Ökad koldioxidhalt i atmosfären kan påverka matens kemiska sammansättning

Text av Göran Ågren, professor emeritus på institutionen för ekologi

En människas kemiska sammansättning är ungefär så här: H_{375 000 000}O_{132 000 000}C_{85 700 000}N_{6 430 000}Ca_1 500 000P_1 020 000S_206 000Na_{183 000}K_177 000Cl_127 000Mg_40 000Si3_8 600Fe_2 680Zn_{2 110}Cu₇₆I₁₄Mn₁₃F₁₃CR₇Se₄Mo₃Co₁.

Det vill säga vi består främst av väte (H), syre (O) och kol (C). Väte och syre kan vi få från vatten men övriga ämnen måste komma från maten. Att proppa i sig energikällor som socker eller fett, som bara innehåller C, H och O, men saknar den långa svansen av övriga ämnen förklarar tydligt begreppet ”tomma kalorier”; ett exempel på nödvändigheten att balansera grundämnena.

Ekologisk stökiometri - livets kemi

Inom ekologin har en gren, ekologisk stökiometri, börjat utvecklas. Den ser till hur den kemiska sammansättningen hänger ihop med organismers utveckling och födorelationer mellan organismer. Detta har fått stor betydelse för förståelsen av grundämnenas kretslopp i naturen eftersom många ämnens kretslopp är kopplade till varandra. Alla grundämnen kan bara fördelas mellan organismerna i ekosystemen medan den totala mängden sätter ett obönhörligt tak för hur stora organismerna kan bli. Eftersom ekologisk stökiometri handlar om var i ekosystemen olika ämnen befinner sig så blir förståelsen av ämnenas rörelser en fråga om massbalanser. I en värld med snabbt föränderligt klimat, ökande temperaturer, högre halt av koldioxid i atmosfären samt högre kvävedeposition kommer förskjutningar i stökiometrin i ekosystemen att leda till svåröverskådliga konsekvenser.

Viktigt med rätt proportioner

Växter behöver till exempel kol, syre, väte och ytterligare 16 - 17 grundämnen, främst kväve och fosfor för att fungera och kunna växa. Men grundämnena måste fås i rätta proportioner. För varje kväveatom behövs ungefär hundra kolatomer hos växter. Bakterier och svampar i marken(nedbrytarna), som skall leva på döda växtdelar behöver däremot bara tio kolatomer för varje kväveatom. Här finns ett uppenbart obalansproblem. Hur nedbrytarna hanterar detta kommer vi tillbaka till. Det är lätt att förstå att brist på ett ämne kan ställa till problem men överskott är inte heller bra eftersom det måste hanteras så det inte blir giftigt. De rätta proportionerna mellan grundämnena är därför viktiga för organismers välmående. Växter är rika på kalium, men fattiga på natrium medan djur och människor har det omvända förhållandet. Det löser vi lätt genom att salta maten medan älgar och renar kan söka sig till vägarna om vintrarna för att slicka i sig vägsalt eller plumsa ut i sjöar efter natriumrika växter som näckrosor och elefanter kan vandra långa sträckor för att hitta saltrika grottor.

Växternas behov är komplicerade

Man har länge förstått att växters behov av näringsämnen (kväve, fosfor, kalium mm) kräver att dessa är tillgängliga i rätta proportioner. I början på 1800-talet formulerade de tyska agronomerna Carl Sprengel och Justus von Liebig, vad som skulle komma att kallas Liebigs minimilag, som säger att den faktor som är i minimum bestämmer tillväxten. Det är emellertid mer komplicerat än så, för de nödvändiga proportionerna mellan ämnena beror bland annat på hur stor tillväxthastigheten är. Ju högre den är desto mera fosfor krävs i förhållande till kväve. Det här gäller inte bara för växter utan åtminstone vissa kräftdjur (dafnier) men om det även gäller högre djur är okänt. Vi förstår orsaken till detta hos växter: Proteiner sköter fixeringen av kol från koldioxiden i luften, vilket svarar för tillväxten. Proteiner är kväverika och produceras i växternas ribosomer, som är fosforrika. Detta kan liknas vid en fabrik som får sina maskiner (proteinerna, N) från en annan fabrik (ribosomerna, P) för att producera biomasssa (C). Rent matematiskt visar det sig nu att ju fortare växten skall producera biomassa, desto mer N behöver den och för att få N behöver den P och behovet av P ökar fortare än N. Hur det är med övriga grundämnen är inte så väl känt ännu och inte heller vilka mekanismer som reglerar kraven på stökiometrin. Växter har också olika strategier för hur de skall förhålla sig till tillgången på näringsämnen (andra grundämnen är C, H och O). Snabbväxande växter hittar vi bara i näringsrika ekosystem. I näringsfattiga ekosystem måste växterna klara sig med mindre mängder men i gengäld håller de fast vid dem under längre tid och kan på så sätt hinna producera stor biomassa. Växtarter har genom evolutionen utvecklat olika strategier för stökiometriska relationer för att klara sig i konkurrensen med andra arter; i ekologers jargong, de har hittat olika nischer.

Icke-gödslade ekosystem

I icke-gödslade ekosystem försörjs växterna med näringsämnen genom att svampar och bakterier (nedbrytare) bryter ner döda växtdelar i marken och frigör näringsämnena (bild 2). Här är stökiometrin viktig. Döda växtdelar innehåller relativt mer kol än de övriga näringsämnen som nedbrytarna behöver. Nedbrytarna löser detta på två sätt; dels bränner de bort en del kol för att få energi till sina metaboliska processer och dels kan de ta upp näringsämnen (NH₄⁺, NO₃^-, PO₄^2-) som andra nedbrytare frigjort. Bakterierna tycks dessutom ha ett skydd mot övervikt, för skulle det bli ett överskott av kol så lägger de inte detta på hullet utan skruvar upp sin metabolism och bränner bort överskottet. När sedan nedbrytare dör och blir till substrat för andra nedbrytare, så skapar det ett substrat med hög koncentration av näringsämnen jämfört med döda växtdelar, så att när andra nedbrytare konsumerar detta substrat så innehåller det ett överskott av näringsämnen som frigörs.

Ökad koldioxidhalt - mer kol men...

Den ökade koldioxidhalten i luften förser växterna med mera kol, men detta leder till att nedbrytarna får ett substrat som blir relativt fattigare på andra ämnen. Som en följd kommer frigörelsen av näringsämnena att fördröjas och växternas försörjning med dessa att försämras så de kan inte bara växa och lösa problemet med ökande koldioxidhalter. Växterna har emellertid en motåtgärd att ta till. När halten av kväve i växten sjunker, så allokerar de om sin tillväxt så att mer rötter produceras, vilket gynnar upptaget av näringsämnen i konkurrensen med markens mikroorganismer och kretsloppet mellan växter och nedbrytare kan återställas. Kan då inte den ökade kvävedepositionen balansera den höjda koldioxidhalten? Jo, det skulle den kunna om de två ökningarna sker i rätt förhållande. Ökar kvävedepositionen för mycket så klarar inte växterna av att ta hand om allt utan ett överskott kommer att läcka ut (kvävemättnad, brist på andra ämnen än kväve). Detta leder också till ett stökiometriskt problem. Överskottskvävet läcker ut som den i vatten lättlösliga nitratjonen (NO₃^-). Eftersom den är negativt laddad så drar den med sig positivt laddade joner som Ca²⁺ och Mg²⁺, vilket nu kan leda till en obalans mellan kväve och dessa grundämnen. Ett annat problem är att medan mera koldioxid fördelas jämt över jorden så är kvävenedfallet mycket ojämnt fördelat med mycket höga nedfall i Västeuropa, nordöstra Nordamerika och ett bälte från Indien till sydöstra Kina.

Viktig balans mellan kol och andra grundämnen

Betydelsen av balansen mellan kol och andra grundämnen belyses i en nyligen publicerad studie, där man analyserat hur en förhöjning av luftens koldioxidhalt i 108 experiment påverkar kolförrådet i växter och mark. Mera koldioxid ledde alltid till större kollager i växterna men i vissa fall minskade kollagret i marken och ibland så mycket att för hela ekosystemet, växter plus mark, blev det en kolförlust. Hur förklarar då författarna detta? Jo, med de mekanismer som jag just beskrivit. När växterna fick mer kol, så behövde de också mera kväve och för att få detta kväve allokerade de mera kol till symbiotiska svampar och bakterier i marken så att dessa fick energi att bryta ner organiska kolföreningar i marken och frigöra det kväve som var bundet till kolet. Men det betyder också att kol förlorades som koldioxid.

Jag är inte säker på att vi förstått allt som skett i dessa experiment för normalt betyder en förflyttning av kväve från marken till växter en ökning av kolförrådet i ekosystemet eftersom varje enhet kväve binder mer kol i växter än i marken. Vad de visar är dock att en ökning av atmosfärens koldioxidhalt kan trigga igång för oss okända och oönskade förlopp.

Försök med gräs i krukor

Följande lilla försök (Bild 1) kan illustrera betydelsen av stökiometri. I tre krukor med vanlig planteringsjord såddes gräsfrö. En kruka (0) vattnades bara med kranvatten medan de två andra krukorna (x) och (y) fick olika tillsatser i vattnet. Efter 53 dagar skördades gräset. I krukan med bara vatten (0) vägde gräset 1.80 g, i krukan med (x) 1.64 g och i krukan med (y) 2.40 g. Vad hade då tillsats till vattnet? Tillsatsen (y) var förstås vanlig växtnäring, som hade givit gräset kapacitet att växa mer för i en så här liten kruka med gräs är tillgången på koldioxid ingen begränsning. Tillsatsen (x) var inget gift utan vanligt strösocker. Det som hände i den här krukan var att nedbrytarna i jorden fick tillgång till en god kolkälla men för att upprätthålla sin stökiometri snodde de åt sig näringsämnen som gräset annars skulle fått. Gräset förlorade i konkurrensen med nedbrytarna om näringsämnena i marken.