Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (4)

Tot mijn grote verbazing vond ik in Science 13 mei 2011 een prachtig overzichtsartikel (1) dat de energie efficiëntie van fotosynthese en zonnepanelen op een veel betere en wetenschappelijk verantwoorde manier vergelijkt, dan ik in mijn vorige 3 blogs heb gedaan! Maar ik vond er ook evolutionaire aspecten in terug die geheel overeenkwamen met wat ik eerder had geblogd.

energie uit zonlicht

De bedoeling van het artikel is om energie omzettingen te vergelijken in de context van het wereld energie probleem. Welke methode haalt de meeste energie uit zonlicht? Een zeer actuele vraag. Maar in plaats van de naïeve manier van vergelijken van Bas Haring, legt het artikel uit waarom hier appels met peren vergeleken worden, en hoe het beter kan. Fotocellen slaan géén energie op, terwijl planten de zonne-energie opslaan in energierijke chemische verbindingen die ze vervolgens gebruiken om te leven, te groeien en zich voort te planten (dat had ik ook al opgemerkt).

eerlijke vergelijking

Het aardige van het artikel is dat het komt met een 'eerlijke' vergelijking: zonlicht gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Want water splitsten kan zowel technisch als biologisch. Bij fotosynthese is dit zelfs standaard. Bij de technologische methode moet een fotocel gekoppeld worden met electrolyse. Dat soort technische systemen komen tot een netto efficiëntie van 11%. Natuurlijke fotosynthese heeft onder optimale condities een quantum efficiëntie van bijna 100%! Dit was al in 1974 bekend! Dat wist ik niet toen ik mijn eerste blog over dit onderwerp schreef. Echter als je meet wat er gedurende een jaar aan biomassa wordt geproduceerd onder vergelijkbare omstandigheden als zonnecellen, dan kom je tot niet meer dan 1% voor planten en 3% voor algen (2). Dit kan oplopen tot 7% als je je beperkt tot de groeifase van de plant. Planten groeien niet het hele jaar. De technische systemen winnen het. Hoe groot het verschil is hangt dus af van hoe en wat je meet.

CO2

De auteurs hebben ook een theoretisch maximum efficiëntie voor fotosynthese berekend. Ze komen tot 12%. Dit maximum kan benadert worden door CO2 gehalte van de lucht op te voeren! Dat zijn dus uitsluitend omgevingsfactoren. Dit gebeurt -zoals bekend- door mondiale industriële CO2 uitstoot en staat bekend als klimaatopwarming. Zie mijn blog: Hoe rekbaar is onze planeet? (2). Over dwarsverbanden gesproken!

fine-tunen

Zeer interessant: de efficiëntie van fotosynthese kan verder opgevoerd worden met het fine-tunen (3) van de pigmenten die licht opvangen, waardoor je de efficiëntie kunt verdubbelen! Ook kun je door kunstmatige selectie van de planten de biobrandstofproductie verhogen. Evolutie heeft dat nooit gedaan. De mens ook niet. Wel heeft selectie gedurende duizenden jaren voor hogere voedselproductie in de landbouw succes gehad. Maar zelfs selectie op maximale voedselproductie is niet synoniem met maximale fotosynthese. Selecteren voor voedselproductie is wat anders dan selecteren voor biobrandstof. Er zijn nog meer fascinerende methodes om fotosynthese te verbeteren, zoals synthetische biologie (genetic engineering).

doelen

Het artikel is erg leerzaam en het doet je nog eens goed beseffen dat evolutie 'andere doelen nastreeft' dan de mens in de landbouw en biobrandstofproductie. En daardoor ga je ook begrijpen dat je efficiënties van natuurlijke fotosynthese kunt verhogen, zonder dat dat betekent dat de efficiëntie in zijn oorspronkelijke context in absolute zin laag genoemd mag worden. De bottomline is: efficiënties vergelijken zonder de definitie er in te betrekken is naïef en betekenisloos.

Postscript

29 maart 2019

Een oorzaak van lager dan theoretisch mogelijke fotosynthese is de trage reactie van huidmondjes (stomata) bij wisselende lichtintensiteiten. Via de stomata wordt CO2 opgenomen en -als onvermijdelijk neveneffect- vindt verdamping van water plaats. CO2 is nodig voor fotosynthese. Door de snelheid van het openen en sluiten van stomata kunstmatig te verhogen, kon de fotosynthetische efficiëntie verhoogd worden. [4].

Noten

1. Robert E. Blankenship et al (2011) Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement, Science 13 mei 2011
2. Definitie: "the energy efficiency of photosynthesis is defined as the energy content (heat of combustion of glucose to CO₂ and liquid H₂O at STP) of the biomass that can be harvested annually divided by the annual solar irradiance over the same area." (STP = standard temperature and pressure). Deze definitie (biomassa) maakt fotosynthese niet echt vergelijkbaar met zonnecellen, lijkt mij zo. Men zou zuurstof productie als maatstaf kunnen nemen. (zondag 17 juli)
3. Dit geeft fantastische argumenten tegen intelligent design van fotosynthese! Een onderwerp voor een volgend blog! 
4. 'Optogenetic manipulation of stomatal kinetics improves carbon assimilation, water use, and growth'. Science 29 maart 2019.  

 

Vorige blogs

• Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (3) 9 jul 2011
• Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (2) 6 jul 2011
• Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (1) 4 jul 2011
  

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.