Samenvattingen · BiologieNL · VWO

Zelforganisatie van ecosystemen

Hoe ecosystemen zichzelf ordenen en in evenwicht houden. Je bestudeert de populatiegroei (exponentieel en logistisch, met de draagkracht als grens), de successie waarbij een levensgemeenschap zich stap voor stap ontwikkelt tot een climaxstadium, en het dynamisch evenwicht met predator-prooi-schommelingen.

3 Onderdelen~9 min leestijd3 VaardighedenNiveau Standaard 2 · Verdieping 1

T·181818 / 21

Examenprofiel

Exponentiële en logistische populatiegroei en de draagkracht uitleggenDe successie van pionier- naar climaxstadium beschrijvenHet dynamisch evenwicht en predator-prooi-schommelingen interpreteren

Operatoren:leg uitverklaarinterpreteerberedeneer

basisniveau

Voor het CE interpreteer je groeicurven en successieschema's.

verhoogd niveau

Verdieping ligt in de wiskundige beschrijving van groei en van predator-prooi-oscillaties.

Diepte

Tekst

Inhoud · 3 onderdelen

Zelforganisatie van ecosystemen

Populatiegroei en draagkracht#

Standaardexponentiële groeilogistische groeidraagkrachtbeperkende factor

Exponentiële en logistische groei

Afb. 1Afb. 1 — Exponentiële groei (gestreept) buigt steeds steiler omhoog; logistische groei vlakt af naar de draagkracht K, waar de groei stopt.

De grootte van een populatie verandert door geboorte, sterfte, immigratie en emigratie. Onder ideale omstandigheden — onbeperkt voedsel en ruimte, geen vijanden — groeit een populatie exponentieel: ze verdubbelt steeds in dezelfde tijd, zodat de curve steeds steiler omhoog buigt (afbeelding 1). Deze ongeremde groei komt in de natuur alleen kortstondig voor, bijvoorbeeld als een soort een nieuw, leeg gebied koloniseert, want in werkelijkheid raken hulpbronnen op.

In werkelijkheid stuit de groei op grenzen, waardoor de curve afvlakt tot een S-vorm: de logistische groei. Naarmate de populatie groeit, worden voedsel en ruimte schaarser, neemt de concurrentie toe en verspreiden ziekten zich sneller; de groeisnelheid daalt daardoor. Uiteindelijk komt de populatie tot stilstand rond een maximum. Dit maximum is de draagkracht (K): de grootste populatie die het gebied met de beschikbare hulpbronnen duurzaam kan onderhouden.

De vorm van de logistische curve verraadt waar de groei het snelst gaat. In het begin is de populatie klein en groeit ze langzaam (weinig individuen om zich voort te planten); rond de helft van de draagkracht is de groeisnelheid het hoogst (de curve is daar het steilst); en bij het naderen van de draagkracht vlakt de groei af tot nul, doordat geboorte en sterfte in evenwicht komen. Verwar ook hier de populatiegrootte (de curve) niet met de groeisnelheid (de helling): bij de draagkracht is de populatie groot maar de groeisnelheid nul.

De draagkracht is geen vaste waarde maar hangt af van de beperkende factor: dat is de hulpbron die het eerst tekortschiet (voedsel, water, nestplaatsen). Verandert die factor — bijvoorbeeld meer voedsel door een goed jaar — dan verschuift de draagkracht mee. Boven de draagkracht daalt de populatie weer, doordat de sterfte de geboorte overtreft. Zo houdt de wisselwerking tussen groei en de beperkende hulpbronnen de populatie rond de draagkracht, een vorm van zelfregulatie die naar het dynamisch evenwicht van het ecosysteem leidt.

Uitgewerkt voorbeeld

Groeisnelheid bij logistische groei

Een populatie groeit logistisch naar een draagkracht van 500. Waar is de groeisnelheid het hoogst, en wat gebeurt er bij het naderen van 500?

Klein en groot
Bij een kleine populatie is de groei traag (weinig individuen); bij het naderen van de draagkracht remt de groei door schaarste en concurrentie.
Snelste groei
Daartussen, rond de helft van de draagkracht (ongeveer 250), is de curve het steilst en de groeisnelheid het hoogst.
Bij de draagkracht
Bij het naderen van 500 vlakt de curve af tot een groeisnelheid van vrijwel nul; geboorte en sterfte houden elkaar in evenwicht.

Resultaat: De groeisnelheid is het hoogst rond de helft van de draagkracht (~250) en daalt naar nul bij het naderen van 500, waar de populatie stabiliseert.

Veelgemaakte fouten

Denken dat de groeisnelheid het hoogst is bij de draagkracht; daar is de populatie groot maar de groei juist nul.
Exponentiële en logistische groei verwarren; exponentieel buigt steeds steiler omhoog, logistisch vlakt af naar de draagkracht.

Actieve herhaling

Een populatie groeit logistisch naar een draagkracht van 500. Leg uit bij welke populatiegrootte de groeisnelheid ongeveer het hoogst is en wat er met de groei gebeurt als de populatie 500 nadert.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

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

Successie#

Standaardsuccessiepionierstadiumclimaxstadiumlevensgemeenschap

Successie van pionier naar climax

Afb. 2Afb. 2 — Successie: op kale bodem vestigen zich pioniers, gevolgd door grassen, struiken en ten slotte een bos (climaxstadium); elk stadium bereidt het volgende voor.

Een levensgemeenschap ontstaat en verandert in de loop van de tijd; die geleidelijke, geordende opeenvolging van levensgemeenschappen op een plek heet successie (afbeelding 2). Op kaal, onbegroeid terrein — een verlaten akker, een drooggevallen zandplaat, lava na een uitbarsting — vestigen zich eerst de pioniers: soorten die tegen extreme, kale omstandigheden kunnen (mossen, korstmossen, snelgroeiende grassen). Deze pioniers veranderen het milieu: ze vormen bodem, houden vocht vast en leggen voedingsstoffen vast.

Doordat de pioniers het milieu geschikter maken, kunnen zich daarna andere, veeleisender soorten vestigen die de pioniers deels verdringen. Zo volgen op de grassen kruiden en struiken, en op de struiken bomen; met elke stap verandert de levensgemeenschap en meestal neemt de soortenrijkdom toe. Elk stadium bereidt als het ware het volgende voor door de omstandigheden te veranderen — een fraai voorbeeld van zelforganisatie: de gemeenschap ontwikkelt zichzelf zonder centrale sturing, gedreven door de wisselwerking tussen de soorten en hun milieu.

De successie eindigt in een climaxstadium: een relatief stabiele levensgemeenschap die in evenwicht is met de heersende klimaat- en bodemomstandigheden en zichzelf in stand houdt. In grote delen van Nederland zou dat van nature een bos zijn. In het climaxstadium verandert de soortensamenstelling niet meer wezenlijk, tenzij er een verstoring optreedt; het is het eindpunt van de zelforganisatie van de levensgemeenschap onder de gegeven omstandigheden.

Successie kan opnieuw beginnen na een verstoring: brand, storm, overstroming of menselijk ingrijpen kan een climaxgemeenschap terugzetten naar een vroeger stadium, waarna de successie zich herhaalt. Dat een ecosysteem zich na een verstoring weer kan ontwikkelen, toont zijn veerkracht. Successie verbindt zo de tijd (ontwikkeling van de gemeenschap), de soortinteracties (verdringing, milieuverandering) en het evenwicht (het climaxstadium) — kernbegrippen die je bij ecologische vragen moet kunnen toepassen.

Uitgewerkt voorbeeld

Successie op een verlaten akker

Op een verlaten akker volgen na jaren achtereenvolgens grassen, struiken en bomen. Benoem het proces en leg uit hoe elk stadium het volgende mogelijk maakt.

Het proces
De geordende opeenvolging van levensgemeenschappen op één plek is successie, hier verlopend van grasland via struweel naar bos.
Pioniers bereiden voor
De grassen (pioniers) vormen en verrijken de bodem en houden vocht vast, waardoor veeleisender soorten kunnen kiemen.
Verdringing naar de climax
Struiken en later bomen groeien hoger, vangen het licht weg en verdringen de lagere soorten, tot een bos als climaxstadium ontstaat.

Resultaat: Dit is successie: elk stadium verandert het milieu (bodem, licht) zó dat het volgende, veeleisender stadium zich kan vestigen, tot een stabiel bos (climax) ontstaat.

Veelgemaakte fouten

Denken dat de climaxgemeenschap onveranderlijk vaststaat; ze is stabiel maar kan door een verstoring terugvallen naar een eerder stadium.
De rol van de pioniers over het hoofd zien; juist zij maken het milieu geschikt voor de volgende soorten.

Actieve herhaling

Op een verlaten akker groeien na verloop van jaren achtereenvolgens grassen, struiken en ten slotte bomen. Leg uit welk proces dit is en hoe elk stadium het volgende mogelijk maakt.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

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

Dynamisch evenwicht en predator-prooi-oscillaties#

Verdiepingdynamisch evenwichtpredator-prooioscillatiefaseverschil

Predator-prooi-oscillatie

Afb. 3Afb. 3 — Predator-prooi-oscillatie: beide populaties schommelen, waarbij de predatorcurve met een faseverschil achterloopt op de prooicurve.

In een stabiel ecosysteem schommelen de populaties rond een gemiddelde in een dynamisch evenwicht. Een klassiek voorbeeld zijn de gekoppelde schommelingen van een predator en zijn prooi, die als twee golven met een vast faseverschil verlopen (afbeelding 3). De prooipopulatie en de predatorpopulatie beïnvloeden elkaar via de terugkoppeling die bij de regulatie van ecosystemen is behandeld; het gevolg is een regelmatig op en neer gaan van beide aantallen.

Kenmerkend is dat de predatorpiek achterloopt op de prooipiek. Eerst neemt de prooi toe (veel voedsel, weinig predatoren); daarop reageren de predatoren met vertraging door zelf toe te nemen. Als er veel predatoren zijn, stort de prooi in; kort daarna volgt, door voedselgebrek, de predator. Daarna kan de prooi zich herstellen en begint de cyclus opnieuw. De predatorcurve volgt zo steeds met enige vertraging op de prooicurve — het faseverschil dat je in een grafiek moet kunnen herkennen en verklaren.

Deze oscillaties zijn een vorm van zelforganisatie: het regelmatige patroon ontstaat vanzelf uit de wisselwerking tussen de twee soorten, zonder externe klok. Het toont hoe orde (een voorspelbare golfbeweging) voortkomt uit eenvoudige lokale regels (eten en gegeten worden). Vergelijkbare gekoppelde schommelingen komen in veel ecosystemen voor, al is het patroon in de natuur vaak minder zuiver door de invloed van andere soorten, het weer en toevalligheden.

Het dynamisch evenwicht is veerkrachtig binnen grenzen: kleine verstoringen worden opgevangen en het systeem blijft schommelen rond zijn gemiddelde. Maar een sterke verstoring kan de oscillatie ontregelen of een soort doen uitsterven, waarna de koppeling wegvalt. Zo verbindt dit onderwerp de populatiegroei, de terugkoppeling en de successie tot een geheel: ecosystemen organiseren zichzelf tot een schommelend evenwicht dat stabiel én kwetsbaar is — inzicht dat onmisbaar is voor natuurbeheer en het inschatten van menselijke ingrepen.

Uitgewerkt voorbeeld

Het faseverschil verklaren

In een predator-prooigrafiek loopt de predatorcurve achter op de prooicurve. Verklaar dit faseverschil.

Prooi eerst
Als de prooi toeneemt, is er pas daarna veel voedsel voor de predatoren; die reageren dus met vertraging.
Predator volgt
De predatorpopulatie groeit na de prooipiek, waarna de vele predatoren de prooi doen instorten.
Gevolg voor de fase
Omdat de predator telkens reageert op een eerdere verandering in de prooi, bereikt de predatorcurve haar piek later — een vast faseverschil.

Resultaat: De predator reageert met vertraging op de prooi (eerst voedsel, dan groei), waardoor de predatorpiek steeds later valt dan de prooipiek.

Veelgemaakte fouten

De prooi- en predatorpiek gelijk laten vallen; de predator reageert met vertraging, dus zijn piek loopt achter.
Denken dat de oscillatie extern wordt aangestuurd; het patroon ontstaat vanzelf uit de onderlinge terugkoppeling (zelforganisatie).

Actieve herhaling

In een grafiek schommelen de aantallen van een prooi en een predator. Beschrijf het faseverschil tussen beide curven en verklaar waarom de predatorpiek later valt dan de prooipiek.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

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

Referenties en bronnen

Bronnen

College voor Toetsen en Examens (CvTE)

Examenprogramma biologie VWO — populatiegroei

Zelforganisatie van ecosystemen

3 Onderdelen~9 min leestijd3 VaardighedenNiveau Standaard 2 · Verdieping 1

Zelforganisatie van ecosystemen

Kernpunten

Groeisnelheid bij logistische groei

Kernpunten

Successie op een verlaten akker

Kernpunten

Het faseverschil verklaren

Bronnen

Zelforganisatie van ecosystemen

Kernpunten

Groeisnelheid bij logistische groei

Kernpunten

Successie op een verlaten akker

Kernpunten

Het faseverschil verklaren

Bronnen