Význam cyklu železa v ekosystému

Všechen život na Zemi je vlastně koloběh uhlíku: Rostliny fotosyntézou vyrobí z CO2 složité sloučeniny a do nich uloží energii světla.

Ta pak slouží jim samým a všem dalším organismům k pohánění životních procesů. Až se vyčerpá, zbude ze všech těch miliónů pestrých uhlíkatých látek zase jen oxid uhličitý.

Ekologie tak říká: "pomni, žes CO2 byl a v CO2 se obrátíš". Celý cyklus trvá různě dlouho. Současný problém, který se řešil a nevyřešil v Haagu, spočívá v tom, že se lidstvo vložilo do posledního jednání cyklu, který začal před zhruba třemi sty milióny lety.

Tehdy se uhlík a energie světla uložily do rostlin, vzniklo z nich uhlí a my si jeho spálením dnes přisvojujeme skrytou energii, přičemž CO2 pouštíme do vzduchu jako odpad.

O tom, zda stejným způsobem vznikla nafta a zemní plyn - zda se uložily díky dávným organismům nebo geologickým procesům - se stále vedou diskuse, ale v každém případě v nich jsou uhlík a energie uloženy neméně stejně dlouho jako v uhlí a teprve "člověk pohodlný" dnes žádá jejich energii a zase vypouští oxid uhličitý.

Čtěte také: Siderofory a ekosystém

Lidé rychle uvolnili procesy vzniklé v geologickém - tedy nesmírně dlouhém - čase, a nyní volají na pomoc ekologii, aby jejich situaci vyřešila v reálném čase. Není to příliš nadějné.

Samozřejmě, rostliny stále odčerpávají CO2 ze vzduchu a vyrábějí z něj organické látky obsahující energii. Jenže cykly, které z těchto látek nazpět produkují CO2, jsou pro řešení problému příliš krátké.

Uhlík uložený do úrody na poli se díky lidem a zvířatům, která z plodin čerpají energii, vrací zpět v rozmezí okolo dvou let. Přežvýkavci ho navíc část přemění na methan (CH4), který je pro skleníkový efekt ještě horší než CO2.

Totéž platí pro pastviny, na nichž se jen malá část uhlíku uloží dlouhodobě do humusu. Na řešení stoupajícího obsahu CO2 ve vzduchu se navrhovalo vysadit les.

Je pravda, že vysazený nový les váže v prvních letech část uhlíku do dřeva, jehož cyklus lze měřit na desítky nebo třeba i stovky let. Avšak jakmile les dosáhne rovnovážného stavu, kterému se říká klimax, je příjem a výdej uhlíku vyvážený.

Čtěte také: Jak funguje koloběh uhlíku?

I les tedy představuje jen krátkodobé řešení. Delší zadržení uhlíku vázaného lesem stejně jako polem může člověk podpořit použitím jeho produkce jako trvalého technického materiálu, ale - dřevo, bavlna a celulóza chráněné před přirozeným rozkladem vydrží sice teoreticky dlouho, ale v moderní společnosti je jejich obrat také velmi rychlý.

Nakonec je spálíme nebo necháme rozložit - a CO2 je opět ve vzduchu. Podstatně déle může uhlík zadržet rašelina. Jenže člověk ji těží, spaluje či jinak využívá, čímž situaci zhoršuje.

Stejně působí kultivace lesních půd zejména v tropech, neboť uvolňuje uhlík z humusu. Jaké řešení tedy zbývá?

Vyskytnul se také projekt zvýšit produkci řas v moři přidáním železa, jehož nedostatek je limitujícím faktorem pro množství fotosyntetizujících organismů. Jenže ty stojí na počátku celého cyklu složitého potravního řetězce.

Co se s nimi bude dít dál? Stanou-li se kořistí živočichů a bakterií, uhlík se zase rychle vrátí. Jedině uložení do hlubinných sedimentů by mohlo pomoci. Dojde k němu?

Čtěte také: Kyslík v přírodě

Projdeme-li všechny návrhy na odstranění CO2 ze vzduchu ekologickou cestou, skončíme u učebnicové kapitoly o uhlíku: čistou formu tvoří diamant nebo méně atraktivní tuha, ale nejvíce je ho skryto v uhličitanech - a tím už se opět dostáváme k ekologii.

Nejběžnější uhličitan, po kterém šlapeme na chodníku a ze kterého Řekové vytesali Venuši, totiž představuje vápenec. Vznikl díky živým organismům - z mořského planktonu a korálů.

Dobře se na něj podívejme, protože je to forma, do které lze oxid uhličitý uložit téměř na trvalo. Pokud by hnojení moře železem vedlo k množení organismů s vápencovými schránkami a pokud se podaří zachránit korály, mohla by ekologie pomoci.

Po studeném létu loňského roku zní hyperbola oceánografa Johna H. Martina z kalifornských Moss Landing Marine Laboratories „Dejte mi plný tanker železa a vyvolám vám dobu ledovou“ jako výhrůžka teroristy. Nešlo mu o loď plnou šrotu, ale o možnost dodat do oceánů železo v podobě podporující růst planktonických řas.

Ovšem počátkem devadesátých let, kdy v masmédiích řada klimatologů bila na poplach z obavy z globálního oteplování, to byla naděje. Dokonce příslib podložený teoretickými předpoklady.

Riziko, že růst koncentrace skleníkových plynů vyvolá globální oteplení, které by mohlo vést mimo jiné k rozšiřování pouští a tání ledovců, doprovázenému zaplavením přímořských nížin, stále existuje.

Zastánci Lovelockovy hypotézy Gáia mohou věřit, že homeostatické mechanizmy biosféry nedopustí takové klimatické změny, které by ohrozily existenci života na Zemi.

Ovšem historie života na Zemi ukazuje, že „Gáia“ občas uřezává větve svým dětem i sama. Někdy před 2,5 - 2 miliardami let se začala vehementně prosazovat efektivní fotosyntéza, při které se ukládají odpadní elektrony do kyslíku.

Když „superorganizmus Gáia“ přecházel díky této inovaci z „larválního stadia“ s atmosférou téměř bez kyslíku do vyzrálejšího ontogenetického stadia s atmosférou obsahující kyslík (tedy z hlediska většiny tehdejších organizmů otrávenou), padlo jistě za oběť hodně vývojových linií.

Podle koncepce Gáia by to měla být zřejmě daň za přístup k efektivnějším aerobním metabolickým procesům. Obětovat náš druh (Homo sapiens) pro vizi efektivnější budoucnosti se nám ovšem moc nechce.

Současná lidská civilizace by asi posuny klimatických pásem a změny úrovně hladiny oceánu těžko absorbovala, je citlivější než život jako celek. Spoléhat tedy na biosféru (Gáiu), že nás podrží, je riskantní.

Klimatické prognózy globálního oteplování a jeho případného vztahu k skleníkovému efektu sice nejsou zdaleka jednoznačné, ale pro jistotu je užitečné být vždy připraven.

Máme k dispozici nějaký nástroj, jak snížit koncentraci skleníkových plynů? Nejjednodušší by bylo omezit jejich antropogenní produkci. Zatím to jde pomalu.

Za sto dvě stě let to jistě nebude problém, zásoby fosilních paliv se téměř neobnovují a časem se vyčerpají. Pro bližší časový horizont se teoreticky nabízí jiná zajímavá alternativa: zrychlit odčerpávání některého skleníkového plynu z atmosféry.

Důležitým skleníkovým plynem, který omezuje průnik tepelného záření atmosférou do prostoru, je oxid uhličitý. Jeho obsah v atmosféře je ovlivňován rychlostí přenosu v globálním biogeochemickém cyklu uhlíku.

Roční nárůst koncentrace CO2 v atmosféře odpovídá rozdílu mezi uvolňováním CO2 (dýcháním, rozkladem organické hmoty, spalováním fosilních paliv a vulkanickou činností) a pohlcováním oceánem i biosférou.

Předpokládá se, že oceány absorbují přibližně 40 - 50 % současné roční produkce vznikající spalováním fosilních paliv.

Důležitým tokem odčerpávajícím CO2 z atmosféry je jeho fotosyntetická asimilace do biomasy. V tomto článku nás bude zajímat hlavně mořský planktonický ekosystém, i když v něm probíhá jen asi polovina oceánické fotosyntézy.

Druhá polovina pochází z relativně úzké, ale vysoce produktivní příbřežní zóny. Pro srovnání: v současné atmosféře je přibližně 750 gigatun uhlíku (giga = 109, tj. miliarda), ve srovnání s preindustriální dobou zhruba o 150 gigatun uhlíku více.

Oxid uhličitý rozpuštěný v prosvětlených částech oceánů je v procesu fotosyntézy zdrojem uhlíku pro nově tvořené organické sloučeniny. Tak se odčerpává CO2 z povrchových vrstev oceánů, a protože se ustanovuje mezi oceány a atmosférou dost rychle rovnováha v koncentraci plynů, odčerpává se i z atmosféry.

Část odumřelé organické hmoty se rozkládá ještě v prosvětlené zóně a uhlík se vrací během několika dnů či měsíců zase zpět do koloběhu. Návrat uhlíku, který se dostal do hlubin oceánů, se díky pomalé cirkulaci hlubinných proudů může protáhnout na stovky až tisíce let.

Biologická aktivita však může deponovat uhlík i na velmi dlouhá období, zůstane-li pohřben v sedimentech v odumřelé organické hmotě nebo v uhličitanových schránkách a kostrách organizmů.

Usazeniny nahromaděné na dnech moří tak mohou zadržet uhlík před návratem do atmosféry někdy i na mnoho set milionů let. Roční export uhlíku z prosvětlené (eufotické) zóny oceánů do jeho hlubin je průměrně 10 gigatun uhlíku.

Studium primární produktivity povrchových vod světových oceánů ukazuje, že její maximum je soustředěno do poměrně úzkého pásu poblíž břehů. Vysvětlení je nasnadě - zvýšený přínos látek bohatých dusíkem a fosforem, které se tam dostávají splachy z pevniny.

Malá produktivita centrálních částí oceánů pak svědčí o pomalém přínosu živin. Analýzy vzorků vody však ukázaly, že obsah dusíku a fosforu v povrchových vodách oceánů okolo Antarktidy, v rovníkových a severních subpolárních oblastech Tichého oceánu je dostatečně vysoký, a přesto je tam primární produktivita nízká.

Vody chudé na fytoplankton se poznají podle barvy. Zjednodušeně se dá říci: čím je produktivita vyšší, tím je voda zelenější, protože je v ní více rostlin s chlorofylem.

Spektrálním rozborem družicových snímků se tak dá dost přesně monitorovat produktivita povrchových vod oceánů. Vysokým obsahem živin a nízkou produktivitou se takové vody podobají pouštím aridních oblastí. Tam je limitujícím faktorem vláha.

Řetěz je tak silný, jako jeho nejslabší článek. Aplikace této lidové moudrosti na ekologii rostlin můžeme najít v učebnicích ekologie jako Liebigův „zákon minima“.

Justus Liebig v r. 1840 poznal, že růst rostlin omezuje ta živina, jíž je (vzhledem k potřebě rostlin) v prostředí nejméně. V praxi to znamená, že může být efektivnější přihnojit některá pole špetkou stopových prvků, než je zavalit tunami dusíkatých hnojiv.

Který prvek je na otevřeném oceánu tím slabým článkem? Je to železo, prvek, který je důležitou součástí enzymů a účastní se mimo jiné metabolizmu dusíku a syntézy chlorofylu.

Analytické problémy při zjišťování stopových koncentrací Fe v mořské vodě dlouho bránily v rozpoznání jeho významu coby limitujícího faktoru pro růst fytoplanktonu.

Když se na to ve třicátých letech přišlo, uvědomili si badatelé extrémní nerozpustnost železa v prokysličených vodách dnešních oceánů. Usoudili, že v oblastech, kde není doplňováno z kontinentů, ho musí být nedostatek.

To, že je železo faktorem omezujícím produktivitu, souvisí zřejmě s počátečními stadii vývoje života. Biochemické procesy určující fyziologii fytoplanktonu (drobných vodních rostlin) se tehdy nastavily na podmínky, které panovaly v oceánech v době anoxické (bezkyslíkaté) atmosféry.

Vody byly tehdy bohaté dobře rozpustným redukovaným železem (Fe2+). Rozhodně se s ním nemuselo šetřit. Zmíněný přechod na oxidickou atmosféru však vedl doslova k „zrezivění“ oceánů - k vysrážení nerozpustných oxidů a hydroxidů železa (Fe3+).

Poznatek, že růst fytoplanktonu v oblastech s vysokým obsahem ostatních živin a malou primární produktivitou vyvolává nedostatek železa, nazval John Martin „železová hypotéza“.

Protože do oceánů se potřebné železo dostává z kontinentů, ať již s vodou nebo větrem, jsou oblasti nasycené železem poblíž pevnin nebo tam, kam zanášejí větry dostatek prachu.

tags: #cyklus #železa #ekosystém #význam

Oblíbené příspěvky:

• Obnovitelné zdroje energie
• Komunální odpad Český Těšín
• Jak vybrat správný kontejner na zahradní odpad
• Výroba vermikompostéru
• Léčivé rostliny