Ur SLU:s kunskapsbank

Ökad koldioxidhalt i atmosfären kan påverka matens kemiska sammansättning

Senast ändrad: 30 augusti 2021
Ett ansikte gjort av frukt. Äpplen är ögon och en banan är munnen.

"Man är vad man äter" (Der Mensch ist was er isst") är ett känt citat från den tyske 1800-talsfilosofen Ludwig Feuerbach. Men är det sant? Självklart påverkar tillgången på föda oss men hur lika födan blir vi? Det går väl inte att se på folk om de är veganer eller köttätare? Den ökande koldioxidhalten i atmosfären kommer kanske att tvinga oss att fundera mer över detta. Att den leder till högre temperaturer är ju det som diskuteras mest, men kan koldioxidhalten i sig vara viktig om den också leder till att matens kemiska sammansättning ändras?

Text av Göran Ågren, professor emeritus på institutionen för ekologi

En människas kemiska sammansättning är ungefär så här: H375 000 000O132 000 000C85 700 000N6 430 000Ca1 500 000P1 020 000S206 000Na183 000K177 000Cl127 000Mg40 000Si38 600Fe2 680Zn2 110Cu76I14Mn13F13CR7Se4Mo3Co1.

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-, PO42-) 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.

 

Tre krukor med gräs. Lite, mer och mest gräs i de respektive krukorna.
Ett gräsförsök efter 53 dagar tillväxt. Kruka (0), 1.80 g, har vattnats med rent kranvatten. Kruka (x), 1.64 g. har fått strösocker tillsatt till kranvattnet och kruka (y), 2.40 g, har fått växtnäring tillsatt till kranvattnet. Foto: Göran Ågren
Figur som visar samspelet mellan kol och kväve.
Samspelet mellan kol (gula boxar) och kväve (blå boxar) vid nedbrytning av substrat med olika kväveinnehåll. I det kvävefattiga materialet med 1g kväve på 100 g kol, typiskt för nyfallna löv, konsumerar en nedbrytare detta och använder 75% av kol som energikälla och respirerar bort detta som CO2. För att upprätthålla rätt proportioner mellan kväve och kol (1:10) i biomassan måste nedbrytaren då importera 1.5 g kväve (ammonium eller nitrat) från omgivningen. När andra nedbrytare sedan livnär sig på sådana första nedbrytare så får de sig till livs ett kväverikt substrat och kan exportera ett överskott på 7.5 g kväve till omgivningen som ammonium. Detta kväve kan sedan tas upp av andra nedbrytare eller växter. Skulle det börja ackumuleras ett stort överskott av ammonium i marken så dyker specialiserade bakterier (nitrifierare) upp och lever på detta och omvandlar ammoniet till nitrat.
Man i skogen
Göran Ågren. Foto: Linnea Berglund

Mer koldioxid påverkar växter och växtätare

Till detta kommer en förhöjd temperatur som accelererar biokemiska processer, vilket ytterligare kan förskjuta de önskvärda stökiometriska proportionerna. Men hur går det då med andra ämnen än C och N, som organismerna behöver? I många fall kan växterna hantera detta genom mekanismer för att öka upptaget av dessa, t.ex. genom att modifiera pH runt rötterna eller utsöndra organisk syror som gör ämnen mer lättillgängliga. Detta är några av de utmaningar forskningen står inför när det gäller att förutse utvecklingen för jordens ekosystem och deras kapacitet att hantera och i bästa fall bromsa oönskade klimateffekter. Inte bara nedbrytarna utan även alla andra växtätare i ekosystemen kommer att påverkas av en ändring i växternas stökiometri.

Till exempel har man sett att bladätande insekter, trivs sämre på växter som odlats i förhöjd koldioxidatmosfär. Det kan bero på att bladen har fått ett lägre innehåll av kväve men även på att med mer kol att tillgå kan växterna producera ämnen (t.ex. tanniner) som skydd mot insektsangrepp. Även högre djur som älgar kan förväntas ändra sitt val av växter att äta eller äta mer av växterna för att få tillräckligt med kväve (proteiner).

Sämre vete och ris

På samma sätt kan det bli ett problem att vanliga jordbruksgrödor som vete och ris blir av lägre kvalitet (lägre proteinhalt eller kvävehalt och lägre halter av viktiga mineraler som järn och zink), men åtminstone i rika länder kan man förmodligen balansera med större givor av gödsel och en köttrikare diet. Den ökade koldioxidhalten i atmosfären påverkar också klimatet, vilket har stor betydelse för jordbruksproduktionen och gör detta till ett mycket komplext problem. För att bromsa ökningen av koldioxid har det föreslagits att man ska lagra in kol i jordbruksmark. Detta går att göra, men går det att göra utan att samtidigt lagra in andra ämnen som kväve och varifrån skall dessa i så fall tas?

Nya kostråd?

Hade då Feuerbach rätt i sitt påstående? Nej, vi ska nog vända på begreppen. Vi blir inte vad vi äter, utan vi äter det vi behöver för att bli det evolutionen skapat oss till. Redan 1896 skrev Hagdahl i sin bok ”Kok-konsten som vetenskap och konst” om betydelsen av att balansera kol- och kväverika ingredienser i människan diet även om han inte utrycker det riktigt i de termerna. Framtiden kanske kommer att leda till nya kostråd för att balansera den ökande tillgången på kol i atmosfären. Kanske behöver vi göra mer än att bara jodberika salt?

 

Fakta:

Stökiometri, (från grekiskans stoikheion, grundämne, och metrein, mäta)
Wikipedia


Kontaktinformation

Göran Ågren, professor emeritus
Institutionen för ekologi
018672449
goran.agren@slu.se

Sidansvarig: anna.lundmark@slu.se