De wereld is geen kastomaat

Mens en plant zijn het perfecte stel. Planten vreten kooldioxide (CO2) en stoten zuurstof uit. Dat is een agressief en schadelijk gas, maar van levensbelang voor de mens. De mens (en al wat ademt) leeft op zuurstof. Hij ademt CO2 uit, wat voor hem een afvalproduct is, maar voer voor de plant. In de loop van de evolutie hebben de twee vervuilers elkaar gevonden.

Nu wordt CO2 door de mens niet alleen uitgeademd maar ook uitgestoten, en sinds de industriële revolutie in zulke grote hoeveelheden dat het klimaat erdoor verandert. Die uitgestoten CO2 zal deels worden weggegeten door planten. In de modellen waarmee het broeikaseffect wordt voorspeld, wordt ervan uitgegaan dat een stijgende CO2-concentratie in de atmosfeer planten harder doet groeien. Een logische aanname. Er gingen dan ook heel wat wetenschappelijke wenkbrauwen omhoog toen onderzoekers van de universiteit van Minnesota in de VS een paar weken geleden meldden dat die aanname niet klopt, misschien.

De Amerikaanse onderzoekers hadden een veldexperiment gedaan waarin planten in de volle grond en de open lucht extra CO2 kregen. En dat gedurende twintig jaar! Een bizar experiment: je vindt in de wetenschap zelden financiering voor een veldproef van twintig jaar om een effect aan te tonen dat iedereen kent. Een effect dat de onderzoekers in de eerste jaren ook keurig waarnamen: extra CO2 bevordert plantengroei. Maar na enkele jaren veranderde er iets: planten die sneller waren gaan groeien door de extra CO2 stopten daarmee, en planten die aanvankelijk niet op die extra CO2 hadden gereageerd begonnen sneller te groeien.

De Amerikaanse onderzoekers kunnen hun resultaten niet verklaren. Ze hebben in het veldexperiment misschien iets over het hoofd gezien. Maar áls hun resultaten kloppen, kan dat flinke gevolgen hebben voor klimaatmodellen waarmee de hele wereld rekent. Daarom de vraag: wat weten we eigenlijk van de reactie van planten op een stijgend CO2-gehalte in de atmosfeer?

Die vraag ligt op tafel in een gesprek met twee onderzoekers van Wageningen Universiteit, de Noord-Ier Jeremy Harbinson en de Chinees Xinyou Yin, beiden zijn al meer dan een kwart eeuw verbonden aan Wageningen.

Extra groei

Van de voedende werking die CO2 heeft op planten wordt dankbaar gebruik gemaakt in de kastuinbouw; CO2 wordt in de kassen gespoten als meststof. Maar let op, zeggen Harbinson en Xinyou Yin, dat is een bijzonder geval. "Een kas vol tomaten is zo'n beetje het best gecontroleerde plantensysteem ter wereld. Het is niet te vergelijken met een veld tarwe, laat staan een bos." In die kas kan extra CO2 voor groei zorgen, omdat de planten er niets tekort komen. Onder natuurlijke omstandigheden is dat zelden het geval. Daar zijn, behalve CO2 tal van factoren die grenzen stellen aan de plantengroei: zoals water, licht, warmte en stikstof.

De kasplant kan optimaal profiteren van extra CO2 omdat hij voldoende heeft van alle andere factoren. Neem daarentegen een woestijnplant; die zal aan extra CO2 niets hebben, want water is zijn probleem, niet de hoeveelheid CO2. Natuurlijke systemen zitten al zo dicht aan de grenzen van hun kunnen, dat extra CO2 minder effect heeft dan bij landbouwgewassen.

Het gaat misschien tegen de intuïtie in, zegt Harbinson, maar de mens kent dit verschil ook: "Stel, je woont op een eiland, ver uit de kust, met maar één winkel. En iemand geeft je duizend euro. Mooi gebaar, maar je kunt er niet zo veel mee. Sta je in het centrum van Londen dan kun je met die duizend euro vele kanten op."

Je moet heel veel gedetailleerde informatie hebben over planten, hun omgeving, en de beperkende factoren voor hun groei, wil je iets kunnen zeggen van een globaal effect van meer CO2 op plantengroei. We hebben op school geleerd dat planten eenvoudig zijn, veel simpeler dan dieren. Maar het tegendeel is waar, zeggen de Wageningse onderzoekers: planten zijn waanzinnig complex.

Het wetenschappelijk onderzoek richt zich vooral op de landbouw, want die staat voor de uitdaging een omvangrijke en groeiende wereldbevolking te voeden. En voor een hoogtechnologische landbouw als de Europese zijn de effecten van het broeikasgas CO2 redelijk te voorspellen. Maar in Noord-Amerika of Australië wordt dat al moeilijker, zegt Xinyou Yin, omdat de landbouw er minder intensief is en het klimaat anders. En voorspellen wat CO2 doet met een tropisch bos, is met de huidige kennis vrijwel onmogelijk.

Energie uit zonlicht

Daarbij komt een fundamentele tweedeling in de plantenwereld, die zo'n 30 miljoen jaar geleden in gang werd gezet. Toen ontwikkelde zich een nieuwe methode van fotosynthese. Fotosynthese is het proces waarmee planten energie halen uit zonlicht en met die energie uit CO2, water en nog wat andere ingrediënten hun bouwstoffen maken. Het is de basis van het leven op aarde, waaronder het onze want wij kunnen niet zelf op zonlicht groeien.

Fotosynthese is een verbazingwekkend complex mechanisme, maar het resultaat is eenvoudig: uit CO2 worden suikers gemaakt. CO2 bevat 1 koolstofatoom, de suiker die wordt gevormd - glucose - heeft er 6. En de meeste planten bouwen glucose door eerst twee helften met 3 koolstofatomen te maken. Ze heten daarom C3-planten.

Maar zo'n 30 miljoen jaar geleden kwamen er planten op die CO2 eerst vastlegden in moleculen met 4 koolstofatomen: de C4-planten. Maïs en gierst behoren tot deze groep, net als vele grassen en onkruiden. De C4-planten vertegenwoordigen 3 procent van de plantensoorten, en zijn daarmee een kleine minderheid. Maar wel een succesvolle minderheid, want ze maken 25 procent van al het plantaardig materiaal op aarde. En ze heersen vooral in de tropische gebieden.

Wat de evolutie van C4-planten in gang heeft gezet is nog niet helemaal opgehelderd, maar de meest waarschijnlijke oorzaken zijn: hoge temperatuur, weinig water én een dalend CO2-gehalte in de atmosfeer. In de afgelopen 60 miljoen jaar is het CO2-gehalte van de aardse atmosfeer gehalveerd tot het huidige niveau. En dat heeft planten geen goed gedaan.

We krijgen uit alle broeikasberichten in de media de indruk dat de lucht vol zit met CO2, maar eigenlijk is het een zeldzaam gas, zeggen Xinyou Yin en Harbinson. "Het gaat om parts per million; in de atmosfeer zitten zo'n 400 delen CO2 op een miljoen delen lucht! Als iemand je een biertje voorzet met zo'n alcoholpercentage, eis je je geld terug", roept de Noord-Ier.

Geweldige truc

De plant moet echt zijn best doen om de CO2 die hij nodig heeft uit de lucht te halen. De fotosynthese waarmee hij dat doet is een keten van chemische reacties die wordt aangedreven door enzymen. Enzymen zijn de makelaars van chemische reacties, ze nemen er zelf niet aan deel. Het is ook een enzym, bekend onder de naam Rubisco, dat het CO2 de plant in lokt.

Probleem is dat Rubisco niet alleen affiniteit heeft met CO2, maar ook met zuurstof, een gas waar de plant niets van moet hebben. Als de verhouding tussen zuurstof en CO2 in de lucht verandert ten koste van de laatste, daalt de efficiëntie van de fotosynthese. De plant is eigenlijk helemaal niet zo subliem in het benutten van CO2, zegt Xinyou Yin, en dat gaat ze merken als de CO2-concentratie daalt, zoals de afgelopen 60 miljoen jaar is gebeurd.

C4-planten hebben daarop een geweldige truc gevonden: ze slaan CO2 in geconcentreerde vorm op in daartoe ontwikkelde bladcellen. "Ze hebben een soort turbo-lader", zegt Harbinson, "die de fotosynthese aanjaagt." Trucs hebben hun prijs, en dat geldt ook voor deze, want hij kost de plant energie. Als er veel CO2 is en de temperaturen zijn gematigd, levert de truc te weinig voordeel op om die kosten goed te maken. Maar komt er minder CO2 en zijn de temperaturen hoog, dan is C4 in het voordeel. Vandaar dat deze planten, veelal grassen, het in de tropen goed doen, en dat ze hun opmars hebben gemaakt sinds de CO2-concentraties in de atmosfeer zijn gaan dalen.

Als de CO2-concentraties weer gaan stijgen, wat door toedoen van de mens nu het geval is, zou het voordeel van C4-planten weer moeten verdampen. Maar dat is niet wat de Amerikaanse onderzoekers zagen gebeuren. Integendeel: na verloop van enkele jaren was het stimulerend effect van CO2 op C3-planten uitgewerkt, maar kwam het bij C4-planten juist op gang. Dat eerste is voorstelbaar; door extra CO2 raken planten op een gegeven moment verzadigd en wordt hun groei niet verder aangewakkerd. Maar het tweede is onverwacht, en vooralsnog onverklaarbaar.

Stikstof

"Je kunt allerlei verklaringen bedenken. De extra CO2 kan een secundair effect hebben gehad dat de eerste groeispurt weer remt", zegt Xinyou Yin. "Maar het blijft speculeren omdat cruciale metingen ontbreken." Het enige dat de Amerikaanse onderzoekers konden ontdekken was een variatie in de hoeveelheid stikstof in de bodem. Dat is inderdaad een belangrijke groeifactor, zeggen de Wageningse onderzoekers, en het kan de beperkende factor worden als CO2 dat niet is. Maar waarom die stikstof in het experiment zo varieerde terwijl al die plantensoorten vlak bij elkaar stonden, is volstrekt onduidelijk.

Er steekt niettemin een belangrijke les in, zeggen de Wageningers. Onderzoek als dit laat nog eens zien dat voorspellingen er flink naast kunnen zitten, en dat simpele modellen niet werken. Harbinson: "De effecten van CO2-uitstoot op de landbouw is onze eerste zorg, en dat is logisch. Maar als natuurlijke systemen heel anders gaan reageren dan wij denken, kan dat ook voor de mens verstrekkende gevolgen hebben. Iedereen gaat er steeds van uit dat planten de extra CO2 goeddeels opnemen. Als dat effect kleiner is dan gedacht, worden ook de klimaatvoorspellingen anders."

De individuele plant is al ingewikkeld, en daar komt in de natuur een hele ecologie bij van gemeenschappen van planten, bacteriën en schimmels in de bodem et cetera. En die laat zich lastig voorspellen. Het is een complexe wetenschap, maar ook een mooie. Harbinson: "De natuur werkt niet zoals de tomaten in onze kassen. Gelukkig maar; het zou een saaie wereld zijn."

Lees ook: DSM-topman: Tegen uitstoot van CO2 helpt alleen een fikse prijskaart

De weerzin tegen het beprijzen van broeikasgassen verdwijnt, ziet DSM-baas Feike Sijbesma.