30 juli 2011

Wat Bleker nog niet vernietigd heeft:




Dit waren nog een paar fotootjes van mijn voorjaarsvakantie in mei.

5 juli 2011
Het is gelukt om de drie jongen samen met vader op de foto te krijgen. Dit zijn jongen van het tweede nest dit jaar. Ondertussen is het derde nest al weer uitgevlogen. Petje af voor dit hardwerkende stel! Onvermoeibaar wordt er voedsel aangedragen door het mannetje. Een bewonderenswaardig altruisme. Het voedsel in je snavel, maar niet doorslikken, en in plaats daarvan weggeven aan je jongen. De jongen krijgen een goede start in het leven met zo'n vader. Het gedrag van de jongen past er ook bij: ze zijn 1 - 2 weken na het uitvliegen volkomen passief. Ze laten zich voeren ook al ligt er een appel voor hun neus (foto). Maar er is een duidelijk omschakelpunt: de jongen van het vorige nest worden niet meer gevoerd als de jongen van het nieuwe nest gevoerd moeten worden. Ik heb het vrouwtje zelfs een jong van het vorige nest zien wegjagen. Met een beetje geluk (geen last van katten of eksters) kan één merelpaartje wel 10 jongen per jaar grootbrengen. Dat kan alleen als beide ouders behoorlijk investeren in de jongen.
Er lijkt een taakverdeling: het vrouwtje broedt, het mannetje voert de jongen. Ik heb het vrouwtje nooit jongen zien voeren. Door die taakverdeling kan er een overlap zijn: terwijl vader nog met het voederen der jongen bezig is (laatste week), zit moeder alweer te broeden op het volgende legsel.

Het moge duidelijk zijn dat paartjes die zich het meest intensief voor hun jongen in zetten, zeg maar de meest fanatieke, de meeste nakomelingen voortbrengen en dat de paartjes die het wat rustiger aan doen minder nakomelingen op de wereld zetten. Is 4 nesten per jaar een optie? Een aantal voorwaarden: vroeg in het seizoen beginnen, de jongen moeten dan wel in korte tijd zelfstandig zijn, ouders moeten rui uitstellen, er moet voldoende voedsel zijn. Een flexibele stategie zou zijn: alleen aan een vierde nest beginnen, als de voorgaande niet succesvol waren.

Deze foto's ter afsluiting. In de maand augustus gaat dit blog 'dicht'. Dus als U nog wat wil zeggen, doe het dit weekend...

18 juli 2011

Je hoeft geen vlees te eten om heel groot te worden

Evolutie van Sauropoden. Helemaal rechts: de mens ©Nature
Bij niet-biologen bestaat nog wel eens het idee dat vlees gezond is en als je groot en sterk wilt worden je veel vlees moet eten. Maar, je hoeft geen vlees te eten om heel groot te worden. Dat concludeer ik uit het artikel 'Dinosaurs: Rise of the titans' in de Nature van 14 juli. Ik ga niet het hele artikel samenvatten, maar licht er één aspect uit: voedsel.

De Sauropoden (dinosauriërs) waren de grootste landdieren ooit. De grootste bereikten een gewicht van 100.000 kilo. Hun verre voorouders waren kleine beestjes van 7-8 kilo. Dat is al opmerkelijk genoeg. Nog opmerkelijker is dat ze oorspronkelijk carnivoor waren en geleidelijk in de loop van miljoenen jaren via omnivoor evolueerden tot planteneters. De beslissende factor in de evolutie naar grotere lichaamsgrootte was de overgang naar plantaardig voedsel. Een carnivore dinosaurier met een gewicht van 100.000 kilo zou nooit voldoende vlees te pakken kunnen krijgen om aan zijn dagelijkse behoefte te voldoen, schrijft het artikel. (een beest van 100.000 kilo zou nooit hard kunnen rennen om een prooidier te pakken). Maar het waren ook geen graseters. Ze stonden temidden van bomen en ontdeden de bomen van hun bladeren, terwijl ze eerder hun lange nek bewogen dan hun massieve poten. Ook hun gebit veranderde van een carnivoor gebit via een omnivoor gebit in een herbivoor gebit.

De carnivore Tyrannosaurus rex kwam niet verder dan 6.000 - 8.000 kilo.

Vergelijk hedendaagse grote herbivore dieren: olifant, nijlpaard, giraffe. De Sauropoden zou je kunnen zien als een kruising tussen olifant en giraffe.

Het artikel vertelt niets over de ecologie, maar ik voorspel dat ze leefden in warme gebieden met snelgroeiende loofbomen, en vooral zeer uitgestrekte wouden.

Je hoeft geen vlees te eten om heel groot te worden! Alléén vegetariërs kunnen echt groot worden!



bron: Dinosaurs: Rise of the titans, Fredric Heeren, News Feature Nature 13 July 2011

16 juli 2011

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (4)


Tot mijn grote verbazing vond ik in Science 13 mei 2011 een prachtig overzichtsartikel (1) dat de energie efficiëntie van fotosysnthese en zonnepanelen op een veel betere en wetenschappelijk verantwoorde manier vergelijkt, dan ik in mijn vorige 3 blogs heb gedaan! Maar ik vond er ook evolutionaire aspecten in terug die geheel overeenkwamen met wat ik eerder had geblogd.

energie uit zonlicht
De bedoeling van het artikel is om energie omzettingen te vergelijken in de context van het wereld energie probleem. Welke methode haalt de meeste energie uit zonlicht? Een zeer actuele vraag. Maar in plaats van de naïeve manier van vergelijken van Bas Haring, legt het artikel uit waarom hier appels met peren vergeleken worden, en hoe het beter kan. Fotocellen slaan géén energie op, terwijl planten de zonne-energie opslaan in energierijke chemische verbindingen die ze vervolgens gebruiken om te leven, te groeien en zich voort te planten (dat had ik ook al opgemerkt).

eerlijke vergelijking
Het aardige van het artikel is dat het komt met een 'eerlijke' vergelijking: zonlicht gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Want water splitsten kan zowel technisch als biologisch. Bij fotosynthese is dit zelfs standaard. Bij de technologische methode moet een fotocel gekoppeld worden met electrolyse. Dat soort technische systemen komen tot een netto efficiëntie van 11%. Natuurlijke fotosynthese heeft onder optimale condities een quantum efficiëntie van bijna 100%! Dit was al in 1974 bekend! Dat wist ik niet toen ik mijn eerste blog over dit onderwerp schreef. Echter als je meet wat er gedurende een jaar aan biomassa wordt geproduceerd onder vergelijkbare omstandigheden als zonnecellen, dan kom je tot niet meer dan 1% voor planten en 3% voor algen (2). Dit kan oplopen tot 7% als je je beperkt tot de groeifase van de plant. Planten groeien niet het hele jaar. De technische systemen winnen het. Hoe groot het verschil is hangt dus af van hoe en wat je meet.

CO2
De auteurs hebben ook een theoretisch maximum efficiëntie voor fotosynthese berekend. Ze komen tot 12%. Dit maximum kan benadert worden door CO2 gehalte van de lucht op te voeren! Dat zijn dus uitsluitend omgevingsfactoren. Dit gebeurt -zoals bekend- door mondiale industriële CO2 uitstoot en staat bekend als klimaatopwarming. Zie mijn blog: Hoe rekbaar is onze planeet? (2). Over dwarsverbanden gesproken!

fine-tunen
Zeer interessant: de efficiëntie van fotosynthese kan verder opgevoerd worden met het fine-tunen (3) van de pigmenten die licht opvangen, waardoor je de efficiëntie kunt verdubbelen! Ook kun je door kunstmatige selectie van de planten de biobrandstofproductie verhogen. Evolutie heeft dat nooit gedaan. De mens ook niet. Wel heeft selectie gedurende duizenden jaren voor hogere voedselproductie in de landbouw succes gehad. Maar zelfs selectie op maximale voedselproductie is niet synoniem met maximale fotosynthese. Selecteren voor voedselproductie is wat anders dan selecteren voor biobrandstof. Er zijn nog meer fascinerende methodes om fotosynthese te verbeteren, zoals synthetische biologie (genetic engineering).

doelen
Het artikel is erg leerzaam en het doet je nog eens goed beseffen dat evolutie 'andere doelen nastreeft' dan de mens in de landbouw en biobrandstofproductie. En daardoor ga je ook begrijpen dat je efficiënties van natuurlijke fotosynthese kunt verhogen, zonder dat dat betekent dat de efficiëntie in zijn oorspronkelijke context in absolute zin laag genoemd mag worden. De bottomline is: efficiënties vergelijken zonder de definitie er in te betrekken is naïef en betekenisloos.

Noten
  1. Robert E. Blankenship et al (2011) Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement, Science 13 mei 2011
  2. Definitie: "the energy efficiency of photosynthesis is defined as the energy content (heat of combustion of glucose to CO2 and liquid H2O at STP) of the biomass that can be harvested annually divided by the annual solar irradiance over the same area." (STP = standard temperature and pressure). Deze definitie (biomassa) maakt fotosynthese niet echt vergelijkbaar met zonnecellen, lijkt mij zo. Men zou zuurstof productie als maatstaf kunnen nemen. (zondag 17 jul)
  3. Dit geeft fantastische argumenten tegen intelligent design van fotosynthese! Een onderwerp voor een volgend blog!

14 juli 2011

Hoe rekbaar is onze planeet? (2)

In mijn vorige blog besprak ik Hoe rekbaar is onze planeet? van John van Rhijn. Het is een uitstekend boek, maar het klimaat wordt sterk onderbelicht. Hij vindt dat het klimaatprobleem veel te veel aandacht krijgt en vindt het niet grootste probleem van onze tijd.
Dat de verhoging van het CO2 gehalte van de atmosfeer onverwachtse effecten op de biosfeer heeft, blijkt uit een publicatie in Nature vandaag waarin geconcludeerd wordt:
"that elevated CO2 stimulated N2O emissions by 18.8%, and that CH4 emissions from wetlands increased by 13.2% and from rice paddies by as much as 43.4%."
Proposed mechanisms of increased N2O and CH4 emissions from soils
© Nature 14 Jul 2011.
Het blijkt dat verhoging van CO2 gehalte van de atmosfeer leidt tot een verhoogde CO2 opname door planten, met als gevolg verhoogd bodemactiviteit, met als gevolg een hogere methaan CH4 en stikstofoxide N2O (lachgas) uitstoot uit de bodem. Methaan en stikstofoxide zijn pas echte broeikasgassen: methaan heeft een 25x zo sterk effect en stikstofoxide is zelfs 300x zo sterk als CO2. Dit zijn zijn effecten die je niet mag verwaarlozen. Het is positieve feedback in het klimaatsysteeem. Het klimaatprobleem kun je en mag je wetenschappelijk en ecologisch gezien niet verwaarlozen. En het klimaatprobleem heeft weer effect op het wereldvoedselprobleem. etc.

Terugkomend op het boek van Johan van Rhijn: of Al Gore nu in een SUV rijdt of niet, klimaatopwarming is en blijft een reëel probleem dat verweven is met alle ander problemen die van Rhijn in zijn boek noemt (wereldbevolking, economie, voedsel, ecosystemen). Die plantjes en bacteriën weten toch niet of Al Gore in een SUV rijdt?

bron:  Alexander Knohl & Edzo Veldkamp: Global change: Indirect feedbacks to rising CO2, Nature News and Views 14 Jul 2011.

12 juli 2011

Hoe rekbaar is onze planeet?

Johan van Rhijn:
Hoe rekbaar is onze planeet?
Feiten en fictie over de draagkracht van de natuur
De wereldbevolking groeit exponentieel: in minder dan 6 generaties is de wereld bevolking 7 maal zo groot geworden: van 1 miljard in 1800 naar 7 miljard in 2000. Tijd om eens na te denken over de vraag: hoe rekbaar is onze planeet? Kan de planeet 7 miljard, 8 miljard, 9 miljard mensen voeden? Voedsel, landbouw en populatiedynamica vallen onder de biologie, dus een bioloog kan daar iets over zeggen. Johan van Rhijn doceerde tot aan zijn pensioen Milieu- en Natuurwetenschappen aan de Open Universiteit. Hij heeft een leesbaar, onderhoudend boekje geschreven over 'feiten en fictie over de draagkracht van de natuur'. Belangrijke hoofdstukken zijn: 2: Draagkracht, en 13: Duurzaamheid. Het is een ideaal boek om in de zomervakantie te lezen. Het is ook een persoonlijk boek geworden: van Rhijn vertelt bv in het laatste hoofdstuk wat hij allemaal te danken heeft aan zijn ouders (=de vorige generatie). Zijn ouders hebben in hem geïnvesteerd. Daardoor kon hij doen wat hij heeft gedaan. De symbolische betekenis: iedere generatie doet iets met de aarde en geeft de aarde door aan de volgende generatie (in iets gewijzigde vorm: iets minder vis in de zee; iets minder bos, iets minder fossiele brandstofen, iets meer mensen en iets warmer).

Ik haal er één plaatje uit in verband met de efficiëntie van de fotosynthese:


Ieder blok is kleiner dan het onderliggende blok. Noodzakelijkerwijs. Ieder blok is ongeveer 10% van het onderliggende blok (een vuistregel). De figuur is dus niet op schaal getekend. De Planteneters zouden immers maar 10% mogen zijn, en de Predatoren maar 1% en de Toppredatoren maar 0,1% en de Top-Top-Predatoren maar 0,01% van het onderste blok Planten. En: de eigenlijke onderste laag die niet in de figuur staat is: ... de zonne-energie! (nou ja, het zonnetje staat ingetekend, maar staat bovenaan...). Hoe groot die onderste zonne laag is, hangt van een aantal definities af. Stelt U zich zelf de aangepaste figuur voor. Het boek rekent uit hoeveel mensen op de aarde kunnen leven. Om het spannend te houden zal ik dat niet verklappen.

energieverlies
Nu: de efficiëntie van energieomzettingen: de hele voedselpyramide is gebaseerd op fotosynthese. Die legt een bepaalde hoeveelheid energie vast. Die energie kan benut worden door de volgende laag. Maar nooit 100%. Er gaat altijd energie verloren. Ik vermoed dat dit uiteindelijk te maken heeft met de wetten van de thermodynamica. Bij energieomzettingen komt er bijvoorbeeld warmte vrij die niet meer is terug te winnen, en irreversibel verloren gaat. Het heelal in. Wat ook de efficiëntie van de fotosynthese is bij het vastleggen van zonne-energie, er gaat energie verloren omdat planten zelf een metabolisme hebben (chemische omzettingen). Hetzelfde geldt des te meer voor grazers en predatoren (warmte productie). De voedselpyramide lekt energie. Dus: is inefficiënt. Een deel van die inefficiëntie ligt in de fysica en is niet biologisch van aard. Een ecoloog kan waarnemingen in de natuur doen naar de lagen van de voedselpyramide. Maar we hebben een fysicus nodig om te berekenen wat de theoretisch maximale efficiëntie is waarmee energie van laag tot laag doorgegeven kan worden. En dat heeft natuurlijke giga consequenties voor alles en iedereen...

klimaat
Tenslotte nog een kritiekje. Van Rhijn maakt een opmerking over Al Gore, de goeroe en profeet van de klimaatopwarming, die je alleen van klimaatsceptici zou verwachten. Onder het kopje 'Het klimaat als hype' (!) schrijft hij: 'Al Gore vliegend van de ene naar de andere uithoek op de aarde, of rijdend in een SUV. Kennelijk is er weinig mis met zo'n levensstijl. (...) De ecologische voetafdruk van Al Gore is nogal omvangrijk.' (p.141). Mijn mond viel open van verbazing! Wat een kinderachtige opmerking! Het is precies hetzelfde als tegen de agent zeggen die je bekeurt voor te hard rijden: maar U reed zelf ook te hard! Kennelijk is er helemaal niets mis met te hard rijden! Deze snelheidsovertreding heeft de bedoeling om een groot aantal andere snelheidsovertredingen te voorkomen. Al Gore wilde met een beetje extra CO2 uitstoot proberen de wereldwijde CO2 uitstoot naar beneden om te buigen. Als dat lukt is zijn extra CO2 uitstoot toch zondermeer te rechtvaardigen. Ergens verderop erkent hij wel dat er zoiets als 'een klimaatprobleem' bestaat (pag. 200),  maar het hele klimaatprobleem blijft een zwak punt in dit boek. En dat is jammer, want daardoor mist van Rhijn de wisselwerking tussen klimaat en ecosystemen. En daar is ondertussen al heel wat literatuur over verschenen. Dat was eigenlijk het enige kritiekpunt dat de moeite van het vermelden waard was.

Het boek is zeer goed te volgen voor niet-biologen. Voor biologen hangt het er van af hoe goed je ingelezen bent of je iets nieuws leert. Lees ze!

PS: wat is de ecologische voetafdruk van dit boek? Gelukkig heeft het boek een Forest Stewardship Council keurmerk (FSC). U hoeft dus niet al te veel gewetensbezwaren te hebben!

PS: ook over voedselpyramides: De voederconversie van Bas Haring

PS: hier een interview met Johan van Rhijn: mp3 (begint op 1/3 vd uitzending) waarin hij toelicht waarom klimaat niet het belangrijkste probleem is.

09 juli 2011

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (3)

Een geheel nieuwe wending aan de discussie over de efficiëntie van fotosynthese werd teweeg gebracht door een tip van een onbekende blogbezoeker:
"the initial steps of natural photosynthesis harness light energy with an efficiency of 95% or more — values that we can only aspire to with artificial photocells." (3)
Fotosynthese haalt een efficiente van 95% of meer! Dit zet de hele discussie op zijn kop, want dit is precies het omgekeerde van de stelling van Bas Haring die stelde dat  fotosynthese een teleurstellende 1% haalde en dat zonncellen met gemak 10% of meer halen. Nature publiceerde over de extreme efficiëntie in 2007 en 2010. De auteurs van het research artikel in 2007 (1) en het redactionele commentaar (2) spreken ook van 'extreme efficiency', hoewel het getal 95% niet in het research artikel is terug te vinden.

Wat is hier aan de hand? Waar het getal 95% vandaan komt wordt niet duidelijk, maar zeer waarschijnlijk wordt hier efficiëntie gebruikt in de definitie: het percentage van door het fotosynthetisch systeem opgevangen fotonen die nuttig gebruikt worden (4). (foton = kleinste eenheid van licht). Het lijkt nu vast te staan dat er  8 - 12 fotonen nodig zijn om 1 molecuul CO2 te reduceren (5). Alle fotonen die door het blad teruggekaatst worden of omgezet in warmte worden zodoende niet meegerekend. Als je naar een blad kijkt (zie foto) zie je dat veel fotonen de grotere en kleinere bladnerven zullen raken en verloren gaan. Als je met al dit soort factoren rekening houdt dan kom je tot een veel lagere efficiëntie. Vandaar de verwarrende gegevens in de literatuur.
Er is nog zo ontzettend veel te zeggen over fotosynthese dat ik de hele zomer er over kan bloggen. Dat zal ik niet doen. Veel over de energieaspecten kun je vinden in: Vaclav Smil (6). Nog twee opmerkingen:

Intelligent Design!
Als er iets complex, ingenieus of efficiënts in de natuur gevonden wordt, zijn ID-ers er altijd als de kippen bij. Over 'extreme inefficiëntie van fotosynthese' hoor je ze niet. Dit creationistische artikel (7) maakt melding van de 'extreme efficiëntie' van fotosynthese, waardoor intelligent design voor de zoveelste keer bewezen wordt! Natuurlijk vergeten ze de extreme inefficiëntie van de zon als energiebron te vermelden, die immers alle kanten op straalt waardoor er maar een miljardste de aarde bereikt (8).

Evolutie
In mijn vorige blog schreef ik dat de efficiëntie van fotosynthese niet de enige factor is voor het produceren van nakomelingen. Daardoor mag je niet verwachten dat fotosynthese gemaximaliseerd is. Dit vond ik op fraaie wijze onder woorden gebracht:
"One reason that plants don't store fuel efficiently is that "plants' goals are different than our goals," says (Devens Gust, a photochemist at Arizona State University). "The plant's goal is to live and reproduce, not to store energy for humans." (bron)

Noten
  1. Gregory S. Engel et al (2007) Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems, Nature 446, 782-786 (12 April 2007). Zie ook: Elisabetta Collin (2010) Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature, Nature 4 Feb 2010.
  2. Editor's Summary: Making photosynthesis tick, Nature 12 April 2000
  3. Roseanne J. Sension (2007) Biophysics: Quantum path to photosynthesis, News and Views Nature 446, 740-741 (12 April 2007)
  4. Dit wordt  bevestigd door de definitie in Scientific American: "plants transform 95 percent of the sunlight that falls on them (...) into energy stored chemically as carbohydrates".
  5. Oliver Morton (2007) Eating the Sun, p.112. (Schrijft gedetailleerd over de geschiedenis van het wetenschappelijk onderzoek naar fotosynthese)
  6. Vaclav Smil (2008) Energy in Nature and Society. MIT. (Pittig en grondig met veel data over alle aspecten van energie.)
  7. David Tyler Post details: Explaining the extreme efficiency of photosynthesis, 04/16/07 (Aan de ARN website zijn bekende ID-ers verbonden als Steve Meyer, Paul Nelson).
  8. Deze eye-opener is afkomstig van de evolutiebioloog George C. Williams.Er zijn duizenden andere inefficiënties te noemen.

06 juli 2011

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (2)

In mijn vorige blog betoogde ik dat Bas Haring appels met peren aan het vergelijken was toen hij de efficiëntie van fotosynthese met die van zonnecellen vergeleek. De enige overeenkomst tussen beide is dat ze iets doen met licht. Het belangrijkste verschil is dat planten koolstofverbindingen en zuurstof produceren, terwijl zonnecellen electriciteit produceren. Het grootste probleem met de vergelijking is dat Bas Haring fotosynthese met een technologisch-economische maatstaf meet.

theoretisch maximum
Een belangrijk begrip ontbrak in mijn vorige post: de theoretisch maximum effciëntie van fotosynthese. Dit theoretisch maximum wordt bepaald door fysiche natuurwetten. Daardoor is de maximaal haalbare efficiëntie altijd lager dan 100%. Het maximum haalbare is op verschillende manieren te berekenen. Ik geef de gegevens uit bron (1) in een tabel:

C3 plantenC4 planten
limiet4,6% (= 100%)  6%  (=100%) 
veld3,5% (= 76%)4,3% (=71%)
seizoen2,4% (= 52%)3,4% (=56%)

Als we het theoretisch maximum op 100% stellen, halen planten op korte termijn een fotosynthetische efficiëntie van 76% en 71% van het theoretisch maximum en over het hele seizoen 52% en 56% van het theoretisch maximum. Dat is dus helemaal niet slecht. Het is immers niet zinnig om 100% energie efficiëntie als maatstaf te nemen als dat fysisch helemaal niet kan. Evolutie (mutatie en selectie) kan nooit hoger komen dan wat de fysische wetten aan beperking opleggen. Een olifant kan niet vliegen. Dat ligt niet aan evolutie, maar aan de wetten van de fysica.

definitie
Er zijn andere definities van theoretisch maximum efficiëntie. Bron (2) vergelijkt de energie inhoud van de gebruikte fotonen met de energie inhoud van de geproduceerde koolstofverbinding en komt tot een theoretisch maximum van 27%. De aannames zijn: (1) alle fotonen worden geabsorbeerd door het blad, (2) ieder foton dat geabsorbeerd is wordt gebruikt voor fotosynthetische reactie, (3) de plant gebruikt alle energie voor het opbouwen van biomassa en geen energie om zichzelf in stand te houden. Dit is natuurlijk in de praktijk onrealistisch. Als je met realistische omstandigheden rekening houdt kom je op een efficiëntie van 10% volgens deze bron.

eerlijk
Natuurlijk, als je zonnecellen en fotosynthese op een eerlijke manier wilt vergelijken moet je óók de efficiëntie van zonnecellen als percentage van het maximaal haalbare uitdrukken. Dat is duidelijk. Mijn punt hier is dat een vergelijking met de theoretische limiet veel zinniger is dan de 1% efficiëntie van Bas Haring die hij met niets zinnigs vergelijkt. Er is een groot verschil met zonnecellen. Bij zonnecellen wordt bijvoorbeeld géén energie verbruikt om de zonnecel in stand te houden. De zin en onzin van vergelijkingen hangt af van de definitie van theoretisch maximum en hoe de efficiëntie in de praktijk gedefinieerd wordt.

evolutie
In de evolutietheorie telt reproductief succes: het aantal nakomelingen dat een individu produceert. Fotosynthese, en zelfs groeisnelheid, is maar één factor in het geheel. Fotosynthese is wel een belangrijke factor in de plantenwereld. Maar er zijn duizenden andere factoren die reproductief succes mede bepalen. Evolutionair gezien heb je niets aan fotosynthese als je je niet voortplant. Je mag dus niet verwachten dat fotosynthese gemaximaliseerd is.

bronnen:
  1. IDENTIFYING AND MANIPULATING DETERMINANTS OF PHOTOSYNTHATE PRODUCTION AND PARTITIONING, United States Department of Agriculture (USDA), April 1, 2011 
  2. Krassen Dimitrov (2007) GreenFuel Technologies: A Case Study for Industrial Photosynthetic Energy Capture. 

04 juli 2011

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese

Bladeren geven donkere schaduw:
wordt alle licht gebruikt voor fotosynthese?

In zijn column in de Volkskrant van zaterdag schreef Bas Haring over zijn ontdekking dat de efficiëntie van fotosynthese slechts één procent was. Verbazingwekkend volgens hem, dat een proces waarvan al het leven op aarde afhankelijk is, zo'n lage efficiëntie heeft. Zonnecellen, daarentegen halen met gemak 10%. Hij concludeert dat je daarom voor de productie van energie beter zonnecellen kunt gebruiken dan biobrandstof. Hij besluit met: "Als het leven zoals we dat kennen allemaal berust op een proces met een efficiëntie van 1%, en er bestaat een alternatief dat vele malen efficiënter is, met silicium en staal, is het dan niet denkbaar dat een toekomstige natuur zich daarop baseert?".

efficiëntie
Om te beginnen klopt het getal 1% niet, want een klein beetje onderzoek  leert dat de efficiëntie van fotosynthese varieert van 3 - 6% en afhankelijk van de omstandigheden varieert van minimaal 0.1% tot maximaal 8%. Dat ziet er dus al heel anders uit! Maar goed, als je electriciteit wilt produceren, dan winnen zonnecellen het van planten. Geen wonder, want zonnecellen worden gemaakt om zo veel mogelijk electriciteit te produceren. En de huidige zonnecellen doen dat aardig efficiënt. Maar, de electriciteitsopbrengst, is dat een eerlijke vergelijking? Planten zijn niet gemaakt om electriciteit te maken. Planten maken koolstofverbindingen (glucose) en zuurstof van water en CO2. Volgens die maatstaf winnen planten het van zonnecellen.

biobrandstof
Je kunt je terecht afvragen of biobrandstof (biodiesel) uit planten efficiënt is. Dit zou een zinnige vraag zijn als je bijvoorbeeld auto's met benzinemotor en electromotor vergelijkt. Nog steeds een lastige vergelijking want fossiele brandstoffen (fotosynthetische oorsprong!) zijn er al, die liggen op ons te wachten, en accu's moeten opgeladen worden met door de mens geproduceerde electriciteit. Maar electriciteit en accu's zijn niet te gebruiken voor grote vrachtwagens, vliegtuigen en schepen, want die hebben vloeibare brandstof nodig. Efficiëntie is daar niet van doorslaggevende betekenis.

een toekomst voor robots?
Zijn robots die hun energie uit de zon halen een mogelijke vervanging voor het biologische leven op aarde, omdat zonne-energie efficiënt geoogst kan worden, zoals Haring denkt?
Die robots zouden dan wel gebruik maken van efficiënt gewonnen zonne-energie, maar aangezien Kunstmatige Intelligentie als mislukt beschouwd mag worden (dat geeft hij zelf toe), zouden die die robots dom zijn. Die hebben geen toekomst. Een andere reden is pijnlijk duidelijk geworden bij werkzaamheden in de zwaar beschadigde kerncentrales in Japan. Mensen moesten in hoog radioactieve omgevingen hun werk doen, steeds afgewisseld door collega's om de opgelopen straling tot een minimum te beperken. Als je bedenkt dat Japanse wetenschappers voorop lopen in het maken van speelgoed robots tot levensechte menselijke robots, dan is hun onvermogen om robots te maken die ingezet zouden kunnen worden in die kerncentrales duidelijk gedemonstreerd.
Verder: zonnecellen en robots moeten ook geproduceerd en onderhouden worden en dat kost materialen en energie. Terwijl een plant een totaaloplossing is voor energie, constructie en reproductie van zichzelf. Want fotosynthese levert niet alleen de energie maar ook de bouwstenen (koosltofverbindingen) om een organisme op te bouwen. En zichzelf reproducerende robots zijn al helemaal een gigantische technische uitdaging. De energetische efficiëntie is daarbij helemaal niet de doorslaggevende factor.

artificial photosynthesis
Als je natuurlijke fotosynthese ergens mee kunt vergelijken dan is het met artificial photosynthesis: door de mens gemaakte foto-chemische systemen die met behulp van zonlicht water splitsen en van de H en CO2 koolstofverbindingen maken. Dit is een eerlijke vergelijking omdat bij zonnecellen maar één beperkende factor een rol speelt: zonlicht. Bij fotosynthese zijn er meerdere beperkende factoren naast zonlicht zoals CO2 en water. Eén fabrikant claimt een 10x hogere efficiëntie ten opzichte van natuurlijke fotosynthese. De vraag is wat de betrouwbaarheid en levensduur van deze 'artificial leaf' is.

creationisten
Ik ben eigenlijk benieuwd hoe creationisten het feit verklaren dat fotosynthese zo inefficiënt is. Vergelijk hun verwerping van junk-DNA. De Schepper is almachtig en alwetend en de schepping is perfect. Ik ben benieuwd wat ze daarvan gaan maken.

evolutie
Eén procent efficiëntie: is dat laag? Kennlijk is die lage fotosynthetische efficiëntie zondermeer voldoende geweest om de aarde in ruimte mate van levende organismen te voorzien: miljoenen soorten en hele ecosystemen (planten, herbivoren, carnivoren) zijn er door mogelijk gemaakt. Het is nog erger: de meerderheid van plantensoorten heeft een C3 fotosynthese systeem wat minder efficiënt is dan C4 fotosynthese. Aan de andere kant zijn er schaduwplanten die heel efficiënt omgaan met weinig licht. Ze doen dat waarschijnlijk veel efficiënter dan zonnecellen. Een aantal aanpassingen aan extreme milieu's: waterplanten (zowel zoet- als zoutwater) die fotosynthese in water uitvoeren, woestijnplanten die fotosynthese uitvoeren bij extreem hoge temperaturen en lichtintensiteit en efficiënt met water omgaan; bergplanten en arctische planten. Er bestaat dus een diversiteit van aanpassingen aan omstandigheden.

Er is nog een belangrijke reden waarom planten geen hogere efficiëntie hebben. Planten zijn geen glucose fabrieken! Ze gebruiken fotosynthese voor groei. Beperkende groeifactoren zijn de beschikbaarheid van bouwstoffen (C, N, S, P, water, mineralen), metabolisme en celdelingsnelheid (kopieren DNA). Zolang een hele serie factoren beperkend zijn heeft een snellere fotosynthese geen zin.
Het lijkt er op dat er een mechanisme bestaat dat fotosynthetische snelheid beperkt wanneer zonlicht boven een bepaalde intensiteit komt ("light saturation point"). Als er voldoende zon is wordt bv. de CO2 concentratie beperkend. Als je dan het CO2 gehalte in de lucht verhoogt krijg je een hogere fotosynthetische efficiëntie.
De hamvraag is: waarom zou je efficiënt omgaan met zonlicht als er een overvloed van is? Het zou je fitness niet verhogen ten opzichte van je buurman die minder efficient met zonlicht omgaat.

Eigenlijk zou je grote bewondering moeten hebben voor het feit dat blinde evolutionaire processen zoiets wonderlijks als het benutten van de energie van fotonen afkomstig van de zon hebben uitgevonden en daarmee de basis voor het leven op aarde gelegd hebben.


Bas Haring 'Misschien is er toch wel een toekomst voor robots', Volkskrant Wetenschapskatern zaterdag 2 juli 2011. (Bas Haring is de auteur van een boek over evolutie: Kaas en de Evolutietheorie.)
Vorige blogs: De voederconversie van Bas Haring; Bas Haring. Biodiversiteit. Volkskrant.

5 juli: enige verbeteringen toegevoegd (o.a. 'De hamvraag is...')