Geschiedenis van het kringloopconcept.
Het idee dat stoffen in de natuur in cycli bewegen, ontwikkelde zich in stappen, samen met de scheikunde, biologie en geologie. Van Lavoisiers behoud van massa, via Liebigs minimumwet, naar Vernadsky's concept van de biosfeer en de moderne biogeochemie van de twintigste eeuw.
Lavoisier en behoud van massa
Aan het einde van de achttiende eeuw bewees de Franse scheikundige Antoine Lavoisier dat massa bij chemische reacties behouden blijft: wat erin gaat, komt eruit, anders verbonden. Daarmee legde hij de basis voor het idee dat materie noch geschapen, noch vernietigd wordt — alleen omgezet. Zijn werk over verbranding maakte duidelijk dat zuurstof uit de lucht een rol speelt, en dat het volume van een gas zinvol gemeten kan worden.
Op deze grondwet steunt elk kringloopdenken. Een atoom verdwijnt niet; het beweegt door reservoirs. Wie een kringloop wil traceren, kan dat omdat de atomen behouden blijven.
Liebig en de minimumwet
In het midden van de negentiende eeuw werkte Justus von Liebig de minimumwet uit: plantengroei wordt beperkt door de voedingsstof die in de kleinste hoeveelheid voorkomt — niet door de gemiddelde aanvoer. Geef extra fosfor en de groei stagneert nog steeds als stikstof tekort is, of omgekeerd.
Deze wet maakte duidelijk dat verschillende elementen in verschillende verhoudingen bewegen, en dat de balans tussen N, P en andere voedingsstoffen voor ecosystemen telt. Het was een vroege stap richting wat later eutrofiering en nutriëntenkringlopen zou worden.
Negentiende eeuw: bodemkunde en microbiologie
In de tweede helft van de negentiende eeuw ontdekten onderzoekers de rol van bodembacteriën in stikstofbinding en nitrificatie. De ontdekking dat een minuscule organisme nodig is om een atmosferische stof bruikbaar te maken voor planten, betekende dat de stikstofkringloop niet zonder microbiologie te begrijpen is.
Tegelijkertijd begon de geologie van de moderne plaattektoniek vorm te krijgen. James Hutton (eind 18e eeuw) en Charles Lyell (begin 19e eeuw) hadden de basis gelegd voor diepe geologische tijd; de gesteentekringloop kreeg geleidelijk haar moderne vorm.
Vernadsky en de biosfeer
De Russische geochemicus Vladimir Vernadsky publiceerde in 1926 zijn boek over de biosfeer (Biosfera). Hij betoogde dat het leven op aarde geen passieve passagier op de planeet is, maar een actieve geologische kracht die de samenstelling van atmosfeer, oceaan en korst structureel beïnvloedt. De zuurstof in de lucht? Een product van leven. De kalksteen in de korst? Het werk van zeebewoners over honderden miljoenen jaren.
Daarmee plaatste hij de natuurlijke kringlopen in een geologisch en planeetbreed kader. Vernadsky's werk was lang vooral binnen de Sovjet-wetenschap bekend; in westerse literatuur kreeg het pas later brede aandacht. Zijn concept van de biosfeer is nog steeds een organiserend idee in de aardsystem-wetenschap.
Twintigste eeuw: biogeochemie
In de twintigste eeuw ontwikkelde biogeochemie zich tot een eigen vakgebied: de studie van de chemische, fysische, biologische en geologische processen die elementen door reservoirs bewegen. Nieuwe meettechnieken — isotopenanalyse, satellietmetingen, laboratoriumchemie — maakten kwantitatief werk mogelijk. Voor het eerst kon men berekenen hoeveel koolstof per jaar tussen atmosfeer en oceaan uitgewisseld werd, of hoeveel stikstof werd gebonden.
De ontdekking van de menselijke verstoring kwam mee. Charles David Keeling begon in 1958 op Mauna Loa metingen van atmosferisch CO2, en de stijgende curve werd een centraal feit van de moderne klimaatwetenschap. Onderzoek van het IPCC en internationale satellietmissies bouwen daarop voort.
Haber-Bosch en de menselijke ingreep
Aan het begin van de twintigste eeuw ontwikkelden Fritz Haber en Carl Bosch het industriële proces om N2 tot ammoniak om te zetten. Vanuit historisch perspectief is dit een breekpunt: voor het eerst greep een menselijk industrieel proces op de schaal van een natuurlijke kringloop in. De stikstofbalans van de wereld werd niet langer alleen door bacteriën en bliksem bepaald. Zie stikstofbinding.
Late twintigste eeuw: Earth System Science
Vanaf de jaren tachtig en negentig kwam de term Earth System Science op, het idee dat aarde als geheel — atmosfeer, oceaan, biosfeer, geosfeer, mens — een gekoppeld systeem vormt waarin processen elkaar beïnvloeden. De grote internationale projecten en uiteindelijk het IPCC bouwen op deze visie.
De circulaire economie, ontstaan in dezelfde periode, leent het idee van gesloten kringlopen uit de natuurwetenschap voor de menselijke productie- en consumptiestromen. Zie circulaire economie.
Tot vandaag
Onderzoek naar kringlopen blijft actief. Onderwerpen die nog volop in ontwikkeling zijn: de respons van bodemkoolstof op opwarming, terugkoppelingen via permafrost, methaanbronnen en -putten, oceaanverzuring en mariene kalkvormers, de toekomst van fosforvoorraden, en de details van microbiële omzettingen in soms onverwachte habitats. Onderzoek bij Wageningen University & Research, NIOZ, NIOO-KNAW, KNAW en internationaal verband levert voortdurend nieuwe inzichten.