Trofisch niveau: hoe technologie de voedselketen in kaart brengt
Stel je een vijver voor. Onderin drijven algen die energie uit zonlicht halen. Een watervlo eet die algen op. Een stekelbaars eet de watervlo. En een reiger grijpt uiteindelijk de stekelbaars. Elke stap in dit rijtje is een trofisch niveau: een positie in de voedselketen, bepaald door wat een organisme eet en door wat het op zijn beurt weer wordt gegeten. Algen staan onderaan, de reiger bovenaan.
Ecologen gebruiken trofische niveaus om te snappen hoe energie en voedingsstoffen door een ecosysteem stromen, en om te meten of dat ecosysteem gezond is. Dat klinkt misschien als klassieke biologieles, maar het is inmiddels ook een kwestie van satellieten, DNA-analyse en supercomputers. Wetenschappers gebruiken steeds geavanceerdere technologie om trofische niveaus te meten op een schaal die vroeger ondenkbaar was: van een enkele vis tot de complete oceaan.
Wat is het precies?
Het trofisch niveau van een organisme is in feite een getal dat aangeeft hoeveel stappen het van de zon verwijderd is. Planten en algen, die zelf energie maken via fotosynthese, krijgen niveau 1. Dieren die planten eten (herbivoren) krijgen niveau 2. Dieren die op hun beurt die herbivoren eten (carnivoren) krijgen niveau 3, enzovoort.
In werkelijkheid eten de meeste dieren niet één ding, maar een mengsel van prooien op verschillende niveaus. Een snoek eet zowel kleine visjes als grotere roofvissen. Daarom wordt het trofisch niveau meestal berekend als een gewogen gemiddelde: als een snoek voor 70 procent op niveau 3 vist en voor 30 procent op niveau 4, komt zijn eigen niveau uit op ongeveer 3,3. Dat verklaart waarom trofische niveaus in de praktijk kommagetallen zijn, geen hele getallen.
Om die getallen daadwerkelijk vast te stellen, bestaan er verschillende methoden. De klassieke manier is maaganalyse: onderzoekers bekijken wat een dier daadwerkelijk gegeten heeft. Dat is arbeidsintensief en geeft alleen een momentopname. Sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw bestaat een preciezere techniek: stabiele-isotopenanalyse. Stikstof komt in de natuur voor in twee vormen (isotopen), stikstof-14 en het iets zwaardere stikstof-15. Bij elke stap in de voedselketen stapelt het zwaardere stikstof-15 zich relatief iets meer op in het lichaam van de eter dan bij de prooi. Door de verhouding tussen beide isotopen in weefsel te meten, kunnen onderzoekers vrij nauwkeurig berekenen hoe hoog een dier in de voedselketen zit, zonder dat ze ooit hoeven te zien wat het gegeten heeft.
Recenter is daar eDNA (environmental DNA) bijgekomen: sporen van DNA die dieren achterlaten in water, bodem of ontlasting. Door dat DNA te sequencen en te vergelijken met genetische databases, kunnen onderzoekers reconstrueren welke soorten in een gebied leven en, gecombineerd met bestaande kennis over hun dieet, hoe het voedselweb er ongeveer uitziet — zonder dieren te hoeven vangen of doden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het bewaken van de gezondheid van ecosystemen, met name in zee. Wanneer vissers stelselmatig de grotere roofvissen wegvangen, verschuift de gemiddelde visvangst naar lagere trofische niveaus: er worden relatief meer kleine, snelgroeiende soorten gevangen. Deze trend, bekend als fishing down the food web (het "afvissen" van de voedselketen), is een vroeg waarschuwingssignaal dat een ecosysteem uit balans raakt, vaak nog voordat individuele visbestanden zichtbaar instorten.
Trofische niveaus worden daarom gebruikt als indicator voor beleid: ze helpen overheden en internationale organisaties bepalen of visserij duurzaam is, welke quota redelijk zijn, en waar natuurbescherming nodig is. Ook in landbouw, natuurbeheer en klimaatonderzoek helpt het concept om te voorspellen hoe een ecosysteem reageert als je er één schakel uit haalt, bijvoorbeeld door het uitsterven van een soort of de introductie van een invasieve soort.
Daarnaast speelt trofisch niveau een rol in gezondheidsonderzoek: stoffen zoals kwik en pcb's stapelen zich op naarmate je hoger in de voedselketen komt (bioaccumulatie). Roofvissen als tonijn en zwaardvis bevatten daardoor meer van deze stoffen dan kleine vissen zoals sardines, wat direct te maken heeft met hun trofisch niveau.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de invloedrijkste studies op dit gebied is die van visserijbioloog Daniel Pauly, die in 1998 in het tijdschrift Science het artikel "Fishing Down Marine Food Webs" publiceerde. Op basis van wereldwijde visvangstgegevens liet hij zien dat het gemiddelde trofisch niveau van de mondiale visvangst sinds de jaren vijftig geleidelijk daalde, een teken dat grote roofvissen overbevist raakten en de visserij zich noodgedwongen verplaatste naar lagere niveaus in de voedselketen.
Die studie vormde mede de basis voor de Marine Trophic Index, een indicator die door de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties (FAO) is ontwikkeld en die in het kader van het internationale Verdrag inzake Biologische Diversiteit is gebruikt om de staat van mariene ecosystemen wereldwijd te volgen.
Het onderzoeksproject Sea Around Us, gehuisvest aan de University of British Columbia in Canada en mede opgezet door Pauly, bouwde een omvangrijke database met historische visvangstgegevens per land en per soort, inclusief geschat trofisch niveau. Deze data worden wereldwijd gebruikt door onderzoekers en beleidsmakers om visserijtrends te analyseren.
Voor het modelleren van complete voedselwebben gebruiken ecologen wereldwijd de software Ecopath with Ecosim, oorspronkelijk ontwikkeld in de jaren tachtig door visserijonderzoeker Jeffrey Polovina en later uitgebreid door Carl Walters en Villy Christensen. Met dit model zijn inmiddels honderden ecosystemen doorgerekend, van de Noordzee tot de Stille Oceaan, waarbij trofische niveaus de ruggengraat vormen van de berekeningen.
Op soortniveau houdt de database FishBase, een vrij toegankelijk naslagwerk met gegevens over tienduizenden vissoorten, voor vrijwel elke soort een geschat trofisch niveau bij, gebaseerd op dieetstudies en isotopenonderzoek uit de wetenschappelijke literatuur.
Hoe ver is de techniek?
Het concept trofisch niveau zelf is al decennia oud en wetenschappelijk goed gefundeerd: de basis werd gelegd door ecoloog Raymond Lindeman in de jaren veertig van de vorige eeuw. Wat de afgelopen decennia echt vooruitgang heeft geboekt, is de manier waarop we het meten.
Stabiele-isotopenanalyse is inmiddels een volwassen, veelgebruikte techniek in laboratoria wereldwijd en wordt beschouwd als betrouwbaarder dan traditionele maaganalyse, al blijft het een indirecte schatting met een onzekerheidsmarge. eDNA-metabarcoding is jonger en ontwikkelt zich snel, maar kampt nog met beperkingen: het zegt vooral iets over welke soorten aanwezig zijn, minder direct over wie precies wat opeet, en resultaten kunnen worden vertekend door hoeveel DNA een soort toevallig achterlaat.
Ook satellietwaarnemingen van de oceaankleur, die iets zeggen over de hoeveelheid algen (en dus de basis van de voedselketen), worden steeds fijnmaziger, maar het omzetten van die gegevens naar betrouwbare informatie over hogere trofische niveaus — vissen, zeezoogdieren — blijft complex en indirect. Het grootste obstakel is en blijft dat een compleet, nauwkeurig beeld van een voedselweb enorme hoeveelheden veldwerk en data vergt, en dat modellen altijd vereenvoudigingen van de werkelijkheid zijn. Er is dan ook geen doorbraak te verwachten die het onderwerp in één klap "oplost": de vooruitgang is geleidelijk, verspreid over veel deeldisciplines.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar trofische niveaus is sterk internationaal en verdeeld over universiteiten, overheidsinstanties en internationale organisaties. De FAO speelt een centrale rol in het vaststellen van mondiale visserij-indicatoren. De University of British Columbia in Canada is met het Sea Around Us-project en de ontwikkeling van Ecopath with Ecosim een van de belangrijkste centra voor voedselwebonderzoek ter wereld.
In de Verenigde Staten houden NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) en NASA, dat satellieten voor oceaanwaarneming beheert, zich bezig met respectievelijk visserijbeheer en het monitoren van de productiviteit aan de basis van de voedselketen. In Europa doet het Europees Ruimteagentschap (ESA) vergelijkbaar satellietwerk, terwijl talloze mariene onderzoeksinstituten, waaronder in Nederland onder meer Wageningen Marine Research en het NIOZ (Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee), lokaal en regionaal voedselweb- en isotopenonderzoek uitvoeren.
Daarnaast dragen talloze universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd bij aan de ontwikkeling van eDNA-technieken, van Europa tot Australië en Noord-Amerika, vaak in samenwerking met natuurbeschermingsorganisaties die de technologie inzetten voor praktisch beheer van beschermde gebieden.