Het verhaal dat verteld moet worden: aarde, evolutie, zuurstof, complex leven
de grote tweedeling
Al het leven is op te delen in twee categorieën: heterotroof en autotroof. Heterotroof leven is 100% afhankelijk van autotroof leven. Heterotroof leven (heteros - “vreemd”, “een andere”; trophein - “voeden”) zijn globaal genomen dieren. Autotroof leven zijn planten. De tweedeling is gebaseerd hoe een organisme aan zijn energie en bouwstoffen komt. Zonder energie en bouwstoffen geen leven. Heterotrofe organismen kunnen zelf geen complexe moleculen (bv glucose) synthetiseren, en complexe moleculen zijn nodig voor ieder leven. Autotroof leven zorgt voor zichzelf: ze synthetiseren complexe organische stoffen (koolstofverbindingen) uit water en CO2 met behulp van zonlicht. De mens is een heterotroof dier. De mens is als heterotroof dier tenminste op twee manieren afhankelijk van autotrofen: 1) voedsel: de koolstofverbindingen die voor bouwstenen en energie dienen, 2) zuurstof geproduceert door autotrofen die heterotrofen nodig hebben om de complexe koolstofverbindingen te verbranden (7). Voedsel: het maakt niet uit of je vegetariër bent of vleeseter of beide. Een vegetariër eet autotrofen. Een vleeseter eet heterotrofe organismes. Maar uiteindelijk is iedere heterotroof direct of indirect afhankelijk van autotrofen. Ook het regenwoud verandert daar niets aan. Zelfs alle moderne landbouw, veeteelt, en industrie bij elkaar veranderen daar geen zier aan! (1).
zuurstof en evolutie
Dit alles heeft tenminste drie belangrijke gevolgen voor de evolutie van het leven. Ten eerste: heterotrofen konden pas tot bloei komen nadat autotrofen tot bloei waren gekomen. Eerst in de zee, later op land. Fotosynthese is dé cruciale evolutionaire uitvinding: behalve zonlicht is er een ingewikkeld systeem van enzymen nodig (8). Ten tweede: ‘toevallig’ produceerden autotrofen (planten) zuurstof als afvalproduct. Toevallig maakte zuurstof een bijzonder efficiënte methode van energieopwekking mogelijk voor dieren (2). Zonder zuurstof zouden er geen hogere dieren met hersenen bestaan. Hersenen vreten zuurstof! Zonder zuurstof zouden er alleen eencelligen bestaan. Planten leverden dieren dus twee essentiële zaken op een presenteerblaadje: voedsel en zuurstof.
Ten derde leverden planten de aarde een ozonlaag in de atmosfeer die ons beschermt tegen te veel schadelijke UV-straling van de zon. Ozon (O3) ontstaat uit zuurstof. In de loop van de evolutie is het percentage zuurstof in de atmosfeer gestegen. Iedere significante stijging gaf nieuwe evolutionaire mogelijkheden. De ozonlaag maakte leven op land mogelijk (6). Leven in zee werd beschermd door water dat UV absorbeerd. Zonder het huidige percentage zuurstof van plm. 21% zijn er géén grote dieren als mens mogelijk. Maar de levende wereld heeft veel meer aan zuurstof te danken (3).
Een woord van dank is hier wel op zijn plaats. Hartelijk dank planten! Hartelijk dank voor het voedsel, zuurstof, ozon en niet te vergeten al het groen op deze planeet! Zonder jullie waren wij er niet geweest! (4).
Astrobiologie
Vergelijk de atmosfeer van de dode planeten Venus en Mars met die van de Aarde. De atmosfeer van Venus en Mars heeft meer dan 95% CO2, geen of nauwelijks zuurstof en verkeert in chemisch evenwicht. De aardse atmosfeer bevat 21% zuurstof, 0,03% CO2, en methaan. De aardse atmosfeer is chemisch uit evenwicht. Zuurstof en methaan worden constant geproduceerd door planten en bacterieën. De samenstelling van de aardse atmosfeer bewijst de aanwezigheid van leven. Zonder leven zou de aarde op Mars of Venus lijken (5). Op planetaire schaal is het volstrekt irrelevant of tropsiche regenwouden wel of niet netto zuurstof produceren. Atmosferische zuurstof is het meest karakteristieke verschil tussen de levende Aarde en dode planeten als Mars en Venus. Dat er water is op de aarde is een gegeven. Maar dat er zuurstof is komt door fotosynthese. Het is significant dat die zuurstof uit water komt (9).
Ademhaling, mitochondrieën
Waar vindt ademhaling plaats? In de longen!? Ja en nee. In de longen wordt alleen zuurstof opgenomen in de bloedbaan en getransporteerd. De feitelijke ademhaling in de biochemische betekenis vindt plaats in de cel. Precieser: in een onderdeel van de cel: het mitochondrium. Het verhaal van het mitochondrium is wel het meest bizarre ‘on-Darwinistische’ verhaal dat er verteld kan worden. Het is het verhaal van symbiose en de verstrekkende consequenties. Het wordt verteld door Lynn Margulis, Mark Ridley, en Nick Lane.
Ecologie
Misschien is het handig om een ecologie handboek door te bladeren. Bijvoorbeeld: Collin Townsend. Aanbevolen hoofdstukken: Sustainability, Pollution en Conservation. In dat laatste hoofdstuk wordt de vraag gesteld ‘hoeveel soorten we kunnen vernietigen voordat het ecosysteem instort?’ (ecological redundancy, p.485) en over de relatie tussen zeldzaamheid en uitsterven (p.473). De eerste vraag is volgens de auteurs een nog onbeantwoorde vraag.
Hoe erg is een toekomst zonder natuur?
Dit is in grote lijnen het verhaal dat verteld moet worden. Het verhaal dat niet door Bas Haring werd verteld. Voor zover we weten is de planeet Aarde de enige in het universum waarop leven voorkomt. Bas Haring vraagt zich af: is het erg als de mensheid verdwijnt? Dat is vast een filosofische vraag. En Bas Haring is een filosoof. Een filosoof hoeft geen genoegen te nemen met vanzelfsprekende antwoorden en mythes. Tot zover is alles OK. Maar, hij vraagt zich óók af hoeveel van de biodiversiteit op aarde we kunnen vernietigen zonder dat de mensheid uitsterft. Dat is geen filosofische vraag. Als je die vraag wil beantwoorden, zul je op z’n minst verstand van biologie moeten hebben.
Postscript: Zonder het boekje van Bas Haring zou ik deze blog niet geschreven hebben. Bedankt Bas!
- De industrie en het verkeer zijn afhankelijk van fossiele brandstoffen: steenkool, aardolie, aardgas. De naam ‘fossiele’ in fossiele brandstoffen kan letterlijk genomen worden. Dit zijn koolwaterstofverbindingen die zijn ontstaan uit resten van direct (plantaardig) en indirect (dierlijk) autotroof leven in het Carboon. Zelfs kernenergie, windenergie, zonne-energie zijn ten dele afhankelijk van fossiele brandstoffen: de bouwfase van de installaties (het fabriceren en transport van materialen). Zelfs plastic wordt op basis van aardolie gemaakt. Zelfs in de computer en electronica industrie speelt zuurstof een rol. Siliciumdioxide SiO2 wordt in halfgeleiders gebruikt om transistors en dioden van elkaar te isoleren.
- De energie opbrengst van oxidatieve verbranding heeft maar liefst een 12x tot 14x (tot 18x volgens Kevin Plaxco) hogere opbrengst dan fermentatie zonder zuurstof. Ook dat hebben we aan de overvloedige aanwezigheid van zuurstof, dus aan planten te danken. Vaclav Smil (2008), p.91.
- Dat wordt prachtig uiteengezet door Nick Lane (2009) in zijn zojuist verschenen boek Life Ascending. Hier een abstract van het hoofdstuk over fotosynthese.
- Je kunt wel een hek om regenwouden zetten, maar als het waait… Zuurstof houd je niet tegen…
- Kevin Plaxco, Michael Gross (2006), p.218,219 en James Lovelock (2000) p.9, 28.
- Wordt bestreden door Lovelock p.84.
- Bas Haring haalt planten in het algemeen en het regenwoud in het bijzonder door elkaar als het om zuurstofproductie gaat. Hij springt onverantwoord van ‘een plant levert netto helemaal geen zuurstof” (fout!) naar ‘het regenwoud doet dat ook niet’ (ook fout) (p.53,54).
- Daarom is het onzin te zeggen: “de zuurstof in onze atmosfeer wordt helemaal niet geproduceerd; die is er gewoon”(p.54) en: “zuurstof alleen maar wordt rondgepompt (p.54). Beide zijn fout omdat zuurstofproductie energie kost en alleen op grote schaal door levende systemen uitgevoerd wordt. Zonder de evolutionaire uitvinding van fotosynthese zou er geen enkel meercellig dier ontstaan zijn in de evolutie. Met enige goede wil is het juist om te zeggen dat zuurstof door regenwouden wordt ‘rondgepompt’ (p.54), maar zeker niet door ons, en als je daar de zuurstofcyclus op planetaire schaal mee bedoelt en als je erbij zegt dat ‘rondpompen’ energie kost! Tenslotte is het strijdig om te beweren dat ‘zuurstof er gewoon is’ (p.54) en tegelijk dat zuurstof in een ver verleden geproduceerd is! (p.54). Er is een hemelsbreed verschil tussen de bewering dat zuurstofatomen er gewoon zijn, en dat zuurstof er gewoon is terwijl het in de verbinding H2O of CO2 zit. Natuurlijk waren zuurstofatomen er al voordat de aarde gevormd was. Als zuurstof in gasvorm (O2) geproduceerd werd uit water door fotosynthese dan is dat een complexe biochemische reactie, en dan kun je niet zegen dat zuurstof er gewoon is of gewoon wordt rondgepomt. Zie ook wiki Photosynthesis.
- Daarom is het jammer dat Bas Haring niet duidelijk maakt dat die zuurstof uit water komt.
Gebruikte Literatuur:
- Vaclav Smil (2008) Energy in Nature and Society.
- Kevin Plaxco, Michael Gross (2006) Astrobiology.
- Mark Ridley (2000) Mendel’s Demon. Gene Justice and the Complexity of Life.
- Nick Lane (2002) Oxygen. The molecule that made the world.
- Nick Lane (2005) Power, Sex, Suicide. Mitochondria and the Meaning of Life.
- Nick Lane (2009) Life Ascending. The Ten Great Inventions of Evolution.
- James Lovelock (2000) The Ages of Gaia. A biography of our living Earth.
- Lynn Margulis (2002) Acquiring Genomes. A Theory of the Origins of Species
- Collin Townsend et al (2003) Essentials of Ecology.
- Bas Haring (2009) Het aquarium van Walter Huijsmans, of Waarom zouden we ons zorgen maken over de toekomst van de aarde?
- Harald Lesch & Harald Zaun (2009) De kortste geschiedenis van ons leven. Van oerknal tot moderne mens.
tags: boeken
* Gert, bedankt voor deze uiteenzetting. Helder geschreven. Op de middelbare school had ik wel het vak biologie, maar het belang van planten voor het gehele ecosysteem is toen niet echt blijven hangen. Als je weet wat het groen voor ons betekent, dan bedenk je je toch wel 10X voor je een stuk natuur vernietigd…
“Het verhaal van het mitochondrium is wel het meest bizarre ‘on-Darwinistische’ verhaal dat er verteld kan worden.” In de BBC-diocumentaire ‘Journey of Life’ wordt het verhaal over endosymbiode van mitochondria (heel oppervlakkig) verteld. Boeiend inderdaad, maar waarom ‘on-Darwinistisch’? Of bedoel je gewoon dat het een spectaculair verhaal is?
* Simon, jij bent er snel bij! Graag gedaan. Deze blog is een schets van het verhaal. Ik kan er een boek over schrijven. On-Darwinistisch: omdat de symbiose gebeurtenis een heel grote sprong is in de evolutie en dus niet stap voor stap zeer kleine veranderingen. En bovendien een eenmalige gebeurtenis. En omdat het zo bizar is dat Darwin er nooit van had kunnen dromen en dat velen het nog steeds niet weten of begrijpen of het belang ervan inzien.
*Het zuurstof percentage van 21% in de atmosfeer is zo belangrijk voor de eenvoudige worm Caenorhabditis elegans dat evolutie ze uitgerust heeft met neuronen die kunnen detecteren of er meer of minder dan 21% zuurstof in hun omgeving is. Dieper in de bodem is er minder zuurstof. De worm schijnt dit te gebruiken in zijn voedselzoekstrategie. Dit is vandaag in Nature gepubliceerd. Als het percentage zuurstof in de atmosfeer niet zo lang stabiel was had evolutie dit niet voor elkaar kunnen krijgen.
* Zuurstof concentratie is de beperkende factor voor leven in de zee. De mens -het meest intelligente dier op aarde- mag er trots op zijn dat door stijgende CO2 conc de ‘dead zones’ in de zee toenemen. Organismes kunnen beneden bep O2 conc niet meer ademhalen. Op een gegeven moment zal er ook te weinig zuurstof zijn voor kwallen! Science van 17 april berichtte over de toename van dead zones in de zee.
* Hoort dat niet “mitochondrion” te zijn?
Verder een leuk verhaal Gert.
* Meer dan 16.000 mensen overlijden aan een hartaanval (hartinfarct). Nog eens 12.000 mensen overlijden aan een beroerte en de rest door andere hart- en vaatziekten. De meeste hart- en vaatziekten ontstaan door het dichtslibben van bloedvaten. Hierdoor wordt de bloeddoorstroming door de bloedvaten áchter de afsluiting belemmerd en kan er door zuurstofgebrek weefselschade optreden. NB: in een wereld met minder zuurstof <21% treden de schadelijke gevolgen van hart- en vaatziekten eerder op.
* Corneel, dank je. Volgens wiki kan het beide: mitochondrion of mitochondrium (meervoud mitochondriën of mitochondria). Overigens komt het woord ‘zuurstof’ niet voor in:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion
(schande!) wel: ‘oxidatieve fosforylering’ en ‘oxidanten’.
Het Engelse wiki artikel is beter:
http://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion
* Is het erg als talen verdwijnen? lijkt me en leuke voor Bas. (vind het niet erg als er een paar zeldzame diersoorten verdwijnen)
“At a time when hundreds of languages are disappearing because children don’t learn them and adults don’t speak them, it may seem surprising that many existing languages have never even been named (though they are not “new,” especially not to the people who speak them). Yet there are potentially hundreds of undiscovered languages in China, Burma, the Amazon, and elsewhere.
Researchers working in remote China have uncovered dozens of languages that had been hidden by mountainous terrain and administrative practice.” Science, 17 april 2009.
* Henk e.a. (#20), zojuist verschenen: Harald Lesch & Harald Zaun (2009) De kortste geschiedenis van ons leven. Van oerknal tot moderne mens, bij Bert Bakker. Lesch is een astrofysicus. In dit boekje van nog geen 200 blz wordt de evolutie van het heelal en het leven uiteengezet. En er is adequate aandacht voor zuurstof! Dit is één van de weinige boeken in het Ned. die zo’n overzicht geven. Grijp je kans.
* Gert, het punt van wikipedia is toch dat iedereen artikelen kan verbeteren. Als je denkt dat het beter kan, kun je het gewoon verbeteren.
* Jona, (10) klopt!
* zondag 26 apr op Ketnet/Canvas 0:00-1:00 priester-astronoom George Coyne over de evolutietheorie.
- Beste bloggers, U zult het een week zonder nieuwe blogs en ik zal het een week zonder Uw -zeer gewaarde- commentaren moeten doen. Ik vertrek naar een locatie die gedomineerd wordt door fotosynthetische autotrofen en gedecoreerd door de zang van de gevederde afstammelingen van dinosauriers - in de volksmond zangvogels ofwel ’sijssies’ genoemd. In het volste vertrouwen dat ik daar niet gehinderd zal worden door het irritante geluid van bladblazers, motorzagen en pneumatisch aangedreven snoeischaren van de gemeentemedewerkers van de eufemistisch aangeduide ‘Afdeling Groen’ en vriendelijke buren die met grote toewijding en hogedrukreinigers uren hun tegeltuintjes aan het vertroetelen zijn.
* Ozon. Is het niet zo dat ook :
Ozonvorming en ozonconcentraties aan het aardoppervlak ( kunstmatig veroorzaakt door bijvoorbeeld (veronderstel ik) vervoermiddelen op fossiele brandstoffen/ door electrische ontladingen - e.a. pollutie-vormen ) in combinatie met temperatuurstijgingen , fijn stof en verminderde luchtcirculatie , enorm schadelijk zijn: Dat veroorzaakt toch “zomer en hittegolf ” doden onder (meestal hart -en long patienten ) en onder de kwetsbare bevolkingsgroepen …of is het ook een niet zo erg __voor de heren filosofen ?
* Maar het gegeven blijft toch staan dat als de Amazone netto zoveel zuurstof produceert als zij verbruikt, zij geen factor is in de zuurstofvoorziening. De mythe van de groene longen is doorgeprikt, zoals Bas Haring terecht opmerkt.
Natuurlijk is het jammer als de Amazone gerooid wordt, maar het is niet erg voor de zuurstofvoorziening. De Brazilianen wijzen terecht naar Europa: “Jullie hebben je eigen bossen toch ook gerooid?”
Gematigde bossen en wetlands, die koolstof opslaan in humus en veen, zijn de echte longen.
* Hans Erren, (15) je leest slecht en je schrijft slordig. Je leest slordig want Bas Haring heeft al op dit blog toegegeven dat de dieren in het Amazone regenwoud leven van de zuurstof die planten in het regenwoud produceren. Jij spreekt over “de Amazone” en definieert niet of dat inclusief of exclusief dieren is. Dat maakt nogal een verschil!!! Inclusief dieren betekent al dat het ongeoorloofd is de stap te maken van de Amazone-planten, Amazone regenwoud ecosysteem, naar planten in het algemeen. En dat deed Bas in zijn boekje en jij alweer. Ik ga dat niet nog eens allemaal herhalen.
Een andere vaagheid van jij en Bas is dat ‘netto’ niet gedefinieerd wordt. Netto per dag? jaar? miljoen jaar? Dat maakt nogal een verschil. Verder vergeten jij en Bas dat de zuurstof die door planten wordt geproduceerd wordt toegevoegd aan de atmosfeer die een common pool is van onze planeet en die je nooit lokaal kunt beschouwen. Er waait wel eens een wind weet je, en er staan geen hekken om de Amazone om de zuurstof tegen te houden (naar binnen of naar buiten).
Tenslotte: het misleidende van jij en Bas is dat het suggereert dat met het zgn doorprikken van een vage mythe alles is gezegd over het nut van biodiversiteit. Je zegt daarna nl niets over het nut van biodiversiteit en waar die 21% zuurstof vandaan komt.
Verder vergeet je dat Europeanen ook bossen aanplanten. Tegelijk doe je je eigen bewering “Natuurlijk is het jammer als de Amazone gerooid wordt” teniet met het citaat “Jullie hebben je eigen bossen toch ook gerooid?”. Dat is strijdig. Verder ben je weer slordig omdat je verzwijgt dat Europese bossen qua biodiversiteit niet te vergelijken zijn met tropische regenwouden.
Commentaren 14 en 15 zijn met vertraging geplaatst vanwege vakantie.
* Gert, We hadden het over de stelling: “De Amazone zijn de longen van de Aarde”.
Als uit studies blijkt dat de amazone (inclusief dieren, maar ik beschouwde toch al het hele ecosysteem) netto geen zuurstof produceert omdat het een oud bos is, dan is de stelling gefalsificeerd.
Wil je in miljoenen jaren denken? Dan kun je net zogioed stellen: “Steenkoollagen zijn de longen van de aarde.” Bij longen denk ik toch echt aan een dynamisch proces en niet aan een historisch proces.
Verlandende venen, dat zijn nu de longen van de aarde, de amazone niet, als je daar een koepel overheen zou zetten, dan heeft dat geen invloed op het zuurstofniveau op aarde.
Jonge bossen zijn dus de longen van de aarde, uit zuurstofoogpunt is het dus beter om de oude amazone te rooien, te begraven (niet verbranden) en door jonge snelgroeiende aanplant te vervangen,
uit biodiversiteitsoogpunt uiteraard niet.
* Hans Erren, (17) ik ben blij dat biodiversiteit een goede reden is om het Amazoneregenwoud te behouden! Dat is een hele geruststelling. Dat zie ik Bas Haring nog niet zo duidelijk stellen.
“de amazone (inclusief dieren) netto geen zuurstof produceert “: bij netto zul je toch een termijn moeten aangeven (dagen, seizoenen, jaren, etc). Ten tweede is het significant dat er zuurstofconsumerende dieren in de Amazon leven. Die nemen hun zuurstof ook niet mee in een rugzakje uit andere delen van de wereld. Maar nog belangrijker is, Bas Haring gebruikt de ontkrachting van de mythe om geruisloos over te stappen naar planten in ´t algemeen. Het lijkt er op dat hij wil suggereren dat we de zuurstofproductie van planten in t algemeen wel kunnen missen omdat er zoveel zuurstof in de atmosfeer zit. Raadselachtig waarom iemand dat zou willen.
* Hans Erren, Bas Haring heeft een paar keer herhaald dat volgens onderzoek het regenwoud als geheel geen zuurstof produceert. Ik betwijfel of die bewering klopt. Die twijfel is gebaseerd op het feit dat het regenwoud als geheel namelijk wel organische koolstof produceert. Als het CO2 gehalte van de atmosfeer netto daalt, moet het O2 gehalte toch op zijn minst relatief stijgen? Tevens lijkt het me dat dergelijke productie ook gepaard moet gaan met een overschot aan zuurstof omdat de cycli van koolstof en zuurstof gekoppeld zijn.
Het artikel waar ik me op baseer is “Seasonal variation in net carbon exchange and evapotranspiration in a Brazilian rain forest: a modelling analysis” van Williams et al. (2002) in Plant, Cell & Environment vol. 21, pag. 953-968. Zie:
http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/119116194/HTMLSTART
In figuur 2 is te zien dat de Net Ecosystem Production gemiddeld hoger is dan 0. De positieve pieken zijn groter dan de negatieve dalen. Als ik het goed heb betekent dat dat de producenten het winnen van de reducenten.
Ik denk dus dat de vanzelfsprekendheid waarmee Haring zijn stelling verdedigt op zijn minst beter onderbouwd zou kunnen worden. Gaat hij uit van gemeten waarden of een geïdealiseerd model? Ik kan vanachter mijn bureau ook bedenken dat alle planten ooit wel verbrand zullen worden, maar dat is geen bruikbare ecologie.
* Jonathan, (19) bedankt voor je nuttige bijdrage!
* Op p. 5 van de Wetenschapsbijlage van het NRC van 16 mei staat een leuk artikeltje over pauze in vulkanisme, die de aarde in een sneeuwbal deed veranderen. Door die pauze die de vulkanen zich “gunden” werd er minder CO2 uitgestoten en was er minder ijzeruitstoot. Door dit laatste werd zuurstof niet gebonden in (ijzer)roest, maar kwam het vrij in de atmosfeer. Daardoor steeg het zuurstofgehalte in de atmosfeer. Dat lees je niet in het boekje van Bas Haring. Bètawetenschappers, lees zelf even het artikel na om te checken of ik het goed heb begrepen.