Rostoucí koncentrace CO₂ v ovzduší

Od počátku průmyslové revoluce v 19. století roste koncentrace oxidu uhličitého (CO₂) v ovzduší a právě s ní bývá obvykle spojováno globální oteplování i skleníkový efekt. Mezi následky skleníkového efektu se obvykle uvádí tání ledovců, zvyšování hladiny oceánů, zatopení velkých oblastí souše, vzniky pouští či extrémní klimatické situace (hurikány, pobřežní záplavy). Skleníkový efekt je tématem i velkých mezinárodních setkání, jejichž účastníci se obvykle nedokážou dohodnout ani na jeho možných následcích, ani na vhodných opatřeních proti němu (viz berlínskou konferenci v březnu 1995 nebo jednání v japonském Kjótu v roce 1997).

A není divu – celých asi 20 let, co se diskutuje o možných důsledcích reálně se zvyšující koncentrace CO₂ v ovzduší, existují dva zásadně odlišné názory: důsledky budou apokalyptické – důsledky budou snesitelné. Rád bych na začátku zdůraznil, že podporuji tu druhou hypotézu, stejně jako Evropská akademie pro otázky životního prostředí (EAU, viz Vesmír 72, 463, 1993/8). Ta v listopadu 1995 uspořádala v Lipsku o skleníkovém efektu mezinárodní sympozium. Na jeho základě vydali S. F. Singer a H. Metzner (prezident EAU z Tübingenu) Lipskou deklaraci o globálních změnách. Ta se ovšem v našem tisku projevila minimálně, stejně jako závěry další konference EAU na toto téma v listopadu 1997. Přitom v Německu EAU kvůli těmto postojům dokonce ztratila vládní finanční podpory.

Ponechme však stranou otázky, jestli se kvůli skleníkovému efektu Země otepluje skutečně tak, jak předpovídají některé modely, jestli jsou do nich dosazovány parametry ze správných měření, jestli se při modelování neopomíjejí důležité faktory (např. pevné součástky aerosolů vznikajících spalováním), jestli jde o skutečnou závislost, nebo o náhodnou podobnost průběhu dvou jevů, jestli nepředcházelo nárůstu koncentrace CO₂ spíše interglaciální oteplování a jestli jsou předpovídané katastrofy možnou budoucností, nebo spíš nepodloženou fantazií. Podívejme se na skleníkový efekt z hlediska fotosyntézy a jejího odrazu v produkci biomasy. O vlivech zvýšené koncentrace CO₂ na fotosyntetické aktivity bylo již napsáno mnoho knih a vědeckých článků, často s protichůdnými závěry.

Co je to skleníkový efekt?

Skleníkový efekt není žádnou vědeckou novinkou. Již v roce 1827 napsal J. Fourier, že zvýšená koncentrace CO₂ může vyvolat zvýšení teploty. S. A. Arrhenius (1896) poznal, že sklo ve skleníku působí podobně jako mraky a suspenze pevných částeček nad zemí: propouští lépe krátkovlnné záření než infračervené. Zemský povrch pak krátkovlnné záření přeměňuje na dlouhovlnnější a buď je vyzařuje, nebo je absorbují těžké molekuly oxidu uhličitého, jež se drží při zemském povrchu. Infračervené záření se však nedostane přes sklo nebo bariéru z mraků. Tento efekt je důležitý pro život na Zemi: bez něj by byla průměrná teplota povrchu Země –15 °C a při ní by se nám moc dobře nežilo. Je-li skutečná průměrná teplota +18 °C, způsobuje skleníkový efekt teplotní rozdíl 33 °C. To, o čem se dnes hovoří, je tedy teplotní zvýšení skleníkového efektu.

Nesmíme také zapomínat, že CO₂ není jediným plynem, který se na skleníkovém efektu podílí. Ještě účinněji absorbují infračervené paprsky metan (produkt metabolizmu živočichů a bakterií), oxidy dusíku, chlorované fluorokarbony i ozon. Těch je ovšem v ovzduší podstatně méně, ale zato se mohou účinněji podílet na zvětšování ozonové díry. Koncentraci CO₂ v ovzduší nezvyšuje svým metabolizmem živý svět, který je obvykle v rovnováze s prostředím. V dávných geologických údobích koncentrace CO₂ na Zemi klesala, protože se CO₂ ukládal do produktů fotosyntézy, uhličitanových sedimentů, do dřeva a detritu moří, a z nich pak vznikaly ohromné zásoby uhlí, zemních plynů, ropy, a zejména vápenců. V posledních dvou stoletích však zasáhli svými činnostmi lidé: za 300 let lidstvo zřejmě spotřebuje 80 % všech fosilních paliv, která nahromadila fotosyntéza za 600 milionů let! Na současném zvyšování koncentrace CO₂ v ovzduší se podílí 96 procenty spotřeba fosilních paliv a čtyřmi procenty výroba cementu a hoření plynu. Roční spotřeba 10 miliard tun uhlí znamená obohacení atmosféry o 6 miliard tun CO₂, 2,5 miliardy tun popílku a aerosolů (ty ovšem oteplování Země snižují), 1,85×10⁸ tun SO₂, 40×10⁶ tun oxidů dusíku atd.

Co tomu řeknou rostliny?

Modely předpokládají, že by se koncentrace CO₂ v atmosféře mohla do poloviny až dvou třetin 21. století zvýšit na dvojnásobek. Jak na to budou reagovat rostliny? Jsou to organizmy, které jsou schopny se krátkodobě i dlouhodobě přizpůsobit změnám faktorů prostředí, včetně teploty a koncentrace CO₂ (aklimace a adaptace). Většinou umějí zpracovat více CO₂, než by ho mohla atmosféra 21. století nabídnout. Častými reakcemi rostlin na zvýšenou koncentraci CO₂ je zvýšená rychlost fotosyntézy, jejímž výsledkem je vyšší produkce biomasy (což může a nemusí znamenat přírůstek zemědělských výnosů). Obvykle roste i listová plocha rostlin, počet odnoží, větví, semen, hlíz, zvyšuje se efektivita využívání vody a dusíku, mineralizace. Naopak může klesat otevřenost průduchů a rychlost transpirace na jednotku plochy listu (ne však nutně na celou rostlinu), stejně jako rozklad podzemní biomasy.

Samo zvýšení teploty ovzduší se projeví ve zvýšení rychlostí metabolických pochodů a růstu. Výsledek však zdaleka není jednoduchý: uvedené změny se odrazí ve změnách rovnováh metabolických, růstových a vývojových pochodů, v chemickém složení rostlinných pletiv (např. v poměru sacharidů a bílkovin), v transportech asimilátů mezi jednotlivými orgány rostlin (prýt – kořen), délce života listů a rostlin, požadavcích na vodu a živiny (zejména dusík), úživné ploše rostlin. Protože pro jednotlivé druhy rostlin může být stejná změna jak vlivem příznivým, tak stresem (srovnejme např. reakce alpinských nebo arktických porostů s reakcemi rostlin v nížinách, tedy v chladných a teplých krajích), lze očekávat i výrazné změny ve složení ekosystémů.

Na zvýšenou koncentraci CO₂ v ovzduší reagují rostliny v zemědělské kultuře příznivěji než plané rostliny v přirozeném ekosystému, rostliny a orgány mladé příznivěji než staré. Zatím jsou závěry založeny převážně na pokusech laboratorních; cena pokusů v přírodě je totiž vysoká a vyžaduje kromě přesného dávkování CO₂ i přesnou kontrolu všech klimatických podmínek. Potíží jsou také meziroční klimatické rozdíly, koncentrace CO₂ v ovzduší mohou v přírodě kolísat o 10–30 %. Zatím také chybí šlechtění kulturních rostlin na zvýšenou koncentraci CO₂. Něco by mohly napovědět mutanty v důležitých enzymech, např. anhydráze CO₂, a transgenní rostliny se sníženým obsahem důležitého fotosyntetického enzymu ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza. Samozřejmě lze mnohé situace i modelovat, ale modely založené na malých počtech údajů mohou poskytnout hypotézy zcela odlišné od skutečnosti.

Co můžeme udělat?

Vzrůstu koncentrace CO₂ v ovzduší se můžeme bránit různým způsobem. Jen krutým žertem by byl nápad vyhubit zvířata a lidi, protože produkují CO₂ a metan (koncentrace metanu v ovzduší roste ročně o 1 % a fotooxidací z něj vzniká CO₂), a asi málokomu by se líbilo výrazné omezení životní úrovně. Přesto by se mohlo více šetřit energiemi, jejichž výroba je spojena s uvolňováním CO₂: při důsledném používání moderních technologií by se mohla snížit spotřeba energie až o 75 %, plýtvání energií často způsobuje selhání odpovědných pracovníků (například při přechodech na letní čas svítívá pražské pouliční osvětlení ještě několik dní na osluněné ulice, sídlištní byty se často přetápějí). Používání automobilů by omezila větší podpora hromadné dopravy, pomohla by i změna obalových technik (a tedy méně odpadků), lepší ochrana před požáry atd. Produkci CO₂ by výrazně omezilo nahrazení tepelných elektráren atomovými (jako ve Francii), ale těch se mnozí bojí. Potřebné rozšíření vodních a větrných elektráren a solárních panelů je v řadě států (jako je ČR) zatím spíše hudbou budoucnosti a jejich rozvoj bude vyžadovat výraznou podporu ze státních zdrojů. Šetřit se ovšem dá všude, například stavěním skleníků vedle provozů, které produkují teplo a CO₂.

Zdá se, že nadějným postupem je zvyšovat celosvětový objem fotosyntézy rostlin a tak ukládat CO₂ do pomalu odbourávaných produktů fotosyntézy (zejména dřevo, odumřelé organizmy na dnech moří). Jednou z cest je zakládat lesy na fotosynteticky málo produktivních nebo ladem ležících územích. Mladý aktivně rostoucí les je nejlepším dočasným uložením CO₂. Ve dřevě použitém ve stavbách, k výrobě nábytku a nejrůznějších předmětů denní potřeby je CO₂ často uložen na několik století. Kvalitní dřeva by mohla opět nahradit výrobky plastové, z tohoto hlediska nevýhodné. Lesy se podílejí 70 % na fixaci uhlíku na souši, i když zabírají méně než 10 % povrchu Evropy. Průměrný les váže ročně 80–160 g uhlíku na 1 m² plochy. Intenzivní lesní kultury z blahovičníků a stromů rodu Albizzia (vazačů vzdušného dusíku) pěstované pro palivové dříví vyprodukují na Havaji dokonce 2,5 kg sušiny na 1 m² plochy za rok! Když bylo 43 druhů dřevin pěstováno při dvojnásobné koncentraci CO₂, zvýšila se rychlost čisté fotosyntézy v 61 z 69 pokusů. Tyto dřeviny se zvýšenému obsahu CO₂ poměrně rychle přizpůsobily, ale při měření ve vzduchu s normální koncentrací CO₂ byla většinou rychlost jejich fotosyntézy nižší než u dřevin vypěstovaných při této koncentraci CO₂.

K fixaci veškerého CO₂ v ovzduší Země by bylo zapotřebí 10⁷ km² lesů, jejichž druhové i odrůdové složení by muselo odpovídat geologickým i klimatickým podmínkám příslušných území. To je ohromná plocha, jejíž zalesnění by bylo velmi drahé, a proto ve velkém rozsahu jistě nebude uskutečněno. Nemusíme se tedy bát ztráty rozmanitosti ekosystémů, budeme-li podporovat vznik nových lesů: ostatně mnohá dnešní rostlinná společenstva jsou na místech, kde kdysi bývaly lesy, které člověk v průběhu tisíciletí rozumně i nesmyslně odstranil. Zcela jistě je však třeba varovat před nevratným kácením lesů a lesními požáry, bránit jejich ničení nečistotami prostředí (zejména kyselými dešti), nutit výrobní provozy k odsiřování jejich plynných odpadů a odstraňování úletů.

Alespoň přechodně ukládají CO₂ porosty zemědělských plodin. U některých druhů kulturních rostlin i plevelů se tak zvýší čistá rychlost fotosyntézy až o 40 % a podobně vzroste i tvorba biomasy. Zvyšování ploch příznivě reagujících rostlin a kvality porostů je také příspěvkem k snižování množství CO₂ v atmosféře. Pomohl by i úbytek erodovaných a neplodných půd, pouští, ať už by složení rostlinného pokryvu bylo jakékoli.

Nevyužitou kapacitu nabízejí moře, schopná přeměnit až 1/3 antropogenního CO₂ na karbonáty a biomasu. Voda pojme ohromné množství CO₂, a nemá-li ho znovu vydat do ovzduší, musí se podpořit fotosyntéza fytoplanktonu. Ta vyústí ve zvýšenou produkci ryb i ukládání odumřelé biomasy na dně moří. U moří hojně zásobených dusíkem a fosforem stačí poměrně levně zvyšovat koncentraci mikroelementů (např. hnojením odpadními sírany železa neobsahujícími metabolické inhibitory; náklady na to by byly 40krát nižší než kontrola emisí). Příroda svou vulkanickou činností tuto potřebu železa prokázala: sypký materiál vyvržený při erupci sopky Pinatubo (s 3 % Fe) průkazně zvýšil produktivitu okolního moře. Pro biochemika je to jasné: železo obsahují vysoce významné sloučeniny anabolického i katabolického metabolizmu, jako jsou ferredoxin, cytochromy, Fe-S centra, reduktázy N, Fe-superoxiddismutáza. Pokusnou dodávkou železitých sloučenin vzrostla biomasa v mořích až na dvojnásobek, množství chlorofylu ve fytoplanktonu na trojnásobek a jeho produktivita až čtyřnásobně. Fytoplankton oceánů obsahuje sice jen 1-2 % uhlíku na Zemi, ale ročně fixuje snad až 40 % z celkové zásoby uhlíku. Nejlevnější a v dlouhodobém měřítku (desítky až stovky let) nejschůdnější cestou vázání atmosférického CO₂ je hnojení moří.

A výsledek?

Dvojnásobnou koncentraci CO₂ v ovzduší většina rostlinných druhů zvládne. Nelze ovšem očekávat, že rychlost fotosyntetického vázání CO₂ vzroste úměrně růstu koncentrace CO₂, ani že výsledkem musí být výrazně zvýšená čistá tvorba biomasy a tím méně zvýšená produkce zemědělsky využitelných částí rostlin. Projeví se při tom druhová specifita a v různých oblastech zemské souše velké přizpůsobení podmínkám a zlepšená schopnost přežívání. Rovnováhy v koncentraci CO₂ mezi atmosférou a vrchními vrstvami vody (přijmou asi 9 % atmosférického CO₂) se dosáhne během jednoho roku, mezi atmosférou a hlubinnými vrstvami moří až za 1000 let. Souše ročně vytvoří dvojnásobek sušiny biomasy než moře, fotosyntetická produkce na jednotku povrchu Země je pětinásobkem produkce oceánů, ale rychlost fotosyntézy na jednotkové množství chlorofylu je u mořského fytoplanktonu šestinásobná ve srovnání s rostlinami souše. Mořské řasy jsou tedy fotosynteticky vysoce účinné.

V potravním řetězci rostlina-živočich-člověk znamená zvýšená rostlinná produkce méně hladu, a v důsledku toho nárůst světové populace. Celková uhlíková bilance by se tím však nemusela příliš změnit, uplatní-li se zároveň úsporná technologická opatření. Vysoká koncentrace CO₂ v ovzduší ovšem nepůsobí příznivě ani na člověka, a proto je třeba ji snižovat. Nejlepší cestou je, kromě šetření energií a náhrady fosilních paliv jinými zdroji (čemuž se dnes kupodivu věnuje ve světovém měřítku menší pozornost než před několika lety), poučit se z historické zkušenosti přírody. Mírné zvýšení teploty ovzduší je z biologického hlediska příznivé: lidem i zvířatům se lépe žije v teplejším prostředí než v chladném, a také většina rostlinných druhů je potom produktivnější. Užší teplotní rozmezí (menší nebezpečí nočních a přízemních mrazíků, delší vegetační sezona) je příznivé pro růst, vývoj a produkci rostlin. Teplomilné rostliny (např. kukuřice) lépe využívají zářivou energii a více produkují. Zvýšené vypařování z oceánů se odrazí nejen ve vzrůstu koncentrace CO₂ v ovzduší (uvolní se CO₂ rozpuštěný ve vodě), ale i ve vydatnějších deštích, pro zemědělství obvykle příznivých.

Jakkoli je těžko řešitelná otázka, co je pro lidi a lidstvo štěstím, současný trend průmyslového vývoje se zastavit nedá, i když recyklace surovin, zhodnocení a likvidace odpadků a zábrana zbytečné devastaci biologických i surovinových zdrojů jsou jistě předmětem nezbytného zájmu všech rozumně myslících lidí. Pokud jde o skleníkové plyny, světové i naše grantové agentury by měly překonat pocit přesycenosti těmito výzkumnými projekty. Zejména by se mělo podporovat studium adaptace živého světa ke zvýšené teplotě a koncentraci CO₂. Je třeba získat jednoznačné vědecké závěry o odrazech možných klimatických změn v životě souší i moří, aby se nediskutovalo o nerealistických předpokladech.