Samenvattingen · BiologieNL · VWO

Regulatie van ecosystemen

Hoe ecosystemen functioneren als systemen van energiestromen en kringlopen. Je bestudeert de trofische niveaus en de energiestroom (met de energiepiramide en het lage rendement per stap), de koolstof- en de stikstofkringloop, en de regulatie die door terugkoppeling een dynamisch evenwicht in stand houdt.

4 Onderdelen~12 min leestijd4 VaardighedenNiveau Standaard 3 · Verdieping 1

T·171717 / 21

Examenprofiel

De energiestroom door trofische niveaus en de energiepiramide uitleggenDe koolstofkringloop beschrijvenDe stikstofkringloop en de rol van bacteriën beschrijvenRegulatie en dynamisch evenwicht in ecosystemen uitleggen

Operatoren:leg uitverklaarberedeneerberekeninterpreteer

basisniveau

Voor het CE leg je de energiestroom en de kringlopen uit en reken je met het energierendement.

verhoogd niveau

Verdieping ligt in de terugkoppelingsmechanismen die het evenwicht in stand houden.

Diepte

Tekst

Inhoud · 4 onderdelen

Regulatie van ecosystemen

Energiestroom en trofische niveaus#

Standaardproducentconsumentreducenttrofisch niveauenergiepiramide

Energiepiramide

Afb. 1Afb. 1 — De energiepiramide: per trofisch niveau blijft ongeveer 10% van de energie over, zodat de beschikbare energie naar boven toe sterk afneemt.

In een ecosysteem stroomt energie in één richting door de organismen, geordend in trofische niveaus (voedselniveaus). Aan de basis staan de producenten: planten en algen die met fotosynthese zonlichtenergie vastleggen in organische stof. Daarop volgen de consumenten: planteneters (consumenten van de eerste orde), vleeseters die planteneters eten (tweede orde), enzovoort. De reducenten (bacteriën en schimmels) ten slotte breken dode resten en afvalstoffen af. Via het eten van elkaar — de voedselketen — stroomt de energie van niveau naar niveau.

Bij elke stap in de keten gaat het grootste deel van de energie verloren, vooral als warmte bij de dissimilatie, en verder aan beweging, warmteproductie en niet-opneembare delen. Als vuistregel wordt maar ongeveer 10% van de energie in een niveau vastgelegd in het volgende niveau; de overige circa 90% gaat verloren. Daarom neemt de beschikbare energie sterk af naarmate je hoger in de keten komt, en dat teken je als een energiepiramide: een brede basis van producenten en steeds smallere lagen erboven (afbeelding 1).

Dit lage rendement verklaart verschillende waarnemingen. Voedselketens zijn kort (meestal drie tot vijf niveaus), omdat er na een paar stappen simpelweg te weinig energie over is om nog een niveau te voeden. Er zijn altijd veel meer producenten dan toppredatoren, omdat de energie voor de toppredator door de hele keten heen moet druppelen. En het is energiezuiniger om je op een laag niveau te voeden: een hectare land voedt veel meer mensen als graan (producent) dan als vlees (consument), omdat bij de omweg via het vee 90% van de energie verloren gaat.

Belangrijk is dat energie een eenrichtingsstroom is die het ecosysteem in komt (zonlicht) en er als warmte weer uit verdwijnt — energie wordt niet hergebruikt. Dit staat tegenover de stoffen (koolstof, stikstof), die juist in kringlopen worden rondgepompt en telkens opnieuw gebruikt. Het onderscheid tussen de eenrichtingsenergiestroom en de kringlopen van stoffen is een centraal principe van de ecologie dat je scherp moet kunnen maken.

Uitgewerkt voorbeeld

Energie door de keten berekenen

De producenten leggen 12000 kJ vast. Bereken met de 10%-vuistregel de energie voor de consumenten van de eerste en tweede orde.

Eerste orde
Ongeveer 10% van 12000 kJ gaat naar de eerste orde: 0,10 × 12000 = 1200 kJ.
$0{,}10 \times 12000 = 1200\ \text{kJ}$
Tweede orde
Weer 10% daarvan: 0,10 × 1200 = 120 kJ.
Interpretatie
Na twee stappen is van de 12000 kJ nog maar 120 kJ over; na nog een paar stappen is er te weinig energie voor een volgend niveau.

Resultaat: De eerste orde krijgt 1200 kJ, de tweede orde 120 kJ; door dit sterke energieverlies per stap blijven voedselketens kort.

Veelgemaakte fouten

Energie als een kringloop zien; energie stroomt eenrichting (zon in, warmte uit), alleen stoffen kringen rond.
Vergeten dat per stap circa 90% van de energie verloren gaat, waardoor voedselketens kort zijn en toppredatoren zeldzaam.

Actieve herhaling

De producenten in een ecosysteem leggen 12000 kJ vast. Bereken met de 10%-vuistregel hoeveel energie er beschikbaar is voor de consumenten van de eerste en de tweede orde, en leg uit waarom voedselketens kort zijn.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — energiestroom (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

De koolstofkringloop#

Standaardkoolstofkringloopfotosyntheseverbrandingreducent

De koolstofkringloop

Afb. 2Afb. 2 — De koolstofkringloop: fotosynthese legt CO₂ vast in planten, dissimilatie en afbraak door reducenten brengen het weer als CO₂ in de lucht.

Koolstof is het bouwelement van alle organische stoffen, en het circuleert in een gesloten kringloop door het ecosysteem (afbeelding 2). De belangrijkste voorraad is de koolstofdioxide (CO₂) in de lucht. Via de fotosynthese nemen planten CO₂ op en leggen de koolstof vast in organische stoffen (glucose, en daaruit alle andere). Deze vastlegging is de „ingang” van de koolstof in de levende natuur; van de planten stroomt de koolstof door naar de dieren die de planten (of elkaar) eten.

De koolstof keert op verschillende manieren als CO₂ naar de lucht terug. Alle organismen — planten, dieren en reducenten — voeren dissimilatie (celademhaling) uit, waarbij ze organische stof afbreken en CO₂ afgeven. Wanneer organismen sterven, breken de reducenten (bacteriën en schimmels) de dode resten af en geven daarbij eveneens CO₂ vrij. Zo sluit de kringloop: fotosynthese haalt CO₂ uit de lucht, dissimilatie en afbraak brengen het er weer in, in een voortdurend evenwicht.

Naast deze snelle biologische kringloop bestaan er langzame processen. Onder bijzondere omstandigheden wordt dode organische stof niet afgebroken maar in de bodem opgeslagen; over miljoenen jaren ontstaan daaruit fossiele brandstoffen (steenkool, olie, aardgas), die enorme hoeveelheden koolstof vasthouden. Bij de verbranding van deze brandstoffen komt die koolstof in korte tijd als CO₂ vrij — veel sneller dan hij is vastgelegd. Ook natuurlijke verbranding (bosbranden) geeft CO₂ af.

Het menselijk handelen verstoort de koolstofkringloop: door op grote schaal fossiele brandstoffen te verbranden en bossen te kappen, komt er meer CO₂ in de lucht dan de fotosynthese kan opnemen. De CO₂-concentratie in de atmosfeer stijgt daardoor, wat via het versterkte broeikaseffect bijdraagt aan klimaatverandering. Het begrijpen van de koolstofkringloop is zo de sleutel tot het begrijpen van een groot milieuvraagstuk — een verbinding tussen ecologie en duurzaamheid die het examen vaak legt.

Uitgewerkt voorbeeld

Een koolstofatoom volgen

Beschrijf de weg van een koolstofatoom van CO₂ in de lucht via een plant en een dier terug naar CO₂, met het proces per stap.

Vastleggen
Een plant neemt CO₂ op en legt de koolstof via fotosynthese vast in glucose (organische stof).
Doorgeven
Een dier eet de plant; de koolstof zit nu in de organische stoffen van het dier.
Vrijmaken
Het dier voert dissimilatie uit (of sterft en wordt door reducenten afgebroken); daarbij komt de koolstof weer als CO₂ in de lucht.

Resultaat: Het koolstofatoom gaat via fotosynthese de plant in, via eten naar het dier, en via dissimilatie/afbraak weer als CO₂ terug in de lucht — een gesloten kringloop.

Veelgemaakte fouten

Alleen de fotosynthese of alleen de ademhaling noemen; de kringloop vraagt beide (vastleggen én vrijmaken).
Vergeten dat ook planten zelf CO₂ afgeven door dissimilatie, niet alleen dieren en reducenten.

Actieve herhaling

Beschrijf de weg van een koolstofatoom vanaf CO₂ in de lucht, via een plant en een dier, terug naar CO₂ in de lucht, en noem bij elke stap het betrokken proces.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — koolstofkringloop (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

De stikstofkringloop#

Standaardstikstofkringloopstikstofbindingnitrificatiedenitrificatie

De stikstofkringloop

Afb. 3Afb. 3 — De stikstofkringloop: bacteriën binden N₂ tot nitraat (bruikbaar), planten en dieren gebruiken het, en denitrificatie brengt de stikstof als N₂ terug in de lucht.

Stikstof is onmisbaar voor het leven omdat het in eiwitten en in DNA zit, maar de grootste voorraad — het stikstofgas (N₂) dat 78% van de lucht vormt — is voor de meeste organismen onbruikbaar: planten en dieren kunnen N₂ niet rechtstreeks opnemen. De stikstofkringloop draait daarom om het omzetten van stikstof in wél bruikbare vormen en weer terug (afbeelding 3), en bacteriën spelen daarin de hoofdrol.

Bepaalde bacteriën voeren stikstofbinding uit: ze zetten het onbruikbare N₂ uit de lucht om in bruikbare stikstofverbindingen (ammonium, en daaruit nitraat) in de bodem. Sommige van deze bacteriën leven vrij in de grond, andere in de wortelknolletjes van vlinderbloemigen (zoals klaver en erwt), in een mutualistische samenwerking. Planten nemen de stikstof vervolgens als nitraat (of ammonium) uit de bodem op en bouwen er hun eiwitten mee; dieren krijgen hun stikstof door planten (of andere dieren) te eten.

De stikstof keert weer in de bodem terug wanneer organismen sterven of afvalstoffen uitscheiden: reducenten breken de eiwithoudende resten af tot ammonium. Andere bacteriën zetten via de nitrificatie het ammonium om in nitraat, dat planten weer kunnen opnemen. Zo circuleert de stikstof tussen bodem en organismen. Ten slotte zetten denitrificerende bacteriën een deel van het nitraat weer om in N₂-gas (denitrificatie), waarmee de stikstof naar de lucht terugkeert en de grote kringloop rond is.

De stikstofkringloop laat zien hoe onmisbaar bacteriën (reducenten en de gespecialiseerde stikstofbacteriën) voor het ecosysteem zijn: zonder hen zou de bruikbare stikstof opraken en het leven stilvallen. Ook hier grijpt de mens in: kunstmest voegt grote hoeveelheden bruikbare stikstof toe, wat de landbouw ten goede komt maar bij overbemesting tot vermesting (eutrofiëring) van water en bodem leidt. Zo verbindt de stikstofkringloop de microbiologie, de ecologie en de milieuproblematiek.

Uitgewerkt voorbeeld

Het belang van stikstofbindende bacteriën

Verklaar waarom stikstofbindende bacteriën onmisbaar zijn, hoewel de lucht voor 78% uit stikstof bestaat.

N₂ is onbruikbaar
Het stikstofgas (N₂) in de lucht kan door planten en dieren niet rechtstreeks worden opgenomen en gebruikt.
Rol van de bacteriën
Stikstofbindende bacteriën zetten N₂ om in bruikbare verbindingen (ammonium, nitraat) die planten wél kunnen opnemen.
Gevolg
Zonder deze bacteriën zou er, ondanks de overvloed aan N₂, geen bruikbare stikstof voor eiwitten en DNA beschikbaar zijn en zou de kringloop stilvallen.

Resultaat: N₂ is voor organismen onbruikbaar; stikstofbindende bacteriën maken er de enige bruikbare vorm van, en zijn daarom onmisbaar voor de stikstofvoorziening van het hele ecosysteem.

Veelgemaakte fouten

Denken dat planten stikstofgas (N₂) rechtstreeks uit de lucht opnemen; ze nemen nitraat/ammonium uit de bodem op na omzetting door bacteriën.
Nitrificatie en denitrificatie verwarren: nitrificatie maakt nitraat (bruikbaar), denitrificatie maakt weer N₂-gas.

Actieve herhaling

Leg uit waarom stikstofbindende bacteriën onmisbaar zijn voor het ecosysteem, hoewel er enorm veel stikstof in de lucht zit.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — stikstofkringloop (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

Regulatie en dynamisch evenwicht#

Verdiepingdynamisch evenwichtterugkoppelingpopulatieregulatie

Predator-prooiterugkoppeling

Afb. 4Afb. 4 — De predator-prooirelatie als negatieve terugkoppeling: meer prooi → meer predatoren → minder prooi → minder predatoren, in een schommelend evenwicht.

Een ongestoord ecosysteem verkeert doorgaans in een dynamisch evenwicht: de aantallen van de verschillende soorten schommelen rond een gemiddelde, zonder dat een soort permanent explodeert of uitsterft. Dit evenwicht is niet star, maar het resultaat van voortdurende regulatie door terugkoppeling — hetzelfde principe als de homeostase in een organisme, maar dan op ecosysteemniveau. De onderlinge relaties tussen soorten (eten en gegeten worden, concurrentie) houden de aantallen binnen grenzen.

De klassieke regulatie is de predator-prooirelatie (afbeelding 4). Neemt de prooipopulatie toe, dan is er meer voedsel voor de predatoren, waardoor die in aantal toenemen. Meer predatoren eten meer prooi, waardoor de prooipopulatie weer afneemt. Minder prooi betekent minder voedsel voor de predatoren, waardoor ook zij afnemen — waarna de prooi zich weer kan herstellen. Zo werkt de predatie als een negatieve terugkoppeling die beide populaties in een schommelend evenwicht houdt, waarbij de predatorpiek steeds iets achterloopt op de prooipiek.

Naast predatie regelen ook andere factoren de populaties. De draagkracht van het gebied — de maximale populatie die de beschikbare hulpbronnen (voedsel, ruimte) kunnen onderhouden — begrenst de groei: naarmate een populatie de draagkracht nadert, neemt door voedselschaarste en ziekten de groei af (dichtheidsafhankelijke regulatie). Ook concurrentie tussen soorten en abiotische factoren (weer, klimaat) beïnvloeden de aantallen. Al deze factoren samen houden het ecosysteem in balans.

Een dynamisch evenwicht is veerkrachtig maar niet onbeperkt bestand tegen verstoring. Een kleine verstoring wordt door de terugkoppeling opgevangen en het systeem keert terug naar het evenwicht. Maar een grote of langdurige verstoring — het wegvallen van een sleutelsoort, vervuiling, een sterke ingreep van de mens — kan het systeem uit balans brengen en naar een heel andere toestand doen omslaan. Het begrijpen van deze regulatie is de basis voor het volgende onderwerp, de zelforganisatie van ecosystemen, en voor vraagstukken over natuurbeheer en duurzaamheid.

Uitgewerkt voorbeeld

Terugkoppeling bij vossen en konijnen

Leg met terugkoppeling uit hoe een toename van konijnen (prooi) uiteindelijk weer tot een afname leidt.

Meer prooi, meer predatoren
Veel konijnen betekent veel voedsel voor de vossen; de vossenpopulatie neemt (met vertraging) toe.
Meer predatoren, minder prooi
De toegenomen vossenpopulatie eet meer konijnen, waardoor de konijnenpopulatie weer afneemt.
Terugkoppeling sluit
Minder konijnen betekent minder voedsel voor de vossen, die daarna ook afnemen; daarna kunnen de konijnen zich herstellen en begint de cyclus opnieuw.

Resultaat: De predatie werkt als negatieve terugkoppeling: een toename van konijnen leidt via meer vossen weer tot een afname, zodat beide populaties in een schommelend evenwicht blijven.

Veelgemaakte fouten

Een dynamisch evenwicht als een vaste, onveranderlijke toestand zien; de aantallen schommelen juist rond een gemiddelde.
De predatorpiek gelijk laten vallen met de prooipiek; de predatoren reageren met vertraging, dus hun piek loopt achter.

Actieve herhaling

In een gebied met vossen (predator) en konijnen (prooi) schommelen de aantallen. Leg met terugkoppeling uit hoe een toename van konijnen uiteindelijk weer tot een afname leidt.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — regulatie van ecosystemen (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

Referenties en bronnen

Bronnen

College voor Toetsen en Examens (CvTE)

Examenprogramma biologie VWO — energiestroom

Regulatie van ecosystemen

4 Onderdelen~12 min leestijd4 VaardighedenNiveau Standaard 3 · Verdieping 1

Regulatie van ecosystemen

Kernpunten

Energie door de keten berekenen

Kernpunten

Een koolstofatoom volgen

Kernpunten

Het belang van stikstofbindende bacteriën

Kernpunten

Terugkoppeling bij vossen en konijnen

Bronnen

Regulatie van ecosystemen

Kernpunten

Energie door de keten berekenen

Kernpunten

Een koolstofatoom volgen

Kernpunten

Het belang van stikstofbindende bacteriën

Kernpunten

Terugkoppeling bij vossen en konijnen

Bronnen