1

DEEL 3

ENERGIE-UITWISSELINGEN IN EEN ECOSYSTEEM

2

Aantal organismen in een ecosysteem…

• … is afhankelijk van de inbreng van energie in het ecosysteem

• … is afhankelijk van de hoeveelheid neerslag in het ecosyteem, met inbegrip dat veel neerslag onmogelijk is bij beperkte zonneënergie

• … is afhankelijk van de snelheid waarmee bepaalde verbindingen uitgewisseld worden

• Elke plaats op aarde ontvangt dezelfde hoeveelheid zonlicht, maar niet dezelfde hoeveelheid energie of ‘hitte’

• Ecosysteem Antarctica

3

De kringloop van elementen

• N-cyclus

• C, H, O, N, P, S, … kunnen herhaaldelijk uitgewisseld worden tussen levende wezens en de levensloze stof

• D.w.z. dat de atomen herbruikt worden voor de opbouw van organische materie

• ‘Energy flows, elements cycle’

4

Energie volgens één richting in de voedselketen

• Energie van de zon wordt vastgelegd door autotrofe fotosynthese…

• … en vloeit dan per trofisch niveau over in herbivoren, primaire en secundaire carnivoren

• Dood weefsel en afval geproduceerd op ieder niveau wordt gebruikt door reducenten: aaseters, detritivoren, fungi, bacteriën,…

• Bij iedere stap gaat het grootste deel van de energie verloren

Klassieke voedselketens versus

detritusvoedselketens • Gewoonlijk denken we aan voedselketens als

‘grazende’ of klassieke voedselketens zoals hiernaast afgebeeld

• Logisch, volgens de klassieke voedselketens wordt plantaardig weefsel direct geconsumeerd door herbivoren

• Een groot deel van de energie is echter afkomstig van organische verbindingen uit dode materie, door bacteriële foto- en chemosynthese,…

• Voorbeelden van detritusvoedselketens vindt men in bosgronden, riviertjes in bosrijk gebied, oceaanbodems, moerassen,…

• Zo is het begrip voedselketen achterhaald, en spreekt men beter van een veelheid aan schakels in een gecompliceerd voedselweb

5

Klassieke voedselketens versus

detritusvoedselketens

6

Exuberante groei versus fragiliteit

• Het belang van organisch materiaal wordt perfect geïllustreerd door de weelderige groei van de tropische regenwouden

• 2/3 van de bodems bestaat er uit tropische rode en gele aarde, typisch zuur en nutriëntarm

• Ca en K lekken bij hevige regen uit de bodem, Fe en Al vormt onoplosbare verbindingen met fosfaatverbindingen

• Nutriënten en C zijn gevangen in levend weefsel, humus is schaars

• Na enkele jaren moeten boeren kunstmest gebruiken voor een lage opbrengst gezonde gewassen of veevoeder

7

8

Energie-efficiëntie op trofisch niveau volgens de klassieke voedselketen

• Energie ademhaling: 33kJ/100kJ

• Energie-efficiëntie is de energie-opbrengst aan weefsel in verhouding met de energie-investering

• In dit geval 4%

• Het is meer efficiёnt om granen te eten i.p.v. er het vee met te voeden

• De energie in het vlees heeft immers al verscheidene trofische niveaus gepasseerd

9

7x meer land nodig voor een vleesdieet

t.o.v. een plantaardig dieet

Energie-overdracht tussen

verschillende voedingsniveaus • Efficiëntie fotosynthese is

laag: 2% van invallende lichtenergie wordt geabsorbeerd door de plant

• Bij elke volgende stap komt 10% van de energie in de

herbivoor of carnivoor terecht

• Dit laat toe de hoeveelheid energie te berekenen welke in de secundaire carnivoor terechtkomt, uitgaande van een stralingsenergie van 6000 kJ geabsorbeerd door planten (per vierkante meter per dag)

10

Antwoord: bereken de energietransfer in elke stap

• Netto-productie door de plant: 120 kJ

• Nettowinst in herbivoren: 12 kJ

• Nettowinst in C1: 1,2 kJ • Nettowinst in C2: 0,12kJ • Besluit: gezien dit groot

energieverlies is het aantal stappen in de voedselketen beperkt (max. 3-4), en is het aantal topcarnivoren klein in bepaald ecosysteem

11

12

Andere voorstelling -

let op het verschil!

Biomassapiramides per trofisch niveau

• Terrestrische ecosystemen zijn qua biomassa opgebouwd volgens een normale piramidevorm

• De grootste massa op aarde is geconcentreerd in de producenten nl. de planten

• De 2e grootste hoeveelheid biomassa is vertegenwoordigd door aaseters en reducenten zoals bacteriën, fungi en termieten

• De bovenliggende niveau’s kennen een 1/10 reductie van biomassa, met topcarnivoren bovenaan die logisch gezien de kleinste biomassa uitmaken

13

Biomassapiramides per trofisch niveau

• Biomassapiramides in zee kennen evenwel een omgekeerde piramidevorm

• Fotosynthetische algen en bacteriën vangen de zonneënergie, welke volgens de 10%-regel wordt afgeroomd per verhoging van trofisch niveau

• Evenwel is hun totale massa veel kleiner dan deze van de organismen die ze consumeren

• Planktonische algen leggen veel meer zonneënergie vast als landplanten en groeien, reproduceren en sterven in verhouding sneller

14

Biomassapiramides per trofisch niveau

• Kleine kreeftachtigen zoals zoöplanktonische Copepoda en andere kreeftachtigen consumeren de algen

• Ze oogsten grote hoeveelheden zonder de fotosynthetische reserves van het water uit te putten

• Deze worden op hun beurt gegeten door invertebraten en kleine visjes, welke vervolgens op het menu staan van grotere vissen en mariene zoogdieren…

• … op hun beurt bejaagd door bv. Carcharodon carcharias (Witte haai) of andere langlevende topcarnivoren

15

Biomassapiramides per trofisch niveau

• Carcharodon carcharias (Witte haai), Neptune Islands, Zuid-Australië – IUCN-status: kwetsbaar

• De inversie van de oceanische biomassapiramide is de reden waarom de waters van de open zee helder zijn en je met een goede observatie wel een occasionele vis bespeurt, maar niet de algen waarvan alle zeedieren uiteindelijk afhankelijk zijn

16

Aquacultuur

Treiltechnieken doden sponzen, koralen,… op de oceaanbodem

Boven: een nooit getreilde bodem, onder: een treilspoor bij Maine

• Waterbewoners hebben als voordeel dat ze weinig energie moeten investeren in de ondersteuning van hun lichaam, maar het kunnen aanwenden voor groei

• Vissen zijn poikilotherm, dus verbruiken praktisch geen energie om zich warm te houden

• Daphnia, kan in aquacultuur 10x meer opbrengen als soja op eenzelfde oppervlakte

• Meer dan 90% van de visvangst bestaat uit de jacht op wilde soorten in hun natuurlijk biotoop

• Boomkorvisserij en treilen zijn conventionele methoden, die de biodiversiteit van zeebodems ernstig verstoren

17

Fishing down the food web

• De accumulatie van biomassa in de top van de voedselketen, maakt van vissen als tonijn (Thunnus sp.), zalm (Salmo sp.),… begeerde voedselbronnen

• Overbevissing maakt blauwvintonijn (Thunnus thynnus) zeldzaam, de roze zalm (Oncorhynchus gorbuscha) is bijna

uitgestorven door zeeluisinfecties die de jonge zalmen aan stukken rijt als ze de Canadese zalmkwekerijen voorbijtrekken

18

Fishing down the food web • Zo is de mortaliteit van de roze zalm

meer dan 80% aan de Pacifische Canadese kust wegens infectie van juveniele zalmen door de kleine kreeftachtige zeeluizen Lepeophtheirus salmonis

• De zalmen brengen nutriënten naar de kustecosystemen, waar ze een sleutelrol spelen in de overleving van grizzlyberen (Ursus arctos horribilis), orca’s, wolven, otters, … en zelfs van de witte spar (Picea glauca) door de stikstof van zalmkadavers achtergelaten door grizzly’s

• In Canada’s Fraser River daalde het wilde zalmbestand van over de 10 miljoen tot minder dan 2 miljoen tijdens de zalmtrek

19

20

Rapoports regel (1975)

• Reis je zuidwaarts van N.- naar Z.-Amerika, zal het verspreidingsgebied van individuele soorten verkleinen bij het naderen tot de evenaar

• In gematigde en arctische regio’s moeten organismen zich aanpassen aan variërende fysische en biologische omgevingen bv. via winterslaap, vruchtzetting, omschakelen naar winterharde prooi, migratie,...

• Door aangepast te zijn aan meer lokale omgevingsvariabelen, bezetten ze ook grotere arealen

• Mecistogaster sp. reuzejuffer van Centraal-Amerika, specialist in het plukken van spinnen uit hun web, concurreren generalisten weg

21

In de evolutie van biodiversiteit betekent een kleinere omvang meer soorten

• Macrocheles rettenmeyeri komt enkel voor als vervanging van de tarsus van mieren

• Bloedzuigend laten ze zich als klauw gebruiken, zonder het comfort van de mier te benadelen

• Hogere energie, grotere biomassaproductie, het vernauwen van verspreidingsgebieden in een minder variërende omgeving...

• ...verhogen de biodiversiteit in de tropen

• Stabiele klimaten met milde seizoensverschillen laten verschillende organismen toe te specialiseren op fracties van de omgeving

• Geen niche blijft ongevuld

• Hoe kleiner organismen, hoe beter ze in staat zijn de omgeving op te delen in kleinere niches

Het tellen van biodiversiteit(sverlies) • Geelgors (Emberiza citrinella),

zwarte vanilleorchis (Gymnadenia nigra)

• De relatie tussen het aantal soorten in en de oppervlakte van een habitat kan worden uitgedrukt volgens S = CAz

• S is het aantal soorten, C een constante per eenheid van oppervlakte en z – als constante van belang – is soortafhankelijk

• z is afhankelijk van het habitat en vooral van de mogelijkheid tot verspreiding

• De z-waarde is tussen 0,15 en 0,35 met de laagste waarden voor soorten met een vlotte verspreiding bv. vogels, hoogste voor bv. landslakken, orchideeën

22

Het tellen van biodiversiteit(sverlies)

• Het Amazoneregenwoud is niet alleen bedreigd door ontbossing, maar ook door droogte en opwarming

• Bij ‘business as usual’ zou 50% van de jungle verdwenen zijn tegen 2050

• Een hoge z-waarde betekent dat de soort waarschijnlijk verdwijnt als de oppervlakte van het habitat verkleint

• Als richtlijn kan je stellen dat als A vermindert met 10%, het aantal soorten tot de helft kan dalen (bij z = 0,30)

• De soorten-oppervlakte-relatie is een direct gevolg van de 2e wet van de thermodynamica die de entropieverhoging en het fenomeen van de onomkeerbaarheid van natuurlijke processen verwoordt

23

Het tellen van biodiversiteit(sverlies)

• Afname van soortenrijkdom van endemische gewervelden op land bij toenemende temperaturen

• Tropisch regenwoud, Queensland, Australië

• In de jaren ‘90 verloren de tropische regenwouden gecombineerd ± 1,8%/jaar

• Bij een typische z-waarde van 0,30 zou ieder jaar daarbij 0,54 % van het aantal soorten er verdwenen zijn

• De helft van het overblijvend tropisch regenwoud op aarde zou binnen 30 jaar verdwijnen bij een ± 1,8%/jaar-evolutie, wat zou inhouden dat het soortenverlies, afhankelijk van de z-waarde, tussen de 10 en 22 % gelegen is

24

De mensheid eigent zich 20 tot 40% toe van de zonneënergie…

• …opgeslagen in organische, plantaardige materie

• Deze aanslag op de bronnen van de planeet reduceert drastisch de overlevingskansen van alle soorten

• Vooraleer de mens ten toneel verscheen, verdween ongeveer 1 soort per miljoen per jaar; menselijke activiteit verhoogt extinctie met een factor 1.000 tot 10.000 voor de tropische regenwouden door dit bestendig verlies aan oppervlakte 25

Referenties • Dia 2: http://www.ciesin.org/docs/011-558/fig4-3.gif

http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/kling/ecosystem/ecosystem.html

• Dia 3: http://www.britannica.com/eb/art-6/The-nitrogen-cycle

• Dia 4, 8 en 9:

http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/biology/livingthingsenvironment/2energyandnutrienttransferrev3.shtml

http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/kling/ecosystem/ecosystem.html

• Dia 5, 6: http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/kling/ecosystem/ecosystem.html

http://www.absoluteastronomy.com/topics/Soil_food_web

• Dia 7: https://sites.google.com/site/envscirubin/Home/study-guide

• Dia 10: http://en.wikipedia.org/wiki/File:FoodWeb.jpg

• Dia 11: http://www.tutorvista.com/content/science/science-ii/environment/food-chain.php#

• Dia 12: http://home.hiroshima-u.ac.jp/er/EV_S.html

• Dia 13 – 15: http://www.tutorvista.com/content/biology/biology-iv/ecosystem/biomass-pyramid.php#

• Dia 16: http://nl.wikipedia.org/wiki/Witte_haai http://pinterest.com/pin/244883298459264762/

• Dia 17: http://archives.starbulletin.com/2008/02/25/news/story01.html

• Dia 18: http://en.wikipedia.org/wiki/Pink_salmon http://oceana.org/en/our-work/promote-responsible-

fishing/predators-prey/learn-act/infographic-fishing-down-the-food-chain

• Dia 19: http://en.wikipedia.org/wiki/Salmon_run http://en.wikipedia.org/wiki/Aquaculture_of_salmon

http://www.environmentalgraffiti.com/animals/news-bear-vs-salmon http://digitaljournal.com/article/280039

http://www.greatbeartours.com/ecotourism.htm http://phys.org/news116777260.html

• Dia 20: http://www.pbase.com/terrythormin/image/94218572

26

Referenties • Dia 21: http://kabinetofcuriosities.blogspot.com/2010/01/tarsi-replacing-mite.html

• Dia 22: http://en.wikipedia.org/wiki/Species-area_curve

http://www.hidephotography.com/getpage.php?pg=search&sr=Emberiza%20citrinella

http://nl.wikipedia.org/wiki/Gymnadenia_nigra http://www.panoramio.com/photo/65487265

• Dia 23: http://en.wikipedia.org/wiki/Second_law_of_thermodynamics http://en.wikipedia.org/wiki/Species-

area_curve http://www.futuretimeline.net/subject/energy-environment.htm

• Dia 24: http://en.wikipedia.org/wiki/Species-area_curve

http://www.environment.gov.au/soe/2006/publications/drs/indicator/105/index.html

• Dia 25: http://windcurrents.nrgsystems.com/wp-content/uploads/2011/04/mountaintopremoval.jpg

27

Literatuurlijst

• Billen J. – 1994

Morfologie en Systematiek van de Invertebrata

• Blamey M. & Grey-Wilson C. - 1989

De Geïllustreerde Flora

Thieme – Baarn

• Buchsbaum R. – 1962

De Ongewervelde Dieren

Het Spectrum – Antwerpen

• Fitter R. & Fitter A. – 1974

Tirions Nieuwe Bloemengids

Elsevier – Amsterdam

• Heimans E., Heinsius H.W., Thysse J.P. – 1947

Geïllustreerde Flora Van Nederland

W. Versluys N.V. – Amsterdam - Antwerpen

28

Literatuurlijst • Heywood V.H. – 1993

Flowering Plants Of The World

Oxford University Press – New York

• Hillenius D. - 1967

De Vreemde Eilandbewoner

N.V. De Arbeidspers – Amsterdam

• Keizer G.J. – 1997

Paddestoelen Encyclopedie

Rebo Productions, Lisse

• Kohlhaupt Paula – 1971

Wilde orchideeën

W.J. Thieme & Cie - Zutphen

Rebo Productions – Lisse

• Perl P. – 1979

Varens

De Lantaarn – Amsterdam

29

Literatuurlijst • Peterson R., Mountfort G. & Hollom P.A.D. – 1983

Petersons Vogelgids

Tirion, Elsevier - Amsterdam

• Raven & Johnson – 1992

Biology

Mosby-Yearbook – Missouri

• Rozema J. & Verhoef H.A. – 1997

Leerboek Toegepaste Ecologie

VU-Uitgeverij – Amsterdam

• Van Assche J. – 1989

Inleiding Tot De Plantenecologie

Katholieke Universiteit Leuven – Leuven

• Van Veen M. & Zeegers Th. – 1988

Insecten Basis Boek

Jeugdbondsuitgeverij – Utrecht

30

Literatuurlijst • Weier T. Elliot, Stocking C.R., Barbour M.G. & Rost T.L. – 1982

Botany – An Introduction To Plant Botany

John Wiley & Sons - California

• Wilson E.O. – 1992

The Diversity Of Life

Allen Lane The Penguin Press – Harmondsworth, Middlesex

• Wynhoff I., Van Der Made J., Van Swaay C. – 1990

Dagvlinders Van De Benelux

De Vlinderstichting - Utrecht

31