperatuur en neerslag, en daarmee waar soorten kunnen leven en wanneer ze bloeien, uitkomen of trekken. Dat verandert niet alleen de plek van een soort, maar ook of hij zijn voedsel of bestuiver nog op het juiste moment tegenkomt.

Doordat die verschuivingen sneller gaan dan veel soorten zich kunnen aanpassen of verplaatsen, verandert de ontwikkeling van hele ecosystemen — en daarmee het systeem Aarde.

Duurzame ontwikkeling

Duurzame ontwikkeling voorziet in wat we nu nodig hebben zonder de mogelijkheden van latere generaties aan te tasten. Biologisch gezien komt dat neer op één vraag: sluiten de kringlopen?

In een gesloten kringloop komt alles wat eruit gaat er ook weer in; er gaat geen grondstof verloren en er blijft geen afval over. In een afgebakend systeem kunnen stoffen van buiten worden toegevoegd of naar buiten verdwijnen. Of dat duurzaam is, hangt af van onder meer voorraad, aanvulling, verlies en effecten op de omgeving. Materiaal dat biologisch afbreekbaar is, kan door reducenten terug de kringloop in; wat dat niet is, kan langdurig aanwezig blijven. Duurzaamheid beoordeel je met meerdere gegevens, zoals materiaalverbruik, vervuiling, klimaat en biodiversiteit.

Duurzame energieproductie

Bij energieproductie bepaalt de keuze van de bron hoeveel uitstoot, ruimte en grondstof ermee gemoeid is. Hernieuwbare bronnen vullen zichzelf op menselijke tijdschaal aan — zon, wind, water, biomassa — terwijl fossiele bronnen dat niet doen.

De goedkoopste winst zit vaak niet in een andere bron maar in energiebesparing: minder energie gebruiken voor hetzelfde resultaat. Elke bespaarde eenheid hoeft niet opgewekt te worden en kost dus ook geen ruimte of grondstof.

Duurzame voedselproductie

Bij voedselproductie telt de plaats in de voedselketen. Hoe verder je van de producent af oogst, hoe meer energie er onderweg als warmte verloren is gegaan — plantaardig voedsel levert per hectare dus veel meer op dan dierlijk.

Bestrijdingsmiddelen verhogen de opbrengst, maar werken zelden alleen op de doelsoort en kunnen zich in de keten ophopen. Biologische landbouw beperkt kunstmest en veel synthetische bestrijdingsmiddelen en legt nadruk op bodemleven en kringlopen; opbrengst en benodigd grondgebruik hangen van gewas, omstandigheden en bedrijfsvoering af. Vergelijk een gegeven situatie op basis van de gegevens, niet alleen op het etiket “biologisch”.

Accumulatie in de voedselketen

Accumulatie is ophoping: een stof komt sneller binnen dan hij wordt afgebroken of uitgescheiden. Vooral persistente stoffen doen dat, want die blijven lang in het milieu en krijgen zo de tijd.

Het vervelende zit in de voedselketen. Een roofdier eet veel prooien en neemt van elk de opgehoopte hoeveelheid over, zodat de concentratie per trofisch niveau verder oploopt. Bovenaan de keten kan die daardoor duizenden malen hoger liggen dan in het water of de bodem. Microplastics kunnen in organismen en voedselwebben terechtkomen. Toenemende concentraties per trofisch niveau zijn daarvoor geen algemene regel; dat hangt van de deeltjes en het organisme af. Bij bestrijdingsmiddelen komt er nog iets bij: de doelsoort wordt resistent, terwijl de stof zich elders wél ophoopt.