Hoe rekbaar is onze planeet? (2)

In mijn vorige blog besprak ik Hoe rekbaar is onze planeet? van John van Rhijn. Het is een uitstekend boek, maar het klimaat wordt sterk onderbelicht. Hij vindt dat het klimaatprobleem veel te veel aandacht krijgt en vindt het niet grootste probleem van onze tijd.
Dat de verhoging van het CO2 gehalte van de atmosfeer onverwachtse effecten op de biosfeer heeft, blijkt uit een publicatie in Nature vandaag waarin geconcludeerd wordt:

"that elevated CO₂ stimulated N₂O emissions by 18.8%, and that CH₄ emissions from wetlands increased by 13.2% and from rice paddies by as much as 43.4%."

Proposed mechanisms of increased N₂O and CH₄ emissions from soils
© Nature 14 Jul 2011.

 

Het blijkt dat verhoging van CO₂ gehalte van de atmosfeer leidt tot een verhoogde CO₂ opname door planten, met als gevolg verhoogd bodemactiviteit, met als gevolg een hogere methaan CH₄ en stikstofoxide N₂O (lachgas) uitstoot uit de bodem. Methaan en stikstofoxide zijn pas echte broeikasgassen: methaan heeft een 25x zo sterk effect en stikstofoxide is zelfs 300x zo sterk als CO₂. Dit zijn zijn effecten die je niet mag verwaarlozen. Het is positieve feedback in het klimaatsysteeem. Het klimaatprobleem kun je en mag je wetenschappelijk en ecologisch gezien niet verwaarlozen. En het klimaatprobleem heeft weer effect op het wereldvoedselprobleem. etc.

Terugkomend op het boek van Johan van Rhijn: of Al Gore nu in een SUV rijdt of niet, klimaatopwarming is en blijft een reëel probleem dat verweven is met alle ander problemen die van Rhijn in zijn boek noemt (wereldbevolking, economie, voedsel, ecosystemen). Die plantjes en bacteriën weten toch niet of Al Gore in een SUV rijdt?

bron:  

Alexander Knohl & Edzo Veldkamp: Global change: Indirect feedbacks to rising CO2, Nature News and Views 14 Jul 2011.

Hoe rekbaar is onze planeet?

Johan van Rhijn:
Hoe rekbaar is onze planeet?
Feiten en fictie over de draagkracht van de natuur

 

De wereldbevolking groeit exponentieel: in minder dan 6 generaties is de wereld bevolking 7 maal zo groot geworden: van 1 miljard in 1800 naar 7 miljard in 2000. Tijd om eens na te denken over de vraag: hoe rekbaar is onze planeet? 

Kan de planeet 7 miljard, 8 miljard, 9 miljard mensen voeden? Voedsel, landbouw en populatiedynamica vallen onder de biologie, dus een bioloog kan daar iets over zeggen. Johan van Rhijn doceerde tot aan zijn pensioen Milieu- en Natuurwetenschappen aan de Open Universiteit. Hij heeft een leesbaar, onderhoudend boekje geschreven over 'feiten en fictie over de draagkracht van de natuur'. Belangrijke hoofdstukken zijn: 2: Draagkracht, en 13: Duurzaamheid. Het is een ideaal boek om in de zomervakantie te lezen. Het is ook een persoonlijk boek geworden: van Rhijn vertelt bv in het laatste hoofdstuk wat hij allemaal te danken heeft aan zijn ouders (=de vorige generatie). Zijn ouders hebben in hem geïnvesteerd. Daardoor kon hij doen wat hij heeft gedaan. De symbolische betekenis: iedere generatie doet iets met de aarde en geeft de aarde door aan de volgende generatie (in iets gewijzigde vorm: iets minder vis in de zee; iets minder bos, iets minder fossiele brandstofen, iets meer mensen en iets warmer).

Ik haal er één plaatje uit in verband met de efficiëntie van de fotosynthese:

Ieder blok is kleiner dan het onderliggende blok. Noodzakelijkerwijs. Ieder blok is ongeveer 10% van het onderliggende blok (een vuistregel). De figuur is dus niet op schaal getekend. De Planteneters zouden immers maar 10% mogen zijn, en de Predatoren maar 1% en de Toppredatoren maar 0,1% en de Top-Top-Predatoren maar 0,01% van het onderste blok Planten. En: de eigenlijke onderste laag die niet in de figuur staat is: ... de zonne-energie! (nou ja, het zonnetje staat ingetekend, maar staat bovenaan...). Hoe groot die onderste zonne laag is, hangt van een aantal definities af. Stelt U zich zelf de aangepaste figuur voor. Het boek rekent uit hoeveel mensen op de aarde kunnen leven. Om het spannend te houden zal ik dat niet verklappen.

energieverlies
Nu: de efficiëntie van energieomzettingen: de hele voedselpyramide is gebaseerd op fotosynthese. Die legt een bepaalde hoeveelheid energie vast. Die energie kan benut worden door de volgende laag. Maar nooit 100%. Er gaat altijd energie verloren. Ik vermoed dat dit uiteindelijk te maken heeft met de wetten van de thermodynamica. Bij energieomzettingen komt er bijvoorbeeld warmte vrij die niet meer is terug te winnen, en irreversibel verloren gaat. Het heelal in. Wat ook de efficiëntie van de fotosynthese is bij het vastleggen van zonne-energie, er gaat energie verloren omdat planten zelf een metabolisme hebben (chemische omzettingen). Hetzelfde geldt des te meer voor grazers en predatoren (warmte productie). De voedselpyramide lekt energie. Dus: is inefficiënt. Een deel van die inefficiëntie ligt in de fysica en is niet biologisch van aard. Een ecoloog kan waarnemingen in de natuur doen naar de lagen van de voedselpyramide. Maar we hebben een fysicus nodig om te berekenen wat de theoretisch maximale efficiëntie is waarmee energie van laag tot laag doorgegeven kan worden. En dat heeft natuurlijke giga consequenties voor alles en iedereen...

klimaat
Tenslotte nog een kritiekje. Van Rhijn maakt een opmerking over Al Gore, de goeroe en profeet van de klimaatopwarming, die je alleen van klimaatsceptici zou verwachten. Onder het kopje 'Het klimaat als hype' (!) schrijft hij: 'Al Gore vliegend van de ene naar de andere uithoek op de aarde, of rijdend in een SUV. Kennelijk is er weinig mis met zo'n levensstijl. (...) De ecologische voetafdruk van Al Gore is nogal omvangrijk.' (p.141). Mijn mond viel open van verbazing! Wat een kinderachtige opmerking! Het is precies hetzelfde als tegen de agent zeggen die je bekeurt voor te hard rijden: maar U reed zelf ook te hard! Kennelijk is er helemaal niets mis met te hard rijden! Deze snelheidsovertreding heeft de bedoeling om een groot aantal andere snelheidsovertredingen te voorkomen. Al Gore wilde met een beetje extra CO2 uitstoot proberen de wereldwijde CO2 uitstoot naar beneden om te buigen. Als dat lukt is zijn extra CO2 uitstoot toch zonder meer te rechtvaardigen. Ergens verderop erkent hij wel dat er zoiets als 'een klimaatprobleem' bestaat (pag. 200),  maar het hele klimaatprobleem blijft een zwak punt in dit boek. En dat is jammer, want daardoor mist van Rhijn de wisselwerking tussen klimaat en ecosystemen. En daar is ondertussen al heel wat literatuur over verschenen. Dat was eigenlijk het enige kritiekpunt dat de moeite van het vermelden waard was.

Het boek is zeer goed te volgen voor niet-biologen. Voor biologen hangt het er van af hoe goed je ingelezen bent of je iets nieuws leert. Lees ze!

PS: wat is de ecologische voetafdruk van dit boek? Gelukkig heeft het boek een Forest Stewardship Council keurmerk (FSC). U hoeft dus niet al te veel gewetensbezwaren te hebben!

PS: ook over voedselpyramides: De voederconversie van Bas Haring

PS: hier een interview met Johan van Rhijn: mp3 (begint op 1/3 vd uitzending) waarin hij toelicht waarom klimaat niet het belangrijkste probleem is.

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (3)

Een geheel nieuwe wending aan de discussie over de efficiëntie van fotosynthese werd teweeg gebracht door een tip van een onbekende blogbezoeker:

"the initial steps of natural photosynthesis harness light energy with an efficiency of 95% or more — values that we can only aspire to with artificial photocells." (3)

Fotosynthese haalt een efficiëntie van 95% of meer! Dit zet de hele discussie op zijn kop, want dit is precies het omgekeerde van de stelling van Bas Haring die stelde dat  fotosynthese een teleurstellende 1% haalde en dat zonnecellen met gemak 10% of meer halen.

Nature publiceerde over de extreme efficiëntie in 2007 en 2010. De auteurs van het research artikel in 2007 (1) en het redactionele commentaar (2) spreken ook van 'extreme efficiency', hoewel het getal 95% niet in het research artikel is terug te vinden.

Wat is hier aan de hand? Waar het getal 95% vandaan komt wordt niet duidelijk, maar zeer waarschijnlijk wordt hier efficiëntie gebruikt in de definitie: het percentage van door het fotosynthetisch systeem opgevangen fotonen die nuttig gebruikt worden (4). (foton = kleinste eenheid van licht). Het lijkt nu vast te staan dat er  8 - 12 fotonen nodig zijn om 1 molecuul CO2 te reduceren (5). Alle fotonen die door het blad teruggekaatst worden of omgezet in warmte worden zodoende niet meegerekend. Als je naar een blad kijkt (zie foto) zie je dat veel fotonen de grotere en kleinere bladnerven zullen raken en verloren gaan. Als je met al dit soort factoren rekening houdt dan kom je tot een veel lagere efficiëntie. Vandaar de verwarrende gegevens in de literatuur.
Er is nog zo ontzettend veel te zeggen over fotosynthese dat ik de hele zomer er over kan bloggen. Dat zal ik niet doen. Veel over de energieaspecten kun je vinden in: Vaclav Smil (6). Nog twee opmerkingen:

Intelligent Design!

Als er iets complex, ingenieus of efficiënts in de natuur gevonden wordt, zijn ID-ers er altijd als de kippen bij. Over 'extreme inefficiëntie van fotosynthese' hoor je ze niet. Dit creationistische artikel (7) maakt melding van de 'extreme efficiëntie' van fotosynthese, waardoor intelligent design voor de zoveelste keer bewezen wordt! Natuurlijk vergeten ze de extreme inefficiëntie van de zon als energiebron te vermelden, die immers alle kanten op straalt waardoor er maar een miljardste de aarde bereikt (8).

Evolutie

In mijn vorige blog schreef ik dat de efficiëntie van fotosynthese niet de enige factor is voor het produceren van nakomelingen. Daardoor mag je niet verwachten dat fotosynthese gemaximaliseerd is. Dit vond ik op fraaie wijze onder woorden gebracht:

"One reason that plants don't store fuel efficiently is that "plants' goals are different than our goals," says (Devens Gust, a photochemist at Arizona State University). "The plant's goal is to live and reproduce, not to store energy for humans." (bron)

Noten

1. Gregory S. Engel et al (2007) Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems, Nature 446, 782-786 (12 April 2007). Zie ook: Elisabetta Collin (2010) Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature, Nature 4 Feb 2010.
2. Editor's Summary: Making photosynthesis tick, Nature 12 April 2000
3. Roseanne J. Sension (2007) Biophysics: Quantum path to photosynthesis, News and Views Nature 446, 740-741 (12 April 2007)
4. Dit wordt  bevestigd door de definitie in Scientific American: "plants transform 95 percent of the sunlight that falls on them (...) into energy stored chemically as carbohydrates".
5. Oliver Morton (2007) Eating the Sun, p.112. (Schrijft gedetailleerd over de geschiedenis van het wetenschappelijk onderzoek naar fotosynthese)
6. Vaclav Smil (2008) Energy in Nature and Society. MIT. (Pittig en grondig met veel data over alle aspecten van energie.)
7. David Tyler Post details: Explaining the extreme efficiency of photosynthesis, 04/16/07 (Aan de ARN website zijn bekende ID-ers verbonden als Steve Meyer, Paul Nelson).
8. Deze eye-opener is afkomstig van de evolutiebioloog George C. Williams.Er zijn duizenden andere inefficiënties te noemen.