Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (1)

Bladeren geven donkere schaduw:
wordt alle licht gebruikt voor fotosynthese?

In zijn column in de Volkskrant van zaterdag schreef Bas Haring over zijn ontdekking dat de efficiëntie van fotosynthese slechts één procent was. Verbazingwekkend volgens hem, dat een proces waarvan al het leven op aarde afhankelijk is, zo'n lage efficiëntie heeft. Zonnecellen, daarentegen halen met gemak 10%. Hij concludeert dat je daarom voor de productie van energie beter zonnecellen kunt gebruiken dan biobrandstof. Hij besluit met: "Als het leven zoals we dat kennen allemaal berust op een proces met een efficiëntie van 1%, en er bestaat een alternatief dat vele malen efficiënter is, met silicium en staal, is het dan niet denkbaar dat een toekomstige natuur zich daarop baseert?".

efficiëntie

Om te beginnen klopt het getal 1% niet, want een klein beetje onderzoek  leert dat de efficiëntie van fotosynthese varieert van 3 - 6% en afhankelijk van de omstandigheden varieert van minimaal 0.1% tot maximaal 8%. Dat ziet er dus al heel anders uit! Maar goed, als je elektriciteit wilt produceren, dan winnen zonnecellen het van planten. Geen wonder, want zonnecellen worden gemaakt om zo veel mogelijk elektriciteit te produceren. En de huidige zonnecellen doen dat aardig efficiënt [1]. Maar, de elektriciteitsopbrengst, is dat een eerlijke vergelijking? Planten zijn niet gemaakt om elektriciteit te maken. Planten maken koolstofverbindingen (glucose) en zuurstof van water en CO₂. Volgens die maatstaf winnen planten het van zonnecellen.

biobrandstof

Je kunt je terecht afvragen of biobrandstof (biodiesel) uit planten efficiënt is. Dit zou een zinnige vraag zijn als je bijvoorbeeld auto's met benzinemotor en elektromotor vergelijkt. Nog steeds een lastige vergelijking want fossiele brandstoffen (fotosynthetische oorsprong!) zijn er al, die liggen op ons te wachten, en accu's moeten opgeladen worden met door de mens geproduceerde elektriciteit. Maar elektriciteit en accu's zijn niet te gebruiken voor grote vrachtwagens, vliegtuigen en schepen, want die hebben vloeibare brandstof nodig. Efficiëntie is daar niet van doorslaggevende betekenis.

een toekomst voor robots?

Zijn robots die hun energie uit de zon halen een mogelijke vervanging voor het biologische leven op aarde, omdat zonne-energie efficiënt geoogst kan worden, zoals Haring denkt?
Die robots zouden dan wel gebruik maken van efficiënt gewonnen zonne-energie, maar aangezien Kunstmatige Intelligentie als mislukt beschouwd mag worden (dat geeft hij zelf toe), zouden die die robots dom zijn. Die hebben geen toekomst. Een andere reden is pijnlijk duidelijk geworden bij werkzaamheden in de zwaar beschadigde kerncentrales in Japan. Mensen moesten in hoog radioactieve omgevingen hun werk doen, steeds afgewisseld door collega's om de opgelopen straling tot een minimum te beperken. Als je bedenkt dat Japanse wetenschappers voorop lopen in het maken van speelgoed robots tot levensechte menselijke robots, dan is hun onvermogen om robots te maken die ingezet zouden kunnen worden in die kerncentrales duidelijk gedemonstreerd.
Verder: zonnecellen en robots moeten ook geproduceerd en onderhouden worden en dat kost materialen en energie. Terwijl een plant een totaaloplossing is voor energie, constructie en reproductie van zichzelf. Want fotosynthese levert niet alleen de energie maar ook de bouwstenen (koolstofverbindingen) om een organisme op te bouwen. En zichzelf reproducerende robots zijn al helemaal een gigantische technische uitdaging. De energetische efficiëntie is daarbij helemaal niet de doorslaggevende factor.

artificial photosynthesis

Als je natuurlijke fotosynthese ergens mee kunt vergelijken dan is het met artificial photosynthesis: door de mens gemaakte foto-chemische systemen die met behulp van zonlicht water splitsen en van de H en CO₂ koolstofverbindingen maken. Dit is een eerlijke vergelijking omdat bij zonnecellen maar één beperkende factor een rol speelt: zonlicht. Bij fotosynthese zijn er meerdere beperkende factoren naast zonlicht zoals CO2 en water. Eén fabrikant claimt een 10x hogere efficiëntie ten opzichte van natuurlijke fotosynthese. De vraag is wat de betrouwbaarheid en levensduur van deze 'artificial leaf' is.

creationisten

Ik ben eigenlijk benieuwd hoe creationisten het feit verklaren dat fotosynthese zo inefficiënt is. Vergelijk hun verwerping van junk-DNA. De Schepper is almachtig en alwetend en de schepping is perfect. Ik ben benieuwd wat ze daarvan gaan maken.

evolutie

Eén procent efficiëntie: is dat laag? Kennelijk is die lage fotosynthetische efficiëntie zonder meer voldoende geweest om de aarde in ruimte mate van levende organismen te voorzien: miljoenen soorten en hele ecosystemen (planten, herbivoren, carnivoren) zijn er door mogelijk gemaakt. Het is nog erger: de meerderheid van plantensoorten heeft een C3 fotosynthese systeem wat minder efficiënt is dan C4 fotosynthese. Aan de andere kant zijn er schaduwplanten die heel efficiënt omgaan met weinig licht. Ze doen dat waarschijnlijk veel efficiënter dan zonnecellen. Een aantal aanpassingen aan extreme milieu's: waterplanten (zowel zoet- als zoutwater) die fotosynthese in water uitvoeren, woestijnplanten die fotosynthese uitvoeren bij extreem hoge temperaturen en lichtintensiteit en efficiënt met water omgaan; bergplanten en arctische planten. Er bestaat dus een diversiteit van aanpassingen aan omstandigheden.

Er is nog een belangrijke reden waarom planten geen hogere efficiëntie hebben. Planten zijn geen glucose fabrieken! Ze gebruiken fotosynthese voor groei. Beperkende groeifactoren zijn de beschikbaarheid van bouwstoffen (C, N, S, P, water, mineralen), metabolisme en celdelingssnelheid (kopiëren DNA). Zolang een hele serie factoren beperkend zijn heeft een snellere fotosynthese geen zin.
Het lijkt er op dat er een mechanisme bestaat dat fotosynthetische snelheid beperkt wanneer zonlicht boven een bepaalde intensiteit komt ("light saturation point"). Als er voldoende zon is wordt bv. de CO₂ concentratie beperkend. Als je dan het CO₂ gehalte in de lucht verhoogt krijg je een hogere fotosynthetische efficiëntie.
De hamvraag is: waarom zou je efficiënt omgaan met zonlicht als er een overvloed van is? Het zou je fitness niet verhogen ten opzichte van je buurman die minder efficiënt met zonlicht omgaat.

Eigenlijk zou je grote bewondering moeten hebben voor het feit dat blinde evolutionaire processen zoiets wonderlijks als het benutten van de energie van fotonen afkomstig van de zon hebben uitgevonden en daarmee de basis voor het leven op aarde gelegd hebben.

Noten

1. Tenminste onder bepaalde voorwaarden zoals dat de zonnepanelen niet te heet mogen worden!
   

Bronnen

Bas Haring 'Misschien is er toch wel een toekomst voor robots', Volkskrant Wetenschapskatern zaterdag 2 juli 2011. 

(Bas Haring is de auteur van een boek over evolutie: Kaas en de Evolutietheorie)

Vorige / volgende blogs Bas Haring

De voederconversie van Bas Haring; Bas Haring. Biodiversiteit. Volkskrant.

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (2)

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (3) 

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (4)