FFundamental · deel F7 · Leven en systemen

Handboek · hoofdstuk 28Ecosystemen en kringlopen

Wie wie eet, waar de energie heen gaat, en waarom een gesloten wereld zo moeilijk is

Geen enkel organisme leeft alleen. Planten vangen het licht, dieren eten planten en elkaar, en schimmels en bacteriën ruimen alles op. Samen vormen ze met hun omgeving een ecosysteem. In dit hoofdstuk volg je de energie, die als een stroom door een ecosysteem gaat, en de stoffen, die in een kringloop rondgaan: water, koolstof, mineralen. Je leest de metingen van de koolstofdioxide in de lucht, je leert van gesloten werelden van een fles tot Biosphere 2, en je maakt de balans van de meetkas op.

7× uitleg4× uitgewerkt voorbeeld1× proef1× ontleed1× naslag2× verhaal1× het geheel16 opdrachten in het werkboek± 7 lestijden

BLeven en systemen MMaterie en chemie

Een gesloten fles met planten: licht gaat erin, warmte eruit, en al de rest gaat rond.

Na dit hoofdstuk

Je kan de begrippen organisme, populatie, levensgemeenschap en ecosysteem gebruiken, en biotische en abiotische factoren onderscheiden.
Je kan organismen indelen als producent, consument of reducent en hun rol uitleggen.
Je kan voedselketens en een voedselweb tekenen en lezen, met de pijlen in de juiste richting, en voorspellen wat er gebeurt als een soort verdwijnt.
Je kan uitleggen dat energie door een ecosysteem stroomt en stoffen in een kringloop gaan, en met de vuistregel van 10 % rekenen.
Je kan de waterkringloop en de koolstofkringloop beschrijven met de processen die erin spelen.
Je kan metingen van de koolstofdioxide in de lucht lezen en verklaren.
Je kan uitleggen wat een gesloten ecosysteem nodig heeft, met voorbeelden van de flessentuin tot Biosphere 2, en de meetkas als ecosysteem beschrijven.

Verhaal · 28.1

Een tuin in een fles

1/17

In 1960 deed de Engelsman David Latimer wat compost in een grote glazen fles, liet er met een ijzerdraad een stekje van een plant in zakken (een Tradescantia), goot er wat water bij en deed de fles dicht. In 1972 opende hij ze nog één keer om water te geven. Daarna bleef ze dicht. Meer dan vijftig jaar later stond de plant er nog altijd, groen en groot, en vulde ze de hele fles.

Hoe kan dat, zonder één druppel water of één korrel voeding van buiten? Alles wat de plant nodig heeft, gaat in de fles rond. Het water dat ze verdampt, condenseert tegen het koele glas en druppelt terug in de grond. De zuurstof die ze overdag maakt, gebruikt ze 's nachts weer om te ademen, net als de bacteriën en schimmels in de grond. Die bacteriën en schimmels breken afgevallen bladeren af, waarbij koolstofdioxide en mineralen vrijkomen: precies de grondstoffen die de plant weer nodig heeft. Het enige wat erin moet, is licht; het enige wat eruit gaat, is warmte.

Het idee is niet nieuw. Rond 1829 merkte de Londense arts Nathaniel Ward dat varens in een dichte glazen pot gezond bleven, terwijl ze in de vuile Londense lucht van zijn tuin doodgingen. Zijn gesloten glazen kasten werden vanaf de jaren 1830 gebruikt om levende planten maandenlang over zee te vervoeren, van continent naar continent.

Waarom dit verhaal ertoe doet

Een flessentuin is een heel klein ecosysteem waarin je alle bouwstenen van dit hoofdstuk ziet: een producent, reducenten, een waterkringloop, een koolstofkringloop, en energie die binnenkomt als licht en vertrekt als warmte. Het station van Habitat moet ooit hetzelfde doen, maar dan met mensen erin. Dat dat veel moeilijker is, leer je van Biosphere 2.

Een flessentuin zoals die van Latimer: meer dan een halve eeuw dicht, en de plant leeft nog.

Uitleg · 28.2

Wat is een ecosysteem?

2/17

Biologen kijken naar de natuur op verschillende niveaus. Eén groene kikker is een organisme. Alle groene kikkers in dezelfde poel vormen een populatie. Alle populaties samen (kikkers, libellen, algen, waterplanten, bacteriën ...) vormen de levensgemeenschap. Samen met het water, de bodem, het licht en de temperatuur is dat een ecosysteem. Alle ecosystemen op aarde samen zijn de biosfeer.

Wat een organisme beïnvloedt, deel je op in twee soorten factoren:

abiotische factoren (niet-levend)	biotische factoren (levend)
licht, temperatuur	voedsel (planten of prooien)
water, luchtvochtigheid	rovers die je opeten
bodem, mineralen, zuurgraad	concurrenten voor voedsel of plaats
wind, zuurstof, koolstofdioxide	ziekteverwekkers, bestuivers

Een ecosysteem kan groot zijn (een regenwoud, de Noordzee) of klein (een poel, een rottende boomstam, een flessentuin). Ook de meetkas is een klein ecosysteem, al is het een eenvoudig en door mensen gestuurd ecosysteem: jij kiest de planten, en jij levert water en voeding.

Elk niveau bevat het vorige: van één kikker tot alle leven op aarde.

Uitleg · 28.3

Producenten, consumenten en reducenten

3/17

In elk ecosysteem hebben de organismen een van drie rollen:

Producenten maken zelf hun voedsel met licht (fotosynthese, hoofdstuk 27): planten, algen en sommige bacteriën. Ze vormen het begin van elke voedselketen op land en in het water.
Consumenten eten andere organismen. Planteneters (bladluis, slak, konijn) eten producenten, vleeseters (lieveheersbeestje, sperwer) eten dieren, alleseters (merel, mens) eten allebei.
Reducenten, schimmels en bacteriën, breken dode resten en uitwerpselen af tot koolstofdioxide, water en mineralen. Zo komen die stoffen terug in de bodem en de lucht, waar de producenten ze weer opnemen.

Tussen de consumenten en de reducenten zitten de afvaleters: regenwormen, pissebedden, miljoenpoten. Ze eten dode bladeren en verkruimelen ze, zodat schimmels en bacteriën er beter bij kunnen. Een regenworm is dus geen reducent in strikte zin, maar een onmisbare helper.

Paddenstoelen zijn planten

Een paddenstoel groeit wel uit de grond, maar hij heeft geen bladgroen en maakt geen voedsel met licht. Hij is het vruchtlichaam van een schimmel, die met draden door de bodem of het hout groeit en dode resten verteert. Schimmels vormen een eigen groep, naast planten en dieren; ze zijn zelfs nauwer verwant met dieren dan met planten.

Zonder reducenten

Stel dat alle schimmels en bacteriën verdwijnen. Dode bladeren, takken en dieren zouden zich opstapelen, en alle mineralen en koolstof zaten erin vast. Na een tijd zouden de planten geen voeding meer vinden. Reducenten maken van een ecosysteem een kringloop.

Producenten, consumenten en reducenten vormen samen een kringloop van stoffen; het licht komt van buiten.

Schimmels en afvaleters aan het werk: van deze boomstam blijven over enkele jaren alleen mineralen en humus over.

Ontleed · 28.4

Voedselketen en voedselweb

4/17

Een voedselketen toont wie wie eet. De pijl wijst altijd van wat gegeten wordt naar wie eet: in de richting waarin het voedsel, en dus de energie, gaat.

sla → slak → merel → sperwer

Een keten begint altijd bij een producent. Elke schakel is een voedingsniveau: producent, planteneter (consument van de eerste orde), vleeseter (consument van de tweede orde), enzovoort. Meer dan vier of vijf schakels zijn zeldzaam: waarom, zie je bij de energiepiramide.

In werkelijkheid eet een merel niet alleen slakken, maar ook rupsen, regenwormen en spinnen, en een slak eet sla én gras. Alle ketens samen, met hun vertakkingen, vormen een voedselweb. Hoe meer verbindingen, hoe stabieler het web: verdwijnt één prooi, dan eet een rover iets anders.

De pijl wijst naar wat opgegeten wordt

Veel mensen tekenen 'merel → slak', omdat de merel de slak eet. Maar de afspraak is omgekeerd: de pijl toont waar het voedsel heen gaat. 'slak → merel' betekent: de slak wordt voedsel voor de merel. Zo wijzen alle pijlen van het begin (de producenten) naar boven.

Een voedselweb in de tuin: groen de producenten, blauwgroen de planteneters, rood de vleeseters, paars de toprover.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Producent
Sla, gras en brandnetels maken hun voedsel met licht. Elke keten in het web begint bij hen.
2
Planteneter
De slak eet sla en gras: een consument van de eerste orde. Twee pijlen komen erin, twee gaan eruit.
3
Een knooppunt
De merel eet rupsen, slakken, regenwormen en spinnen, en in de herfst ook bessen: een alleseter. Verdwijnt één prooi, dan eet hij meer van de andere.
4
Toprover
De sperwer staat bovenaan: geen pijl vertrekt van hem. Toprovers zijn zeldzaam, omdat er bovenaan weinig energie overblijft.
5
Afvaleter
De regenworm eet dode bladeren. Wat hij niet verteert, breken schimmels en bacteriën verder af (niet getekend: ze horen bij elke soort).
6
Vleeseter
Het lieveheersbeestje en zijn larven eten bladluizen: tuinders zetten ze in als natuurlijke bestrijders.

Uitgewerkt voorbeeld · 28.5

Wat als de lieveheersbeestjes verdwijnen?

5/17

Gebruik het voedselweb in de tuin. Een tuinier spuit tegen de bladluizen een gif dat ook alle lieveheersbeestjes doodt. Een paar weken later zijn er méér bladluizen dan ervoor. Hoe verklaar je dat? Wat gebeurt er met de andere soorten?

Gegeven

het voedselweb in de tuin
gif doodt bladluizen én lieveheersbeestjes

Gevraagd

verklaring voor de extra bladluizen
gevolgen voor andere soorten
een beter alternatief

Oplossing

1
Zoek de verbindingen van de verdwenen soort. Lieveheersbeestjes eten bladluizen (pijl bladluis → lieveheersbeestje). Er zijn geen pijlen van het lieveheersbeestje naar een andere soort in dit web.
2
Volg het effect naar onder. Bladluizen planten zich enorm snel voort: een paar die het gif overleven, of die aanvliegen uit de buurt, hebben nu bijna geen vijand meer. Hun aantal stijgt snel, en ze zuigen meer aan de sla en de brandnetels.
3
Volg het effect naar boven en opzij. Spinnen hebben meer bladluizen te eten en kunnen toenemen; de merel, die spinnen eet, heeft er misschien iets meer voedsel bij. De sla lijdt het meest.
4
Beter alternatief. Tuinders in serres gebruiken biologische bestrijding: ze zetten natuurlijke vijanden uit, zoals lieveheersbeestjes, gaasvliegen of sluipwespen tegen bladluizen, en de sluipwesp Encarsia tegen witte vlieg.

Antwoord

Het gif doodt de rovers van de bladluizen. De overlevende bladluizen kunnen zich ongeremd vermeerderen, zodat hun aantal na enkele weken hoger is dan ervoor. Het web is uit evenwicht: een ingreep op één soort raakt ook andere.

Klopt dit? Kijk bij elke redenering of je de pijlen juist leest: een pijl ván A náár B betekent dat B van A leeft. Minder rovers betekent meer prooien, minder prooien betekent minder rovers.

Uitleg · 28.6

Energie stroomt, stoffen draaien rond

6/17

In een voedselketen wordt de energie doorgegeven, maar niet alles. Een slak die sla eet, gebruikt het grootste deel van de energie uit die sla om te leven: bewegen, warm blijven, ademen. Die energie wordt warmte en verdwijnt uit het ecosysteem. Een ander deel verlaat de slak onverteerd, als uitwerpselen. Maar een klein deel wordt nieuw slakkenweefsel, en alleen dat kan een merel eruit halen. Als vuistregel komt ongeveer 10 % van de energie van een voedingsniveau terecht in het volgende (in werkelijkheid ergens tussen 5 en 20 %).

Dat verklaart waarom voedselketens kort zijn, en waarom er veel meer planten zijn dan planteneters, en veel meer planteneters dan rovers. Een energiepiramide toont het: elke laag bevat ongeveer tien keer minder energie dan de laag eronder.

Bij de stoffen is het helemaal anders. Koolstof, water, stikstof, fosfor: ze verlaten de aarde niet. Wat een plant opneemt, komt via dieren en reducenten weer vrij en wordt opnieuw opgenomen. Stoffen gaan in een kringloop, energie stroomt erdoor: van de zon naar warmte.

	energie	stoffen (koolstof, water, mineralen)
hoe beweegt het?	in één richting: stroom	rondgaand: kringloop
komt binnen als	zonlicht	blijft op aarde (op een heel klein beetje na)
verlaat het ecosysteem als	warmte	wordt hergebruikt door producenten
sleutelrol	producenten vangen het licht	reducenten maken de stoffen weer vrij
zonder zon	stopt alles	stapelen dode resten zich op zonder reducenten

In een ecosysteem wordt ook de energie gerecycleerd

Energie gaat niet verloren (hoofdstuk 15), maar ze wordt warmte, en uit warmte kan geen plant of dier nog voedsel maken. Daarom heeft elk ecosysteem een voortdurende toevoer van energie nodig: zonlicht. Alleen de stoffen worden hergebruikt.

Boven: energie gaat in één richting en verlaat het ecosysteem als warmte. Onder: stoffen gaan rond.

Vuistregel: bij elke stap in de voedselketen blijft ongeveer een tiende van de energie over.

Uitgewerkt voorbeeld · 28.7

Rekenen met de energiepiramide

7/17

(a) De planten in een weiland leggen op een jaar 5 000 000 kJ vast in hun weefsel. Hoeveel energie komt terecht in de planteneters (konijnen), en hoeveel in de vossen die de konijnen eten? (b) Een mens heeft ongeveer 10 000 kJ per dag nodig (hoofdstuk 29). Hoeveel plantaardige energie is daarvoor nodig als hij alleen planten eet, en als hij alleen vlees eet van dieren die planten aten? Gebruik de vuistregel van 10 %.

Gegeven

planten: $5000000 kJ$ per jaar
vuistregel: 10 % naar het volgende niveau
een mens: $10000 kJ$ per dag

Gevraagd

(a) energie in konijnen en in vossen
(b) plantaardige energie voor een mens

Oplossing

1
(a) Konijnen: 10 % van $5000000 kJ$ is $0, 10 \times 5000000 = 500000 kJ$ .
2
Vossen: 10 % daarvan: $0, 10 \times 500000 = 50000 kJ$ . Dat is maar 1 % van de energie van de planten.
3
(b) Eet de mens rechtstreeks planten, dan is hij zelf de planteneter: hij heeft $10000 kJ$ aan voedsel nodig. (Ook hij haalt er geen 100 % uit, maar dat telt voor beide gevallen.)
4
Eet hij vlees, dan zit er een stap tussen: het dier gaf maar 10 % door. Er was dus $10000 : 0, 10 = 100000 kJ$ aan planten nodig, tien keer meer.

Antwoord

(a) Konijnen

500000 kJ

, vossen

50000 kJ

per jaar. (b) Rechtstreeks

10000 kJ

aan planten, via vlees ongeveer

100000 kJ

Klopt dit? Daarom zijn er in een weiland veel meer konijnen dan vossen. En daarom heb je voor een vleesrijk dieet veel meer landbouwgrond nodig dan voor een plantaardig. De 10 % is een vuistregel: voor kippen ligt het iets hoger, voor runderen lager.

Uitleg · 28.8

De waterkringloop

8/17

De zon verwarmt de oceanen, en water verdampt (hoofdstuk 6). De waterdamp stijgt, koelt af en condenseert tot druppeltjes: wolken. Die vallen als neerslag (regen, sneeuw, hagel) terug. Het grootste deel valt weer in zee. Een deel waait eerst naar het land. Daar zakt het water in de bodem (grondwater), wordt het door planten opgenomen en weer verdampt (transpiratie, hoofdstuk 27), of stroomt het via beken en rivieren terug naar zee.

De getallen op de figuur zijn schattingen voor de hele aarde, in duizend kubieke kilometer per jaar. Ze tonen dat de kringloop sluit: van zee naar land waait er per jaar 40 000 km³ waterdamp, en via de rivieren en het grondwater stroomt er precies evenveel terug.

De waterkringloop is ook een zuiveringsinstallatie: bij het verdampen blijven zout en vuil achter, zoals bij het destilleren (hoofdstuk 9). Regen is dus 'gedestilleerd' zeewater. En de verdamping door planten is op land een van de grootste bronnen van waterdamp: een bos 'maakt' een deel van zijn eigen regen.

Een kleine waterkringloop in de meetkas

In de meetkas zie je dezelfde kringloop in het klein: de planten verdampen water, dat 's nachts condenseert op de koude wanden (hoofdstuk 6) en naar beneden druppelt. Maar de meetkas is niet dicht: het meeste water ontsnapt door kieren en het dakraam, en daarom moet het reservoir elke dag 1,8 L leveren.

De waterkringloop: verdamping, wind, neerslag en afvoer. Wat van de zee naar het land waait, stroomt via rivieren en grondwater terug.

Uitleg · 28.9

De koolstofkringloop

9/17

Koolstof is het element van het leven: ongeveer 18 % van je lichaam en de helft van droog hout. Het gaat rond tussen lucht, organismen, bodem en oceaan:

Planten halen koolstofdioxide uit de lucht en maken er suiker van: fotosynthese.
Dieren eten planten en elkaar: de koolstof gaat mee in de voedselketen.
Planten, dieren en reducenten ademen: ze geven koolstofdioxide terug aan de lucht.
Dode resten komen in de bodem, waar reducenten ze afbreken. Een deel blijft lang in de bodem als humus.
Onder bijzondere omstandigheden (zonder zuurstof, onder druk) werden dode planten en plankton in miljoenen jaren fossiele brandstoffen: steenkool, aardolie, aardgas.
Koolstofdioxide lost op in de oceaan en komt er weer uit.

Lange tijd was de kringloop ongeveer in evenwicht: wat de planten opnamen, kwam door ademhaling en rotting terug. Sinds de industriële revolutie halen mensen koolstof die miljoenen jaren onder de grond zat naar boven en verbranden ze: tegenwoordig ongeveer 37 miljard ton koolstofdioxide per jaar. Ongeveer de helft daarvan nemen de oceanen en de planten op, de rest blijft in de lucht. Daardoor stijgt het gehalte, zoals de metingen op het volgende blad tonen, en versterkt het broeikaseffect (hoofdstuk 16 en 17).

De koolstofkringloop: fotosynthese haalt koolstof uit de lucht, ademhaling en verbranding brengen ze terug.

Proef · 28.10

Koolstofdioxide in en uit: waterpest in licht en donker

10/17

Onderzoeksvraag

Neemt een waterplant koolstofdioxide op of geeft ze die af? En hangt dat af van het licht?

Materiaal

drie proefbuizen met stop, een bekerglas met kraantjeswater
broomthymolblauw (een indicator: blauw bij weinig opgeloste CO₂, geel bij veel)
een rietje, twee even grote takjes waterpest, aluminiumfolie
een ledlamp of een lichte vensterbank

VeiligheidAlleen blazen, nooit zuigen door het rietje. Bril op; de indicator vlekt.

Blauw, geel, geelgroen: de plant in het licht haalt CO₂ uit het water, de plant in het donker voegt er toe.

Werkwijze

1Doe enkele druppels broomthymolblauw in het water: het wordt blauw. Blaas er met het rietje rustig lucht in tot de kleur geelgroen is: je hebt koolstofdioxide in het water gebracht.
2Vul drie proefbuizen met dat water. Buis A: een takje waterpest. Buis B: een takje waterpest, en de buis helemaal in folie gewikkeld. Buis C: geen plant (controle).
3Sluit de buizen en zet ze 2 à 3 uur naast elkaar in het licht, op dezelfde temperatuur (niet vlak bij een warme lamp).
4Haal de folie weg en vergelijk de kleuren.

Waarneming

Buis A (plant in het licht) is weer blauw. Buis B (plant in het donker) is geler geworden. Buis C (zonder plant) is nog altijd geelgroen.

Verklaring

Opgeloste koolstofdioxide maakt water een beetje zuur, en broomthymolblauw kleurt dan geel. In het licht doet de waterpest meer fotosynthese dan ademhaling: ze haalt koolstofdioxide uit het water en de indicator wordt blauw. In het donker gaat alleen de ademhaling door: er komt koolstofdioxide bij, de indicator wordt geler. Buis C toont dat de verandering door de plant komt, en niet door het licht of de tijd. Zo zie je beide richtingen van de koolstofkringloop in één proef: opname door fotosynthese, afgifte door ademhaling.

Uitgewerkt voorbeeld · 28.11

De aarde ademt: de Keelingcurve lezen

11/17

Sinds 1958 meet men op de vulkaan Mauna Loa (Hawaï), ver van steden en fabrieken, de koolstofdioxide in de lucht. De Amerikaanse onderzoeker Charles David Keeling begon ermee. De grafieken tonen de jaargemiddelden sinds 1959 en de maandgemiddelden van de laatste jaren (gegevens: NOAA). (a) Hoeveel steeg het gehalte van 1959 tot 2025? (b) Hoe snel steeg het per jaar in de jaren 1960 en tussen 2015 en 2025? (c) Waarom gaat het elk jaar eerst omhoog en dan omlaag?

Jaargemiddelden op Mauna Loa: elk jaar hoger, en steeds sneller.

Gegeven

1959: 315,98 ppm; 1960: 316,91 ppm; 1970: 325,68 ppm
2015: 401,01 ppm; 2025: 427,35 ppm
maandgemiddelden 2025: hoogste in mei (430,51), laagste in september (424,37)

Gevraagd

(a) stijging sinds 1959
(b) stijging per jaar, toen en nu
(c) verklaring van de schommeling

Oplossing

1
(a) $427, 35 - 315, 98 = 111, 37 ppm$ , een stijging van $111, 37 : 315, 98 \approx 35 %$ .
2
(b) 1960-1970: $(325, 68 - 316, 91) : 10 \approx 0, 9 ppm$ per jaar. 2015-2025: $(427, 35 - 401, 01) : 10 \approx 2, 6 ppm$ per jaar: bijna drie keer zo snel.
3
(c) In 2025 ligt het maximum in mei en het minimum in september, $6, 1 ppm$ lager. Het grootste deel van het land, en dus van de bossen en velden, ligt op het noordelijk halfrond. In de lente en de zomer groeien ze: de fotosynthese haalt meer koolstofdioxide uit de lucht dan de ademhaling teruggeeft. In de herfst en de winter vallen de bladeren, groeien de planten niet, en breken reducenten dode resten af: het gehalte stijgt weer.

Antwoord

(a) Meer dan 111 ppm, ongeveer een derde meer. (b) Van ongeveer 0,9 naar 2,6 ppm per jaar. (c) De planten van het noordelijk halfrond 'ademen in' in de zomer en 'ademen uit' in de winter.

Klopt dit? De stijgende trend komt van de verbranding van fossiele brandstoffen, de schommeling van de seizoenen. Ter vergelijking: vóór de industriële revolutie was het ongeveer 280 ppm, en in de meetkas rekenen we met 425 ppm (hoofdstuk 14 van Intermediate).

Per maand: elk jaar een maximum in mei en een minimum in september of oktober, bovenop de stijgende trend.

Verhaal · 28.12

Biosphere 2: acht mensen onder glas

12/17

Op 26 september 1991 stapten acht mensen, vier vrouwen en vier mannen, een reusachtig bouwwerk van staal en glas binnen in de woestijn van Arizona, bij het stadje Oracle. Biosphere 2 (de aarde zelf is 'Biosphere 1') besloeg 1,27 hectare en bevatte een regenwoud, een oceaan met een koraalrif, een mangrove, een savanne, een woestijn, een landbouwgebied en een woonst. De deuren gingen dicht voor twee jaar. Alle lucht, al het water en bijna al het voedsel moesten binnen rondgaan; alleen zonlicht en elektriciteit kwamen van buiten.

Het liep anders dan gepland. Het zuurstofgehalte daalde, maand na maand, van 20,9 % tot ongeveer 14,5 % na zestien maanden. De bewoners werden moe, sliepen slecht en konden moeilijk denken, zoals op een hoge berg. In januari 1993 werd er van buiten zuivere zuurstof bijgepompt. De landbouw leverde ongeveer 83 % van het voedsel: de bewoners hadden constant honger en verloren gemiddeld 16 % van hun gewicht. De meeste bestuivende insecten stierven, terwijl kakkerlakken en mieren zich enorm vermenigvuldigden.

Waar was de zuurstof naartoe? De bodem was rijk gemaakt met veel compost. De bacteriën en schimmels daarin braken die af en ademden daarbij veel meer zuurstof in dan de nog jonge planten konden maken. Normaal zou je dan evenveel extra koolstofdioxide zien. Maar die was er niet. De onderzoekers vonden ze uiteindelijk terug in het beton van het gebouw: de koolstofdioxide had gereageerd met de kalk in het beton, en zat daar vast, samen met de zuurstof die erin gebonden was.

Op 26 september 1993 kwamen de acht naar buiten. Biosphere 2 werd een onderzoekscentrum; sinds 2011 is het van de University of Arizona.

Wat Biosphere 2 ons leerde

Een gesloten ecosysteem is niet alleen een kwestie van genoeg planten. De reducenten moeten in evenwicht zijn met de producenten, er kunnen onverwachte 'lekken' zijn (zoals het beton), en in een klein systeem slaan veranderingen veel sneller uit dan op aarde. In hoofdstuk 32 van Expert simuleer je zo'n systeem met een computer.

Het zuurstofgehalte daalde ongeveer 0,4 procentpunt per maand, tot er in januari 1993 zuurstof bijgevoegd werd.

Uitleg · 28.13

Gesloten ecosystemen, van fles tot ruimtestation

13/17

Een gesloten ecosysteem wisselt geen stoffen uit met de buitenwereld, alleen energie. Om dat vol te houden, moeten alle kringlopen sluiten: wat de ene soort afgeeft, moet een andere opnemen, in dezelfde hoeveelheid en ongeveer op hetzelfde moment. Hoe meer mensen erin leven, hoe moeilijker: een mens verbruikt per dag ongeveer 0,84 kg zuurstof (hoofdstuk 29), en daarvoor zijn vele vierkante meters planten of algen nodig.

systeem	wanneer, waar	wie leeft erin	wat gaat rond	wat komt van buiten
flessentuin van Latimer	sinds 1960, Engeland	een plant, bodemdiertjes, schimmels, bacteriën	water, koolstof, zuurstof, mineralen	alleen licht (en warmte gaat eruit)
Biosphere 2	1991-1993, Arizona (VS)	8 mensen, duizenden soorten planten en dieren	lucht, water, voedsel (83 %)	licht, elektriciteit, later zuurstof
BIOS-3	1972-1984, Krasnojarsk (Sovjet-Unie)	tot 3 mensen, tot 180 dagen	lucht (algen), een groot deel van het water, een deel van het voedsel	licht, elektriciteit, de rest van het voedsel
ISS	sinds 2000, rond de aarde	meestal 6 à 7 astronauten	98 % van het water; zuurstof uit water gesplitst met elektriciteit	voedsel, een deel van het water, reserveonderdelen (vrachtschepen)
MELiSSA	sinds 1989, Europa (ESA)	bacteriën, algen, planten; in de proefinstallatie ratten	het doel: alles	licht en elektriciteit

Het ISS is dus geen gesloten ecosysteem: het is een technisch systeem. Zuurstof maakt het door water met elektriciteit te splitsen, koolstofdioxide filtert het uit de lucht, en voedsel komt met vrachtschepen. Het Europese project MELiSSA werkt sinds 1989 aan een echt biologische kringloop voor lange ruimtereizen, met bacteriën die afval afbreken, algen (spirulina) die zuurstof maken en planten voor voedsel. Belgische onderzoekers spelen er een grote rol in: het Studiecentrum voor Kernenergie SCK CEN en VITO in Mol, en de universiteiten van Gent en Bergen.

Biosphere 2 in Arizona: een regenwoud, een oceaan en een boerderij onder 1,27 hectare glas.

Uitleg · 28.14

De mens als deel van het ecosysteem

14/17

Mensen zijn consumenten, en wel alleseters: we eten planten, dieren en schimmels. Maar we doen veel meer dan eten. We veranderen hele kringlopen:

We halen koolstof uit de grond en verbranden ze (de koolstofkringloop).
We maken bossen en graslanden tot akkers, wegen en steden.
We strooien kunstmest: de stikstof en de fosfor die niet in de gewassen terechtkomen, spoelen naar sloten en de zee, waar algen explosief groeien.
We pompen grondwater op en leiden rivieren om (de waterkringloop).

Tegelijk hangen we volledig af van ecosystemen. Ze leveren voedsel, zuiver water, hout, vezels, en diensten die we vaak niet zien: meer dan 75 % van de belangrijkste voedselgewassen heeft baat bij bestuiving door dieren (vooral bijen, hommels, zweefvliegen), bodemleven houdt akkers vruchtbaar, en wetlands houden overstromingen tegen.

Als het Amazonewoud verdwijnt, stikken we

Het Amazonewoud maakt veel zuurstof, maar de dieren, schimmels en bacteriën van datzelfde woud verbruiken er bijna evenveel: netto levert het nauwelijks zuurstof. De lucht bevat bovendien zo veel zuurstof (ongeveer 1,2 miljoen miljard ton) dat zelfs het verbranden van alle bossen en alle planten op aarde het gehalte maar van 20,95 % naar ongeveer 20,92 % zou doen zakken. Het verdwijnen van regenwoud is wel een ramp, maar om andere redenen: het stoot enorm veel koolstofdioxide uit, en ontelbare soorten verliezen hun leefgebied.

Zonder bestuivers geen appels: een dienst van het ecosysteem waarvoor niemand een factuur krijgt.

Uitgewerkt voorbeeld · 28.15

Habitat: de meetkas als klein ecosysteem

15/17

Maak de balans op van de meetkas voor één teelt pluksla van zes weken (hoofdstuk 27). Wat gaat erin, wat komt eruit, en wat blijft in de sla? Is de meetkas een gesloten ecosysteem?

De balans van de meetkas voor één teelt: bijna al het water verdampt, en de koolstof van de sla komt uit de lucht.

Gegeven

water: $1, 8 L$ per dag, voedingsoplossing $1, 0 g/L$ (hoofdstuk 8)
oogst: $1, 2 kg$ sla, 94 % water, droge stof voor 40 % koolstof
kaslucht: $576 L$ met 425 ppm koolstofdioxide (0,45 g)
1 g koolstof zit in 3,67 g koolstofdioxide; per g opgenomen CO₂ komt 0,73 g zuurstof vrij

Gevraagd

de stromen in en uit per teelt
de rol van de kaslucht
gesloten of niet?

Oplossing

1
Water. In: $1, 8 \times 42 = 75, 6 L$ . In de oogst: $0, 94 \times 1, 2 = 1, 1 L$ . Uit als waterdamp: $75, 6 - 1, 1 \approx 74, 5 L$ , door kieren en het dakraam.
2
Voedingszouten. Met het water komen $75, 6 \times 1, 0 \approx 76 g$ zouten binnen. Wat de planten niet opnemen, blijft in de potgrond achter.
3
Koolstofdioxide. Droge stof: $1, 2 kg - 1, 1 kg = 0, 072 kg = 72 g$ , waarvan 40 % koolstof: $29 g$ . Die kwam uit $29 \times 3, 67 \approx 106 g$ koolstofdioxide.
4
Zuurstof. $106 \times 0, 73 \approx 77 g$ zuurstof ging de kas uit.
5
De kaslucht bevat maar 0,45 g koolstofdioxide, terwijl de planten gemiddeld $106 : 42 = 2, 5 g$ per dag opnemen. Zonder verse lucht zou de CO₂ in een zonnige ochtend in ongeveer een uur tot de groeigrens zakken (zoals in de kweekruimte van hoofdstuk 14 van Intermediate). De kieren en het dakraam zijn dus nodig.
6
Energie. Zonlicht gaat erin, bijna alles komt eruit als warmte. Een klein deel zit in de sla als chemische energie.

Antwoord

In: licht, 75,6 L water, ±76 g voedingszouten en ±106 g koolstofdioxide. Uit: ±74,5 L waterdamp, ±77 g zuurstof, warmte en 1,2 kg sla. De meetkas is geen gesloten ecosysteem: de oogst verlaat de kas, er zijn bijna geen reducenten die resten afbreken, en water, voeding en lucht komen van buiten.

Klopt dit? Massabalans van de sla: 1,1 kg water + 72 g droge stof = 1,2 kg. De droge stof is gebouwd uit koolstofdioxide (±106 g) en water, min de zuurstof die vrijkwam (±77 g), plus een paar gram mineralen: 106 − 77 = 29 g koolstof, de rest waterstof en zuurstof uit water en een beetje mineralen.

Naslag · 28.16

Overzicht: ecosystemen en kringlopen

16/17

De rollen, de afspraken over pijlen, de vuistregel voor energie en de kringlopen op één blad.

rol	wat doet het?	voorbeelden
producent	maakt voedsel met licht	planten, algen
planteneter	eet producenten	bladluis, slak, konijn
vleeseter	eet dieren	lieveheersbeestje, spin, sperwer
alleseter	eet planten en dieren	merel, egel, mens
afvaleter	eet en verkruimelt dode resten	regenworm, pissebed
reducent	breekt dode resten af tot CO₂, water en mineralen	schimmels, bacteriën

afspraken en vuistregels
De pijl in een voedselketen wijst van wat gegeten wordt naar wie eet.
Elke keten begint bij een producent.
Van een voedingsniveau naar het volgende gaat ongeveer 10 % van de energie (5 tot 20 %).
Energie stroomt (van zonlicht naar warmte); stoffen gaan in een kringloop.

kringloop	processen
water	verdamping, transpiratie, condensatie, neerslag, infiltratie (grondwater), afvoer (rivieren)
koolstof	fotosynthese, voedselketen, ademhaling, afsterven, afbraak door reducenten, fossilisatie, verbranding, oplossen in de oceaan

	energie	stoffen (koolstof, water, mineralen)
hoe beweegt het?	in één richting: stroom	rondgaand: kringloop
komt binnen als	zonlicht	blijft op aarde (op een heel klein beetje na)
verlaat het ecosysteem als	warmte	wordt hergebruikt door producenten
sleutelrol	producenten vangen het licht	reducenten maken de stoffen weer vrij
zonder zon	stopt alles	stapelen dode resten zich op zonder reducenten

Producenten, consumenten en reducenten: de kringloop van stoffen.

Het geheel · 28.17

Waar ecosystemen terugkomen

17/17

Dit hoofdstuk brengt samen wat je over planten en cellen leerde: de fotosynthese van de producenten drijft elk ecosysteem aan, de ademhaling van alle organismen sluit de koolstofkringloop, en eencellige reducenten maken er een kringloop van. De waterkringloop is het deeltjesmodel op wereldschaal (leerlijn Materie), de energiepiramide een toepassing van rendement (leerlijn Energie), en de Keelingcurve een lesje data lezen (leerlijn Onderzoeken en meten). In Expert maak je van voedselwebben en gesloten systemen wiskundige modellen.

F6 Het deeltjesmodel

Verdampen en condenseren: de motor van de waterkringloop.

F9 Mengsels scheiden

De natuur destilleert zeewater tot regen; regenwater opvangen voor de kas.

F15 Energie: vormen en omzettingen

Energie gaat niet verloren, maar wordt warmte: rendement in een voedselketen.

F17 Energie uit zon, wind en water

Fossiele brandstoffen, koolstofdioxide en het klimaat.

F27 Planten: fotosynthese en groei

De producenten en hun fotosynthese; de groeiproef in de meetkas.

F29 Het lichaam als systeem

De mens als consument: hoeveel zuurstof, water en voedsel één bewoner nodig heeft.

I14 Reacties en stoichiometrie

Hoeveel CO₂ een teelt opneemt, en waar die vandaan komt.

I35 Micro-organismen en biotechnologie

Reducenten aan het werk: een compostvat dat afval omzet in voeding.

I36 Hydroponie en voedselproductie

Aquaponie: vissen en planten in één kringloop, met de stikstofkringloop.

E31 Bioprocestechniek

Een algenreactor die CO₂ omzet in zuurstof, zoals in MELiSSA.

E32 Ecologische modellen

Prooi en predator, draagkracht en wat Biosphere 2 leerde, gesimuleerd.

HabitatDe meetkas is een klein, open ecosysteem: jij levert water en voeding, de lucht komt door de kieren, de oogst gaat eruit. Het station van Habitat moet steeds meer kringlopen zelf sluiten: water terugwinnen, afval composteren (Intermediate) en ooit zuurstof maken met algen (Expert). In opdracht 28.12 maak je de balans voor je eigen teelt, en in 28.14 reken je uit hoeveel meetkassen één bewoner zou nodig hebben.

Samenvatting

In het kort

Een ecosysteem is een levensgemeenschap samen met haar niet-levende omgeving; organismen worden beïnvloed door biotische en abiotische factoren.
Producenten maken voedsel met licht, consumenten eten andere organismen, reducenten (schimmels en bacteriën) breken dode resten af tot CO₂, water en mineralen.
In een voedselketen wijst de pijl van wat gegeten wordt naar wie eet; alle ketens samen vormen een voedselweb.
Energie stroomt in één richting, van zonlicht naar warmte; per voedingsniveau blijft ongeveer 10 % over. Stoffen gaan in een kringloop.
Waterkringloop: verdamping en transpiratie, condensatie, neerslag, afvoer. Koolstofkringloop: fotosynthese, voedselketen, ademhaling, afbraak, verbranding.
De koolstofdioxide in de lucht stijgt (van 316 ppm in 1959 naar 427 ppm in 2025) en schommelt met de seizoenen door de planten van het noordelijk halfrond.
Een gesloten ecosysteem wisselt alleen energie uit; Biosphere 2 toonde hoe moeilijk dat is met mensen erin.
De mens is een consument die kringlopen verandert, en die volledig afhangt van wat ecosystemen leveren.

Begrippen

Wat je nu kent

ecosysteem: Alle organismen in een gebied samen met hun niet-levende omgeving (water, bodem, lucht, licht, temperatuur).
populatie: Alle organismen van dezelfde soort in hetzelfde gebied.
levensgemeenschap: Alle populaties van verschillende soorten die samen in een gebied leven.
biotische factor: Een invloed van levende wezens: voedsel, rovers, concurrenten, ziekteverwekkers.
abiotische factor: Een invloed van de niet-levende omgeving: licht, temperatuur, water, bodem, lucht.
producent: Organisme dat zelf zijn voedsel maakt met licht (fotosynthese): planten, algen, sommige bacteriën.
consument: Organisme dat andere organismen eet: planteneters, vleeseters en alleseters.
reducent: Schimmel of bacterie die dode resten afbreekt tot koolstofdioxide, water en mineralen.
voedselketen: Een rij organismen waarin elk het vorige eet; de pijl wijst van wat gegeten wordt naar wie eet.
voedselweb: Alle voedselketens van een ecosysteem samen, met hun vertakkingen.
energiepiramide: Voorstelling van hoeveel energie elk voedingsniveau bevat; bij elke stap blijft ongeveer 10 % over.
kringloop: Een stof die steeds opnieuw gebruikt wordt: van de omgeving naar organismen en weer terug.
gesloten ecosysteem: Een ecosysteem dat geen stoffen uitwisselt met de buitenwereld, alleen energie (licht erin, warmte eruit).

Aan de slag in het werkboek16 opdrachten, van oefenen tot uitdagen