GRUNDEKOLOGI

Ekologi är läran om "allt" som händer i naturen. För att kunna greppa detta omfattande skeende kan ekologi brytas ned i olika delvetenskaper. De två viktigaste och grundläggande begreppen inom ekologin är energi och materia, och deras flöden genom och kring levande organismer. Materian återanvänds i oändlighet i ett slutet kretslopp medan energi flödar genom processen och degraderas till (slutar som) "spillvärme".

Biosfären
Grundläggande rumsliga begrepp inom ekologin är atmosfären - luftrummet, hydrosfären - vattnet och litosfären - berggrunden. Delar av dessa tre bildar tillsammans biosfären - den ytterst tunna hinna på jorden som rymmer biologiskt liv. Den produktiva biosfären omfattar utrymmet mellan den högsta punkt där fotosyntes kan äga rum i höglänta bergstrakter till den djupaste punkt i haven dit solljuset når och driver fotosyntes i encelliga alger. I vidsträckt mening omfattar biosfären luftrummet högt ovan trädtopparna där luftplankton, sporer, frön och mikrofauna blåser omkring redo att kolonisera outnyttjade och lediga fläckar och djuphavens bottnar på tusentals meters djup där organismer lever i evigt mörker, ätande konserverad sol i form av nedfallande dött material. Om jorden liknas vid ett äpple är hela biosfären inte tjockare än äpplets tunna skal.

Vätebomben som väcker liv
Vår sol är den yttersta förutsättningen för liv i vårt solsystem. Människan berömmer sig av att ha frigjort dramatiska energimängder under nittonhundratalet i form av atombomber och vätebomber. Ändå är vår sol den mest formidabla vätebomb vi skådat. Den befinner sig i en ständig explosion som varat i femtusen miljoner år, lika länge som jordklotet existerat, och den beräknas fortsätta sin explosion i ytterligare femtusen miljoner år. Explosionen i solen sker när vätgas förbränns i hög temperatur. Solugnen kan fortsätta fungera genom att tyngdkraften vill pressa samman vätgasmolnet samtidigt som explosionskraften trycker ut molnet och gör det tillräckligt poröst för att tillåta fortsatt förbränning/explosion. Intressant är att materia omvandlas till energi (ljus) i kärnprocessen, något som fascinerat både fysiker och religiösa tänkare. Fyra väteatomer omvandlas till en heliumatom, men 0.7% av massan ("vikten") har förlorats på vägen och uppstår som energi. På jordytan sker den omvända processen, där energi skapar materia i fotosyntesen. Denna energimängd når jorden åtta minuter efter sin födelse på solens yta efter att ha färdats med den svindlande hastigheten av över tusen miljoner kilometer i timmen. (Se även Grundenergi).

Skulle solens samlade värmestrålning träffa jorden skulle inget liv kunna existera. Av de hundra procent solljus som når jordens övre atmosfär försvinner stora mängder på väg mot jordytan. Omkring en tredjedel reflekteras ut i rymden eller absorberas av ozonskiktet. Av den strålningsenergi som når in i jordatmosfären åtgår närmare femtio procent för att värma upp jordytan och gaser i atmosfären. De sista drygt tjugo procenten går åt för att värma upp och avdunsta vatten från jordytan.

Den totala solenergin som träffar jorden är 30 000 gånger större än mänsklighetens hela energiutnyttjande och den energi som åtgår till att dunsta vatten från jordytan är 7000 gånger större än energin som används av människor. Den energimängd som binds av jordens gröna växter är endast någon procent, men är ändå fullt tillräcklig för att understödja jordens myllrande biologiska liv, kanske 10 miljoner nu levande arter representerade av hundratals miljarder individer.

Omvandlad solenergi
Kärnreaktioner förekommer i jordens inre och driver viss värmeproduktion och ger en radioaktiv bakgrundsstrålning. Månens dragningskraft skapar tidvatten som på stora delar av jorden når betydande mäktighet. Dessa energier utgör dock endast delar av en procent och saknar övergripande ekologisk betydelse. I praktiken kommer all energi som används inom jordens ekologiska system från solen.

Indirekt solenergi
Övriga naturliga energikällor vi känner utöver solljuset är i själva verket också solljus. Utan solen skulle ingen vattenkraft finnas. Solen hettar upp jordytans vatten till vattenånga som kondenserar och regnar ned högre upp i bergtrakter där vattnet utgör lägesenergi genom att lagras eller rinna ned långsamt, ofta jämnt fördelat över året.

Vind uppstår när solen direkt eller indirekt värmer upp luftmassor som då ökar i storlek, sväller och börjar röra på sig. Eftersom jordaxeln tippar under loppet av ett år bildas en årscyklisk "vindvåg" som pendlar mellan norra och södra halvklotet (jämför med våra svenska höststormar, sydostasiens monsunuer och västindiens orkaner). Alla dessa indirekta solenergiformer utför ett viktigt ekologiskt arbete.

Vattenkraft
Vattenkraften sprider växter och djur, frön, yngel och ägg ut till näringsrika barnkammare i flodmynningar, mangroveträsk och korallrev, och skapar på så sätt ekologiska nischer för en mängd djur och växter som anpassat sig till att leva i strömmande vatten som fastsittande eller vandrande arter. Vattenkraften slipar loss och transporterar mineralnäringsämnen från berggrunden och blandar om och forslar ned organisk näring från nedbrutna växter och djur. Vattenkraften är tillsammans med havsströmmarna också klimatskapande då de jämnar ut extrema temperaturer, fuktar näraliggande vegetation och marklager. Den bibehåller även grundvattnets nivå vilket i sin tur vidmakthåller källor och markvattenströmmar långt från själva vattendraget och skapar därmed förutsättningar för ett rikt växtliv, djurliv och även för jordbruk.

Vindkraft
Vinden sprider växternas frön och frukter och sprider även djur, mest flygande djur och insekter. Vinden rensar i skogar och vegetation och fäller gamla murkna träd som lämnar plats för unga plantor att spira och tillväxa, varvid skogen föryngras och hålls vital. Även vinden är klimatskapande genom luftens egenskap att svälla och röra sig vid uppvärmning. Globalt sker en nettotransport av värme från ekvatorn mot kallare breddgrader genom vatten och vindar. Detta arbete är väl så viktigt i jordens funktion och dessa processer kan påverkas av vegetationstäckets utseende.

Mänskliga energikällor
Även energiformer som vi nästan börjat betrakta som "människans" är ursprungligen genererade av solen. Olja, kol och naturgas är organiskt material som i syrefattig miljö inte kunnat brytas ned fullständigt, vilket lett till att solenergin lagrats i energirika molekyler under miljontals år. När vi värmer oss med fossila bränslen värmer vi oss indirekt på strålar från vår sol som lyste över uråldriga skogar och växtsamhällen som existerat så många årmiljoner tillbaka att vår tanke svindlar när vi skall försöka föreställa oss tidsperspektivet. Till och med de bakterier som lever av energin i svavelväte utnyttjar "gammal sol" eftersom svavelvätet också är lämningar av organiskt material nedbrutet i en syrefattig miljö.

Materian - myllrets byggstenar
Varje materiellt föremål på jorden består av ett eller flera av de närmare hundra grundämnen som är stabila under de förhållanden som råder på jorden. Teoretiskt kan alla dessa ämnen kombineras på ett nästan oändligt antal sätt och antalet skulle kunna bli ett tal med över hundra nollor. Livet har trots detta nöjt sig med ett ganska litet antal ämnen.

De kvantitativt viktigaste ämnena som ingår i alla levande organismer är kol, väte, syre och kväve. Även betydande mängder av kalium, kalcium, natrium, fosfor, svavel, magnesium, järn och klor ingår i levande organismer. Livets färger i biosfären är grönt och rött och de är intimt förbundna med grundämnena magnesium och järn. Magnesium är centralatomen i växternas gröna klorofyllmolekyl och järn är centralatom i djurens hemoglobinmolekyl i de röda blodkropparna.

Spårämnen
I mycket små mängder ingår spårämnen som mangan, koppar, zink, jod, selen, molybden, kisel m. fl. Vissa ämnen finns inte naturligt i levande organismer och de är därför ofta giftiga, exempelvis bly, kadmium, kvicksilver och aluminium. Även spårämnena kan vara giftiga i för stora doser, men kan också ge svåra symtom vid brist.

Grundämnenas kvantitativa förekomst på jorden är mycket varierande. Mycket vanliga är kol, väte, kväve och syre och relativt vanligt förekommande är svavel, järn, natrium, kalium, kalcium, klor och fluor, vilka alla finns i levande organismer. Livet har mycket anpassligt använt sig av de mest tillgängliga ämnena med några undantag. Mycket vanliga ämnen som istället bygger upp jordskorpans berggrund och jordens inre är aluminium som är jordens vanligaste metall, samt kisel som ingår i praktiskt taget alla mineraler. Även stora mängder av järn och nickel finns i jordens innandöme. Av jordens totala vikt utgörs 0.02 procent av syre och väte i form av vatten och 0.007 promille utgörs av gaser ("luft" = 78 % kväve, 20 % syre och 2% ädelgaser).

Samspel mellan energi och materia
Om enbart energi eller materia skulle existera var för sig skulle ingenting hända. När de bägge möts länkar energin i materian som vattnet sätter i gång ett vattenhjul. Länken som omvandlar den otyglade energin till organiserad materia är jordens gröna växter. Med hjälp av sinnrika molekyler i biologiska mikrosystem förmår växterna utnyttja solenergin för att "lyfta upp" och trycka ihop atomer till större ämnen. Med enzymer som "pincett" tar växten tag i dessa ämnen och fogar med hjälp av solenergin ihop dem.

Reaktionerna i växter, sker med en imponerande effektivitet tack vare skräddarsydda enzymer som styr processerna och med en svindlande hastighet och precision monterar ihop rätt byggstenar till en fungerande helhet. Att under loppet av en enda sekund sätta samman åtskilliga tusental byggstenar till större enheter är ingen match för en enda enzymmolekyl.

Ett enzym är en outtröttlig, snabb, extremt specialiserad och en samtidigt hårt arbetande koordinatör och arbetare. Enzymerna och andra proteiner innehåller spårämnen som järn, mangan, koppar, zink, molybden och magnesium. Andra viktiga ämnen utan vilka enzymerna inte kan fungera är B-vitaminer som tiamin, riboflavin, nikotinsyra och pyridoxin, vilka växten själv tillverkar.

Växterna tar upp koldioxid ur luften, samma ämne som djuren avger till luften. Ur marken suger växterna upp vatten och mineralnäringsämnen, kväve, fosfor, kalcium, kalium, natrium, svavel och magnesium jämte små mängder av spårämnen. Mineralnäringsämnena kommer ursprungligen från vittrad berggrund, övriga näringsämnen från nedbrutna växter och djur.

Fotosyntesen
De första "färdiga" ämnena som växterna framställer är olika sockerarter. Detta kan sammanfattas i nedanstående viktiga formel;

Fotosyntesen
6 CO2 + 6 H2O + Solenergi ---> C6H1206 + 6O2

Syret som bildas på högra sidan kommer inte från gasen koldioxid, utan från vattnet. Växter trollar fram för djuren andningsbart syre ur det annars kvävande vattnet. Den stora förekomsten av syre i världen beror på att växter genom fotosyntes under hundratals miljoner år pumpat upp syre i atmosfären och på så vis gjort det möjligt för djuren att kunna existera.

Utnyttjad energimängd
Av den energimängd som når jordytan är 67.000 kalorier (280.000 Joule) per kvadratcentimeter tillgängliga för växter. I verkligheten utnyttjas bara 33 kalorier (140 Joule) per kvadratcentimeter eftersom växter saknas i öknarna, havsvidderna och de arktiska områdena. Räknat på hela jordytan nyttjar växterna endast en tvåtusendel av tillgänglig solenergi. Tar man hänsyn till att växter nås av solljus endast på en begränsad del av jordytan stiger växternas utnyttjandegrad till flera procent.

Med denna begränsade energimängd förmår växterna ändå varje år binda över hundra miljarder ton kol från luftens koldioxid och göra socker av den. Det är över hundra gånger mer än vikten av alla varor som mänskligheten tillverkar under ett år. Av denna mängd nyttjar växter cirka 30 procent för egen tillväxt medan resten kommer djuren tillgodo eller bryts ned och återgår till luften som koldioxid.

Syreförråden
Den utnyttjade kolmängden innebär att växterna i fotosyntesen pumpar ut ungefär samma syremängd (270 miljarder ton) som förbrukas av djur och växter i deras tillväxt men denna mängd är endast 1/2500-del av världens syreförråd. Största delen har frigjorts av för länge sedan döda växter. Inte ens en total förbränning av all världens fossila bränslen, inklusive kol, olja, naturgas och torv, skulle nämnvärt minska syreförrådet, utan effekterna skulle visa sig i andra sammanhang.

Kvävefixering
Världens växter tar årligen upp knappt tio miljarder ton kväve ur marken trots att luften består av nära 80 procent kväve. Luftkvävet är dock inte tillgängligt för växterna utan den viktigaste kvävefixeringen sköts av mikroskopiska bakterier, svampar och blågröna alger, varför kväve ofta är en "bristvara" i naturen. De kvävefixerande mikroorganismerna lever ofta i symbios med växternas rötter och kan uppnå en betydande kvävefixering per ytenhet och år, en verksamhet som hämmas av konstlat tillfört kväve som slår ut dessa organismer.

Fosfor
Fosfor finns naturligt i berggrunden och frigörs genom vittring, det frigörs också ur organiskt material under nedbrytning, speciellt i guanoberg på fågelöar samt i benmaterialet i stora skelettsamlingar.

Svavel
Svavel görs tillgängligt genom aktiviteten hos mikroorganismer som använder svavelväte istället för solljus som energikälla. Tillförseln av svavel genom mänskliga aktiviteter är betydande men orsakar även försurning.

Matfabriker i närmiljön
När växterna bundit solenergin kan de utnyttja den till att producera livsmedel i form av protein, fett och kolhydrater. De kan också tillverka fibrer (som jute, hampa, bomull, kapock), färgämnen, hartser, gummi, oljor, mediciner, lösningsmedel och många andra produkter. Allt detta tillverkas med en enkel sockermolekyl som bas. I en produktionslinje tillverkas rörsocker och cellulosa (som blir bark och papper). I en annan produktionslinje lagras sockret och bildar stärkelse som utgör energin i rotknölar och frukter. I en tredje produktionslinje omvandlas sockret till aminosyror som sedan bygger upp proteiner som bildar många viktiga ämnen. Vidare bildas aromatiska oljor, steroider som ingår i fetter och hormoner, karotenoider som är ett pigment, färgämnen, samt naturgummi för att nämna några få ämnen.

ATP-produktion
Genom växternas unika förmåga att fånga sol, kan vi använda och dra nytta av ting som bomullströjor, hostmedicin, öl, trämöbler, saffransbullar, parfym, örtlikör och kortlekar. När växterna tillverkar alla dessa ämnen används den infångade solenergin som då förbrukas i en formel som är raka motsatsen till den ovan:

produktion av ATP
C6H12O6 + 6O2 ----> 6CO2 + 6H2O + 38 ATP

ATP är den energilagrande, fosforrika molekyl i växterna, som möjliggör energiutveckling under bildning av koldioxid och vatten precis som hos djur och människor.

Biologisk produktion
De mest produktiva naturliga ekosystemen är regnskogar, flodmynningar och korallrev som alla kan nå upp till en nettoprimärproduktion på 4-5000 gram per kvadratmeter och år. Uppodlade kulturlandskap kan nå 3500 gram per kvm och år men överträffar därmed inte kärr och träsk. Därnäst kommer tropisk lövfällande skog, tempererad barr och lövskog, som alla kan nå upp till en produktion på 2500 gram per kvm och år. Sedan kommer tempererade gräsmarker, områden med uppvällande havsströmmar samt sjöar och vattendrag. Ett annat sätt att se på produktion är att mäta biomassan - den totala vikten av alla levande organismer i ett ekosystem. Sådana siffror visar att effektiviteten inte är kopplad till en stor biomassa. Världens största biomassa finns i regnskogarna med närmare 800 miljarder ton medan korallrev och flodmynningar endast har en biomassa på högst 2 miljarder ton. Med hänsyn endast till biomassan skulle detta betyda att organismerna i korallrev och flodmynningar är 400 gånger effektivare producenter än regnskogarna. Nu får detta sin förklaring av att regnskogarna är fulla av - i detta sammanhang - "improduktiva" trädstammar av cellulosa, medan organismerna i korallrev och flodmynningar ständigt bildar nya och kortlivade generationer medan de gamla bryts ned och förintas utan att lämna spår efter sig.

Djuren - väktarna av det gröna guldet
Djuren kan inte binda och lagra solens energi i sin egen kropp och de kan inte producera syre. Tvärtom förbrukar de ständigt energi och förlorar värme och måste leva av växternas soljuice. För att kunna förbränna den energin behöver de använda syre, som de också fått från växterna.

Djur skiljer sig från växter genom att de endast kan utföra växternas andra kemiska reaktion, men inte den första. Djur kan inte existera utan växter - fotosyntetiserande organismer - och indirekt njuter vi av växternas talang när vi nyttjar minkpälsar, gorgonzola, fiskpinnar, ylletröjor, köttbullar, kaffegrädde, maränger och senapssill.

Samspel i kretsloppet
Liksom det finns ett samspel mellan energi och materia finns det ett samspel mellan växter och djur. Var för sig skulle de förväxa sig och utplåna sitt försörjningsunderlag. Överskott av växter äts av djur och överskott av djur orsakar ett underskott av växter vilket via svält eller andra mekanismer reducerar antalet djur till ett lägre antal som växterna förmår föda. Detta är en naturlig och oändlig process som ständigt pågår, antingen med dramatiska svängningar med stora förändringar i individantal för växter och djur, eller också mindre dramatiskt med en kurva pendlande nära medelvärdet. Denna balans råder även mellan ett rovdjur och dess bytesdjur, en fågel och dess favoritfrön, en fisk och dess älsklingsalg.

Dagsläget är att den sammanlagda växtbiomassan minskar medan den sammanlagda djurbiomassan totalt ökar. Människans biomassa är idag 30 miljoner ton. Världens biomassa av elefanter och människoapor är endast några tusendels, respektive miljondels procent av människans. Det innebär att den biologiska produktionen minskar medan konsumtionen ökar.

Ändamålsenlig konkurrens
Det räcker inte att naturen tillhandahåller resurser när många individer av en art vill utnyttja samma resurs. Det uppstår en inomartskonkurrens (Även mellanartskonkurrens förekommer men är mer sällsynt eftersom de flesta arter har en unik anpassning till sin livsmiljö vilket minimerar risken för mellanartskonkurrens). De individer som mest effektivt och uthålligt lyckas hitta och utnyttja sina resurser drar det längsta strået. De som ägnar sig åt andra saker än att söka efter skydd och föda eller gör det sämre och långsammare missgynnas och riskerar att gå under. Eftersom vilda djurarter levt på detta sätt under mycket lång tid är de flesta individer likvärdiga i överlevnadskampen då de trimmats av naturen att bli effektiva och resurssnåla. Risken för inomartskonkurrens minskar då. Mest märkbar är denna konkurrens i parningsstrider, främst mellan hanar. Det är ett av de få tillfällen då muskelkraft kan användas, men ofta räcker det med spel och uppvisning för att avskräcka en konkurrent till ett fortplantningstillfälle.

I naturen är det sällsynt att djur allvarligt skadar varandra, även då muskelkraft kommer till användning. Skador skulle missgynna individerna och även arten, speciellt hos flocklevande djur där varje individ har en viktig roll i samhället.

Torbjörn Peterson

Kommentera gärna artikeln