Energiestroom in ecosystemen

Energie beweegt lineair door een ecosysteem. Ze komt binnen als zonlicht, doorloopt producenten en consumenten, en lekt uiteindelijk weg als warmte. Anders dan materie keert energie niet terug — daarom is "energiekringloop" een verkeerde term.

Hoe energie binnenkomt

Vrijwel alle energie in de biosfeer komt van de zon. Producenten — planten, algen, cyanobacteriën — vangen zonlicht op en leggen het via fotosynthese vast in suikers. Slechts een klein percentage van het invallende licht wordt zo omgezet in chemische energie. De rest gaat als warmte verloren of wordt door het blad weerkaatst.

Op enkele plekken — diepzee-vents, sommige grotsystemen — bestaat een ecosysteem niet op zonlicht maar op chemische energie uit anorganische stoffen (chemosynthese). Voor de aarde als geheel is dat verwaarloosbaar; daar overal elders is de zon de motor.

Hoe energie door het systeem stroomt

Wat een producent vastlegt, kan worden gegeten door een herbivoor. Die gebruikt het meeste voor stofwisseling, beweging en warmteafgifte; slechts circa 10% blijft over als nieuwe biomassa. Een carnivoor die de herbivoor eet, verliest opnieuw circa 90%. Zie voedselketen en voedselweb. Dit verklaart waarom voedselketens zelden meer dan vier of vijf niveaus hebben: aan de top is gewoonweg niet genoeg energie meer.

Verlies betekent in dit verband: omzetting in warmte. De energie verdwijnt niet uit het universum, maar wordt zo verspreid dat ze biologisch onbruikbaar is. Op een gegeven moment straalt de aarde de warmte als infraroodstraling de ruimte in. Daarmee verlaat de energie definitief het systeem.

Achtergrond: tweede hoofdwet

Achter dit alles ligt de tweede hoofdwet van de thermodynamica: bij elke omzetting van energie neemt de bruikbaarheid af. Een deel wordt onvermijdelijk warmte. Een ecosysteem ontkomt niet aan die wet. Daarom moet er voortdurend nieuwe energie van buiten bijkomen — anders valt het systeem stil.

Hetzelfde geldt voor een huishouden, een fabriek, of het lichaam: zonder voortdurende toevoer van energie, geen leven en geen werk. Materie kan in principe oneindig hergebruikt worden. Energie niet.

Onderscheid met stofkringlopen

Materie circuleert; energie niet. Dat is de kernuitspraak. Een koolstofatoom dat nu in jouw bloed zit, kan ooit in een dinosaurus, daarna in een plant, daarna in een bodembacterie zijn geweest, en kan dat in de toekomst opnieuw zijn. De energie waarmee jouw cellen werken, is daarentegen onlangs door de zon geleverd, en zal binnenkort als warmte het lichaam verlaten.

Daarom is "energiekringloop" een onhandige term. Beter: energiestroom. En daarom geeft "stofkringloop" of "koolstofkringloop" het juiste beeld voor materie. Zie ook verschil kringloop, keten en web.

Producenten in cijfers

Op planeetschaal leggen producenten elk jaar een grote hoeveelheid koolstof vast. Dat heet de primaire productie. Marine algen en cyanobacteriën leveren ongeveer evenveel als alle landplanten samen — exacte schattingen verschillen tussen bronnen. Een belangrijk deel van die productie wordt binnen hetzelfde jaar weer ge-ademhaald; wat overblijft, hoopt zich op als biomassa, bodemorganische stof of, op geologische tijdschaal, fossiele brandstof.

Consequenties voor mens en landbouw

Een dieet hoog in vlees vraagt meer landbouwgrond dan een dieet op plantaardige basis, juist vanwege het energieverlies per trofisch niveau. Dat is geen ideologische uitspraak, maar een gevolg van de tweede hoofdwet en de 10%-regel. Of dat ertoe leidt dat mensen minder vlees zouden moeten eten, is een afweging waar dieetkeuze, klimaat, gezondheid en cultuur door elkaar lopen — daar gaat deze pagina niet over.

Schoolverband: "energie stroomt, materie circuleert" is een van de meest gestelde toetsvragen bij biologie havo/vwo. Wie het onderscheid scherp heeft, kan veel ecologische verschijnselen zelf afleiden.

Verbinding met andere onderwerpen

De koppeling tussen energie en stof loopt via fotosynthese (binnenkomende energie wordt vastgelegd in chemische bindingen) en cellulaire ademhaling (chemische energie wordt vrijgemaakt voor werk, met afgifte van warmte). Beide processen zijn de schakelpunten waar materie- en energiestromen elkaar raken. Zie fotosynthese en cellulaire ademhaling.

Energiestroom in ecosystemen.