Metabolická teorie ekologie a její vysvětlení

Metabolická teorie ekologie, která vznikla na přelomu tisíciletí, si nárokovala privilegium popisovat nejzákladnější rovinu zákonů, jimiž se řídí rychlost všech biologických procesů na Zemi. Na přelomu tisíciletí vznikla přičiněním řady autorů velmi vlivná biologická teorie, tzv. metabolická teorie ekologie, která tvrdí, že metabolismus souvisí matematicky předpověditelně (škálovaně, ang. “scaling”) s velikostí organismu a tato závislost se následně projevuje v rychlosti všech klíčových životních procesů.

Díky spolupráci biologů a fyziků v Santa Fe Institute se podařilo navrhnout vysvětlení sedmdesát let staré záhady, proč intenzita metabolismu u živočichů roste s hmotností těla podle mocninné zákonitosti s exponentem ¾. Jim Brown, Brian Enquist a Geoffrey West tvrdili, že za vše jsou odpovědné větvící se rozvodné systémy (cévní soustava, plíce, vylučovací soustava), jejichž rozsah nutně roste s velikostí těla tak, že dvakrát větší zvíře nemůže mít dvakrát intenzivnější metabolismus (čemuž by odpovídalo škálování s exponentem 1), ale o něco menší. Při optimálním uspořádání nelze dosáhnout vyššího exponentu, než jsou právě tři čtvrtiny.

V prvním desetiletí 21. století to vskutku vypadalo, že konečně máme rigorózní nástroj kvantitativně propojující všechny procesy v biologii pomocí myšlenky, že metabolismus řídí vše. Hlavním argumentem bylo, že ze znalosti, jak rostou větvící se transportní sítě s velikostí těla, lze odvodit koeficient ¾, který charakterizuje nejen škálování rychlosti metabolismu, ale i většiny ostatních procesů.

V minulé dekádě ovšem metabolická teorie utrpěla šrámy. Ukázalo se, že fraktální rozvodné sítě nejsou univerzální, že odvozovat z nich rychlost metabolismu tak úplně nejde a že v některých případech skutečně nepozorujeme kanonické škálování s tříčtvrtinovým koeficientem.

Ekolog Ian Hatton z Princetonské univerzity šel v kritice metabolické teorie ještě dále. V článku, otištěném před několika lety v Science, ukazuje, že sklon ¾ lze najít i na ekosystémové úrovni, i když tehdy když do toho nevstupuje individuální metabolismus. Začalo se ukazovat, že sklon ¾ je spíše univerzální charakteristikou růstu, která je možná nezávislá na metabolismu jedince.

Čtěte také: Environmentální a nativistické teorie: Podrobný rozbor

Dalším krokem v erozi metabolické teorie je právě článek v časopise PNAS (Proceedings of the National Academy of Science), jehož spoluautorem je vedle Iana Hattona i profesor David Storch. Když jej autoři článku začali analyzovat, objevilo se hned několik překvapivých věcí.

První z nich bylo, že sklon křivky napříč různými skupinami (a tedy ne pouze v rámci savců, ptáků atd.) nepodléhá ¾ zákonu, ale blíží se spíše koeficientu 1, metabolismus je tedy v tomto měřítku přibližně přímo úměrný velikosti. Škálování se tedy liší, když se podíváme na všechny organismy najednou nebo když se podíváme na jednotlivé skupiny - “kanonické” ¾ tedy univerzálně neplatí.

Poté se autoři podívali na produkci biomasy (počítanou jako kombinaci individuálního růstu + produkce potomstva). "Ukázalo se, že produkce biomasy škáluje prakticky univerzálně s koeficientem ¾, a to jak uvnitř skupin, tak napříč všemi eukaryoty, a je tedy zjevně mnohem univerzálnější než škálování samotného metabolismu. Zdá se tedy, že to byl právě metabolismus, který se přizpůsobuje omezeným možnostem růstu a jeho ¾ škálování je spíše důsledek a nikoliv příčina. Možná je tedy podstatou rozdílné rychlosti životních procesů nějaká hluboká zákonitost ovlivňující dynamiku růstu a metabolismus je druhotný," vysvětluje závěry týmu David Storch.

Nejnovější analýzy ukázaly, že metabolismus prokaryotních organismů (bakterie a archea) roste dokonce rychleji než jejich velikost těla, škálovací koeficient je blízký dvěma (což by představovalo kvadratickou závislost), zatímco protisti (jednobuněčné eukaryotní organismy) vykazují lineární závislost. Autoři spekulují, že změny metabolického škálování souvisí s dvěma základními evolučními přechody: vznikem eukaryotní buňky a vznikem mnohobuněčnosti.

Vůdčí ideou této teorie je představa, že s velikostí těla se metabolismus nemění proporčně, kdy dvakrát větší organismus by měl dvakrát větší metabolismus, ale disproporčně. Metabolická teorie tvrdí, že od metabolismu je odvozena řada dalších procesů, jako je např. růst biomasy, délka života, tepová frekvence, dechová frekvence, takže po vynesení těchto veličin vůči velikosti těla v logaritmické škále vyjde vždy sklon přímky ¾. Data, která tuto teorii potvrzovala, vycházela především z měření fyziologických vlastností těl obratlovců, zejména savců.

Čtěte také: Příčiny znečištění Země

Teorie má řadu dalších využití, např. v ochraně přírody. Představme si např. nějaký organismus, který projde výrazným snížením počtu jedinců. poskytnout rámec pro předpověď, jak rychle se druh z této krize vzpamatuje. To je totiž řízené právě těmito škálovacími zákonitostmi - teorie dokáže dobře vysvětlit, proč se např. myši množí rychle, ale mají kratší dobu života - na rozdíl např. od slonů.

Škálování růstu lze ale využít i zcela mimo biologii. Např. jeden ze zakladatelů metabolické teorie, britský fyzik Geoffrey West napsal slavnou knihu “Scale”, v níž popisuje efekt škálování v urbanistickém rozvoji, např. O univerzální platnosti teorie však začala odborná komunita postupně pochybovat. Proti svědčila jak některá data, teorie byla však torpédovaná i teoretiky, kteří poukazovali na některé její vnitřní inkonzistence.

Ilustrujme si to myšlenkovým experimentem. Jak by živý svět vypadal, kdyby metabolismus i růst škálovaly s velikostí těla proporčně tedy s koeficientem rovným jedné? Vše by se zjednodušilo, jen by nastala jedna podivnost: počet potomků za jednotku času by nezávisel na velikosti těla (poněvadž ten je proporční produkci biomasy vztažené k jednotce hmotnosti), a tudíž i mortalita a doba dožití by musely být stejné pro organismy všech velikostí. Slon by žil nejen stejně dlouho jako myš, ale i stejně dlouho jako jednobuněčná měňavka.

Je proto možné, že škálovací vztahy vyjadřují spíše než co jiného jakousi harmonii mezi různými vztahy, tedy jediné možné uspořádání, kdy různé procesy jsou dlouhodobě v rovnováze a vzájemném souladu. Proč by to ale vedlo právě ke tříčtvrtinovému škálovacímu koeficientu, to zatím netušíme.

Čtěte také: Nová teorie pro krajinu

tags: #metabolická #teorie #ekologie #vysvětlení

Oblíbené příspěvky:

• Komunální odpad Oslavany
• Jak správně sázet stromy
• Emise a STK
• Likvidace aut v Mariánských Lázních
• Obnovitelné zdroje v ČR: Konference