3. Energi og vækst

3.1 Fotosyntese og respiration 

For tre milliarder år siden var der så lidt ilt i atmosfæren, at det meste af det liv, vi kender, ikke havde kunnet leve på jorden. I dag, milliarder af år senere, får du ilt i lungerne, når du trækker vejret, og den ilt er blevet frigivet i fotosyntesen.

Alle planter, alger og visse bakterier kan lave fotosyntese. I planter foregår fotosyntesen i grønkorn, som også bliver kaldt for kloroplaster. Grønkornene indeholder klorofyl, der er et særligt pigment, som planten kan bruge til at udnytte energi i sollys. I nogle planter kan du se, at grønkornene ligger inde i plantecellerne, hvis du bruger et mikroskop.

I fotosyntesen bliver energi fra sollys brugt i en reaktion mellem kuldioxid (CO₂) og vand (H₂O), så der bliver dannet glukose (C₆H₁₂O₆). Samtidig frigives ilt (O₂) som affaldsprodukt.

Når du ser på reaktionsligningen ovenfor, undrer du dig måske over, hvad der sker med lysenergien, som du kun kan se på den venstre side af pilen. Lysenergien bliver omdannet til biokemisk energi, der er oplagret i glukosemolekylet (C₆H₁₂O₆), og det er derfor, du ikke kan se lysenergien i højre side af reaktionsligningen. 

Planter kan bruge glukose fra fotosyntesen, når de skal danne andre organiske stoffer som for eksempel stivelse, proteiner og fedtstoffer, men de kan også omsætte glukosemolekylet til energi i en proces, som hedder respiration.

Du er ligesom planter og alle andre levende væsener nødt til at udføre respiration for at leve. Det er sådan, organismer skaffer sig den energi, der skal til for, at de kan overleve og reproducere sig. Energien fra respiration bliver brugt til at drive nogle energikrævende processer, som kaldes livsprocesser. Bevægelse, vedligeholdelse af celler og vækst er eksempler på livsprocesser.

Respiration foregår i cellerne, og hos planter og dyr sker respiration i nogle cellestrukturer, der hedder mitokondrier. 

I ligningen nedenfor kan du se, hvordan respiration foregår hos mange organismer. Her bliver glukose (C₆H₁₂O₆) omdannet til kuldioxid (CO₂) og vand (H₂O) under forbrug af ilt (O₂). Samtidig frigøres energi, som bliver brugt til at danne ATP (adenosintrifosfat) ud fra ADP (adenosindifosfat) og en fosfatgruppe (P_i). 

ATP er et molekyle, som kan levere energi til livsprocesser i cellerne, og når du trækker vejret, er det blandt andet for at få ilt til respirationsprocessen, så du kan danne ATP.

Hvis du sammenligner fotosyntese og respirationsligningerne, kan du se, at nogle af de stoffer, som bliver produceret i den ene proces, bliver udnyttet i den anden proces. Figur 3.1 viser for eksempel, at fotosyntesen forbruger kuldioxid og vand, mens respirationsprocessen producerer kuldioxid og vand. 

En anden vigtig forskel på de to processer er, at respiration ikke kræver lys, og derfor kan processen foregå hele tiden. Til sammenligning kan fotosyntese kun foregå, når der er lys. Husk også, at primærproducenter er de eneste, der kan udføre fotosyntese.

Du kan selv undersøge fotosyntese og respiration i laboratoriet. 

Formålet med respiration er altså at skaffe energi i form af ATP, og en del af den ATP bliver anvendt til vækst. 

3.2 Vækst og begrænsende faktorer 

Når planter og planktonalger vokser bliver glukose fra fotosyntesen brugt til at producere byggematerialer i cellerne. Men planterne og planktonalgerne er også nødt til at få tilført andre nødvendige byggematerialer udefra. Det gælder for eksempel næringsstoffet fosfor (P), som er en del af DNA og næringsstoffet kvælstof (N), der både indgår i protein og DNA.

Planter og planktonalger får hovedsageligt kvælstof (N) fra nitrat (NO₃^-) og fosfor (P) fra fosfat (PO₄^3-). Hvis en organisme mangler næringsstoffer, bliver dens vækst hæmmet. Det kan for eksempel ske for en plante, der har jord, vand, fosfor og lys, men ikke kan vokse, fordi den mangler kvælstof.

En faktor i miljøet, der begrænser organismers vækst, er en begrænsende faktor. I eksemplet, hvor planten mangler kvælstof for at kunne vokse, er kvælstof en begrænsende faktor.

Det er ikke altid, at det er kvælstof, der begrænser væksten. Forestil dig en planktonalge, der har rigeligt kvælstof og fosfor, men som mangler sollys for at kunne vokse. Her vil sollys være den begrænsende faktor. 

Vækst kan blive begrænset af mange forskellige faktorer som for eksempel vand, saltholdighed og pH. I havet er det særligt næringsstoffer og lys, der begrænser planktonalgers vækst. 

Se filmen, og bliv klogere på begrænsende faktorer. 

Når man skal beskrive vækst hos planter og planktonalger i et økosystem, bruger man betegnelsen nettoprimærproduktion, som forkortes NPP. Det er den del af produktionen af organisk materiale i fotosyntesen, som planter og planktonalger kan bruge til at vokse og danne nyt afkom, når energiudgifterne til respiration er dækket.

Den samlede produktion af organisk materiale i fotosyntesen kaldes bruttoprimærproduktion, som forkortes BPP.

Sammenhængen er vist på figur 3.2 og nedenfor.

Nettoprimærproduktion (NPP) = Bruttoprimærproduktion (BPP) - Respiration (R)
 

Når du skal huske forskellen på brutto og netto, så tænk på en lønseddel. Her står der et bruttobeløb, som er det, du har tjent, og et mindre nettobeløb, som er det, du får udbetalt, når udgifter til for eksempel skat er dækket. Det samme princip gælder for ålegræsplanten på figur 3.2, hvor nettoprimærproduktionen er det, der er tilbage af bruttoprimærproduktionen, når udgifterne til respiration er dækket. 

Nettoprimærproduktionen svarer  altså til den mængde organisk stof, der bliver opbygget i primærproducenter. Dermed udgør nettoprimærproduktionen fødegrundlaget for de konsumenter, der er i det næste led i fødekæden.  

Du hører til konsumenterne, og ligesom alle andre konsumenter, har du brug for at få tilført organisk materiale for at vokse. Det får du ved at spise andre organismer. Konsumenter bruger en del af det organiske materiale fra føden til vækst og til at danne nyt afkom, og det kaldes for produktion. Derudover omdannes en del af det organiske materiale til energi ved respiration. Endelig er der en del af af føden, som ikke bliver udnyttet og ender som afføring.

Sammenhængen for konsumenters brug af føde er vist nedenfor. 

Indtaget føde = produktion + respiration + afføring

Enhver konsument udnytter altså kun en del af sin føde til vækst, og det har betydning for, hvordan energien bliver fordelt i jordens økosystemer.

3.3 Energistrømme 

Når planktonalger og planter bruger solens lys til fotosyntese, binder de en del af energien fra sollyset. I en fødekæde, hvor en planktonalge bliver spist af en musling, som bliver spist af en søstjerne, vil en del af den energi, der oprindelig stammede fra sollyset, blive transporteret gennem fødekædens forskellige led. Sådan strømmer energien igennem de fleste af jordens økosystemer.

Klik på filmen nedenfor, inden du læser videre, og få en forklaring på, hvordan det foregår.

Som du kan se på figur 3.3, kan man inddele fødekæder i forskellige led, og hvert led udgør et trofisk niveau. Planktonalgen hører til primærproducenterne på 1. trofiske niveau, muslingen, der spiser planktonalgen, hører til planteæderne på 2. trofiske niveau, og søstjernen er et rovdyr på det 3. trofiske niveau. 
 

I de fleste økosystemer kan primærproducenter på 1. trofiske niveau binde energi fra sollys ved hjælp af fotosyntese.

Figur 3.3 viser også, at primærproducenterne på 1. trofiske niveau bruger en del af energien fra sollyset til respiration, og den energi bliver i sidste ende omdannet til varme og tabt til omgivelserne. Men der er også en del af energien fra solens lys, som ikke går tabt. I stedet bliver den brugt til vækst og til at danne nyt afkom, og den del bliver kaldt for produktion. Det er kun den energi, der er bundet i produktionen, som er tilgængelig som føde for planteæderne på det 2. trofiske niveau. Resten af den energi, som primærproducenterne fik fra solens lys, er tabt ud af fødekæden.

Når planteæderne på det 2. trofiske niveau spiser af produktionen fra det 1. trofiske niveau, bliver noget af energien transporteret videre i fødekæden, og en del af den energi bliver brugt til produktion. Ligesom på det 1. trofiske niveau går en del af energien til respiration, og den energi bliver i sidste ende tabt som varme. Samtidig er der en sidste pulje af energi, der bliver tabt til nedbryderfødekæden. Det sker, dels fordi en del af energien stadig er bundet i organisk materiale, som bliver udskilt som afføring, og dels fordi det slet ikke er hele produktionen fra det 1. trofiske niveau, som planteæderne når at spise.

Det er kun den energi, der er bundet i produktionen fra det 2. trofiske niveau, som er tilgængelig for rovdyrene på det 3. trofiske niveau. Her sker det samme igen. På det 3. trofiske niveau bliver en del af energien tabt til nedbryderfødekæden og til respiration, mens den sidste energi bliver bundet i produktionen. 

Når solens energi strømmer gennem de forskellige led i fødekæden, bliver der altså tabt en del energi undervejs, og derfor bliver produktionen mindre og mindre, jo længere op man kommer i fødekæden. I mange økosystemer bliver 90 procent af energien tabt fra hvert trofiske niveau, og så er der kun 10 procent af energien tilbage til det næste trofiske niveau.  

Når produktionen bliver mindre for hvert led i fødekæden, bliver fødegrundlaget også mindre. Derfor er der til sidst ikke energi nok til flere led i fødekæden, og det er en af grundene til, at de fleste fødekæder kun har 3 til 6 led.

En del af den energi, der strømmer gennem jordens økosystemer, bliver bundet i økosystemets organismer sammen med kulstof og andre grundstoffer. Når en organisme bliver spist, passerer stofferne gennem fødekæden. Derfor spiller fødekæder ikke kun en vigtig rolle for energistrømme i jordens økosystemer, men også for forskellige stoffers kredsløb. Det kan du læse om i næste kapitel, som handler om stofkredsløb.