Wetenschap - 14 september 1995

Top-down en Bottom up in de natuur

Top-down en Bottom up in de natuur

Harense ecologen vinden patronen stabiele ecosystemen

Waarom is het ene ecosysteem stabiel en het andere niet? Een raadsel dat de bestaansgrond vormt voor het werk van ecologen. Onderzoekers van het AB-DLO lichtten onlangs in het gerenommeerde blad Science een tipje van de sluier op. De achilleshiel van ecosystemen zit niet altijd waar ze dachten dat hij zat: onopvallende, schijnbaar onbetekenende soorten kunnen soms van cruciaal belang zijn voor de stabiliteit. Nu de waaromvraag nog?


Sinds de jaren dertig verlegden veel biologen hun aandacht van individuele soorten naar hele ecosystemen. Het besef drong door dat soorten niet op zich staan, maar onderdeel zijn van een groter geheel: het ecosysteem. Als een organisme in een ecosysteem een gevoelige slag krijgt toebedeeld, heeft dat, soms ernstige, consequenties voor andere organismen.

Welke mechanismen zorgen ervoor dat een ecosysteem stabiel is en welke werken dat tegen? Daar krijgen ecologen maar moeilijk een vinger achter. Dat is jammer, want meer inzicht betekent, in potentie, betere beschermingsmogelijkheden voor ecosystemen en dus soorten. En dat heeft hoge internationale prioriteit, gezien het biodiversiteitsverdrag dat tijdens de wereldmilieuconferentie in Rio de Janeiro is ondertekend.

Inmiddels worden een aantal factoren als stabiliserend voor het ecosysteem beschouwd: het aantal groepen dat deelneemt aan ecosystemen, de frequentie van de interacties tussen soorten onderling en het aantal schakels van laagste prooien naar toppredator.

Zeeotter

Sinds de jaren zestig is ook algemeen bekend dat sommige soorten een sleutelrol in een ecosysteem vervullen. Vallen deze soorten om een of andere reden weg dan zakt het systeem als een kaartenhuis in elkaar. Een mooi voorbeeld is de zeeotter aan de kust van Alaska. Op dit charismatische dier werd ooit zo intensief gejaagd dat het met uitsterven werd bedreigd. Daardoor groeide de populatie van zijn favoriete prooi, de zeeegel, explosief. Dat was slecht nieuws voor de grote zeewiervelden en de duizenden vissen die hierin leefden. De zeeegels knabbelden aan de voet van het kelp, waardoor de enorme planten afstierven en kale visloze zeeegelwoestijnen overbleven.

Onderzoekers van het Instituut voor Agrobiologisch en Bodemvruchtbaarheidsonderzoek (AB-DLO) in Haren en de Universiteit van Noord-Colorado hebben, min of meer door toeval, ontdekt dat een relatiepatroon tussen soorten onderling verantwoordelijk is voor de stabiliteit van een ecosysteem. Vorige week verschenen de resultaten van hun onderzoek in het toonaangevende blad Science.

Dr P.C. de Ruiter, drs A.-M. Neutel en de Amerikaan J.C. Moore onderzochten micro-ecosystemen, de bijna onzichtbare bodemwereld van bacterien, potwormen, mijten springstaarten, flagellaten en aaltjes. Interessante organismen voor een landbouwinstituut, omdat ze een grote invloed hebben op de omzetting van fosfaten en stikstofverbindingen, belangrijke nutrienten voor landbouwgewassen. Het ging de onderzoekers aanvankelijk niet om het bestuderen van fundamenteel ecologische wetten, maar toen de voedselrelaties van deze beestjes eenmaal in kaart waren gebracht, bleken de data daar heel geschikt voor.

Twee jaar langs staken ze om de drie weken een spa in grond van de Lovinkhoeve - een akker in de Noordoostpolder - en namen ze monsters van de bodembeestjes. Zo bepaalden ze de aantallen waarin de organismen voorkwamen en kregen inzicht in wie wie at en in welke hoeveelheden.

De wetenschappers hebben nauwkeurig voedselwebben kunnen construeren met carnivore mijten, springstaarten en aaltjes als toppredatoren en bacterien, schimmels en vegetarische nematoden aan de basis. Dit deden ze niet alleen op de Lovinkhoeve, maar op zes locaties in de Verenigde Staten en Zweden: van intensief gebruikte akkers tot prairies.

Al de gegevens gingen in een dynamisch computermodel - een virtueel ecosysteem - en vervolgens verstoorden ze, alweer virtueel, een voor een de onderlinge relaties tussen de organismen. Ze gaven bijvoorbeeld aan dat potwormen niet langer meer aanwezig waren en keken dan wat er met het systeem gebeurde. Raakte het totaal ontwricht of kunnen potwormen worden gemist als kiespijn?

Zwakke relaties

De resultaten zijn opzienbarend. Sommige sterke interacties tussen organismen bleken er helemaal niet toe te doen. Terwijl hele zwakke relaties het hele systeem op zijn kop kunnen zetten. Het belang van soorten kan dus niet gerelateerd worden aan de energetische interacties tussen organismen. Met andere woorden, een soort die niet veel eet of niet veel gegeten wordt kan toch heel belangrijk zijn.

Uit de eerste resultaten van een vervolgstudie bleek bovendien dat, ongeacht de verstoring, steeds dezelfde soorten het loodje leggen. Ze hoeven helemaal niet betrokken te zijn in de verstoring en toch sterven ze uit.

Voor het voedselweb van de Lovinkhoeve bleken dat de carnivore springstaarten, mijten en nematoden te zijn die bovenaan in het voedselweb zitten. Onderzoeker P. de Ruiter weet echter nog steeds niet of die toppositie de verklaring voor het fenomeen vormt. Dat moet verder worden uitgezocht.

Patroon

Maar de grootste ontdekking voor de onderzoekers was dat er een patroon in de interacties zit. De organismen die onderaan in het voedselweb zitten bleken sterk beinvloed te worden door het gegeten worden, terwijl de organismen bovenin het voedselweb juist sterk beinvloed worden door het voedselaanbod. In het ecologisch jargon heet dat top down effecten aan de basis van het voedselweb, en bottom-up effecten in de hogere trofische niveaus.

Juist dit patroon van bottom-up en top down effecten in het voedselweb blijkt verantwoordelijk voor de stabiliteit van het ecosysteem, zegt wiskundig bioloog De Ruiter.

Deze ontdekking is puur het gevolg van het feit dat we gebruik konden maken van zeer nauwkeurig veldgegevens", verklaart De Ruiter. Niet eerder zijn zoveel energetische interacties tussen organismen zo precies in kaart gebracht. Dat kost namelijk veel tijd en geld." Voorheen hebben ecologen ook wel gerekend met deze modellen. Maar hun input bestond uit aannames omtrent die interacties tussen organismen. Deze komen dus niet overeen met de werkelijkheid, zeggen de DLO-onderzoekers.

Nog onbekend is waarom de interacties een dergelijk patroon aannemen. Wij zijn naarstig op zoek naar oorzaken. We hebben al een paar vermoedens. Maar deze zijn nog te prematuur om gepubliceerd te worden." Promovenda Anje-Margriet Neutel doet hiernaar een uitgebreide studie.

Een deel van het mysterie van de stabiliteit van ecosystemen lijkt door dit onderzoek opgelost, omdat een systeemeigenschap is gevonden. Dit is interessant voor ecologen die willen weten of de biologische diversititeit in ecosystemen beschermd kan worden.

De Ruiter denkt dat dit onderzoek ook van nut kan zijn voor ecotoxicologisch onderzoek. Je kan hiermee beter onderzoeken waar de gevoelige plekken zitten in het ecosysteem en welke soorten een grote kans lopen uit te sterven. Voor welke verstoringen moet je beducht zijn en voor welke niet. De achilleshiel blijkt op een andere plek te zitten dan de meeste ecologen aannemen. De organismen die ecologen nu testen op gevoeligheid voor toxische stoffen hoeven helemaal niet zo belangrijk te zijn voor het ecosysteem."

Re:ageer