Akcelerace biologické pumpy v chladicím systému Země

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 (viz Vesmír 70, 545, 1991/10) 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. Možnost takového geoinženýrského zásahu testují ve svém důsledku pokusy s „hnojením“ otevřeného oceánu železem, zveřejněné v Nature 383, 495, 1996. Mohlo by nám železo pomoci vyvětrat náš „skleník“?

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. K hlavním procesům v tomto cyklu patří:

výměna CO₂ mezi atmosférou a oceány;

transport z povrchu oceánů a dlouhodobé ukládání CO₂ ve formě uhličitanů (biogenního i anorganického původu) na dně oceánů;

fotosyntetická asimilace CO₂ a jeho krátkodobé ukládání (20 – 100 let) do biomasy a detritu v půdách nebo mořských uloženinách;

antropogenní uvolňování CO₂ při spalování organické hmoty a fosilních paliv;

dýchání a rozklad organické hmoty;

produkce CO₂ a CH₄ vulkanického původu.

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 (viz obr. na str. ). 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. Těchto 150 gigatun uhlíku projde mořským planktonickým ekosystém asi za 5 let.

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. V odborných publikacích se pro takové „přečerpávání“ uhlíku z atmosférického zásobníku do hlubin oceánů používá termín biologická pumpa.

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 (fialově vyznačené oblasti na obr. na str. ) 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. Co chybí „oceánickým pouštím“?

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⁺). Poměr tohoto biogenního prvku k dusíku a fosforu se tak v prostředí oceánů ve srovnání s původními podmínkami výrazně snížil.

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 (např. v rovníkovém Atlantském oceánu je to prach ze Sahary).

Zajímavé doklady o vztahu mezi klimatem a větrným transportem železa poskytuje  poslední doba ledová. Analýzy vzduchu uzavřeného v jednotlivých vrstvičkách několik kilometrů mocného antarktického ledovce provrtaného u stanice Vostok ukázaly, že před 18 000 lety, kdy poslední doba ledová vrcholila, byla v atmosféře významně nižší koncentrace oxidu uhličitého než dnes – 200 ppm oproti 280 ppm v době před průmyslovou revolucí nebo oproti současným 355 ppm. Během předchozí doby meziledové se koncentrace CO₂ pohybovaly na obdobné úrovni jako v preindustriálním období. Badatele v této souvislosti zaujalo, že snížení obsahu CO₂ koreluje se zvýšeným množstvím prachu v ledu. Prachu přineseného do Antarktidy především z Patagonie, kde v době ledové chyběl vegetační kryt bránící větrné erozi. Velká množství prachu byla transportována i z jiných oblastí ležících v předpolí kontinentálních ledovců. Vrty v antarktickém a grónském ledovci svědčí o třicetinásobném zvýšení transportu prachu během posledního glaciálního maxima ve srovnání s dobou meziledovou. Větrem transportovaný prach se usazoval zčásti na kontinentech, kde vytvářel někdy i desítky metrů mocné závěje spraší, část jej byla deponována v oblasti oceánů. Tam, kde byl v oceánech dostatek živin a jejich využití fytoplanktonem bránil pouze nedostatek železa, došlo k značnému zvýšení primární produktivity. Déšť částeček organické hmoty padající ze svrchní části oceánů ke dnu zhoustl. Svědčí o tom zvýšený obsah organického uhlíku zjištěný v sedimentech usazovaných v té době okolo Antarktidy.

Po víceméně laboratorních pokusech s přidáváním železa do společenstev fytoplanktonu pěstovaných v nádobách se k testování „železové hypotézy“ Johna Martina uskutečnil v r. 1993 rozsáhlý experiment in vivo – IronEx I. John Martin bohužel krátce před tím zemřel na rakovinu. Během pokusu bylo „pohnojeno“ 64 km² východní části rovníkového Tichého oceánu 445 kilogramy železa ve formě zředěného roztoku síranu železnatého smíseného s HCl pro zvýšení kyselosti a zlepšení rozpustnosti železa v mořské vodě. Produktivita fytoplanktonu se oproti okolí zvýšila třikrát. Ovšem pokus skončil předčasně, když se přes pozorovanou oblast rozšířila voda nižší hustoty a zatlačila vodu obohacenou železem do hloubky 20–40 m, kde menší intenzita světla změnila podmínky pokusu. Zůstalo ještě mnoho nedořešených otázek a vzniklo mnoho diskusí. Potvrdilo se, že přidání železa podpořilo růst některých skupin fytoplanktonu. Předpokládaný pokles koncentrace CO₂ ale nenastal. Zooplankton rychle zkonzumoval přírůstek rostlinné biomasy a vrátil CO₂ respirací do prostředí dříve, než mohl uhlík v organické hmotě klesnout do hlubin oceánu.

Druhý experiment IronEx II proběhl v květnu 1995 také jihozápadně od Galapážského souostroví. Železo bylo injektováno na ploše 72 km² během týdne ve třech dávkách (225, 112, 112 kg), opět ve formě roztoku kyselého síranu železnatého. Skvrna obohacená železem si celých 19 dní pokusného měření zachovala integritu, přestože se za tu dobu přesunula o 1 500 km. Odezva byla téměř okamžitá a na první pohled rozpoznatelná podle intenzivního zezelenání vody. „Je to jako cestovat přes Mohavskou poušť a octnout se v deštném pralese,“ komentoval to vedoucí projektu Kenneth H. Coale. Rychlost dělení buněk fytoplanktonu se ve srovnání s okolím skvrny zvýšila dvakrát, množství fytoplanktonu vzrostlo až 20krát. Nejvíce se zvýšila biomasa rozsivek. Množství odčerpávaného NO_3– stouplo 5 – 7krát. Z hlediska geoinženýrství mělo význam výrazné snížení koncentrace CO₂ v povrchové vodě. Gravitační transport částeček organické hmoty klesajících do hloubky se zvětšil, a tím se snížil parciální tlak CO₂ v centru skvrny a až o 60 % se snížil tok CO₂ z povrchu oceánu do atmosféry. Zatímco ostatní hodnoty (Fe, chlorofyl aj.) se devatenáctý den od první aplikace železa vrátily na původní úroveň, snížení parciálního tlaku CO₂ přetrvávalo.

Původní odhady předpokládaly, že dodání železa do oceánických oblastí, kde je ho nedostatek, by mohlo odčerpávat ročně z atmosféry až 2 miliardy tun uhlíku (antropogenní produkce je dnes zhruba 6 gigatun uhlíku). V tom vidí šanci elektrárenské a jiné společnosti, které se obávají vysokých nákladů v případě nutnosti dodržovat přísné limity emisí CO₂. Takové aplikace pokusů, které byly primárně zaměřeny hlavně na ověření vědeckých otázek, se většina oceánografů obává. Modely ukazují, že zvýšená produktivita zvyšuje „déšť“ částeček organické hmoty do hloubky. Při jejím bakteriálním rozkladu se spotřebovává více kyslíku – produkuje se více N2O, a hlavně metanu, což je plyn s ještě výraznějším skleníkovým efektem, než má CO2. Z klimatického hlediska opačný účinek může mít více než trojnásobné zvýšení produkce dimetylsulfidů v době maximálního květu fytoplanktonu. Ten po úniku do atmosféry dává vznik kondenzačním jádrům, na kterých se sráží vodní pára a vznikají oblaka. Tím se zvyšuje v dané oblasti albedo a snižuje průchodnost atmosféry pro sluneční záření. Zdá se, že se opět potvrzuje zkušenost s ekologickým inženýrstvím a také to, že jakékoli zásahy do rovnovážného ekologického systému spouštějí lavinu těžko předvídatelných a ještě hůře zvladatelných následků. Když se podaří napravit jeden symptom, odnesou to jiné. Lavoisier by to nazval třeba „zákon zachování nežádoucnosti“. Modely jiných badatelů ostatně předpokládají, že každoroční dodávání železa po dobu 100 let by snížilo při dosavadním tempu růstu koncentraci CO2 v r. 2100 ve srovnání se současnou jen o 10 %. Při udržení konstantní produkce CO2 pak o 20 %. Jistější tedy stále zůstává prevence, snižování emisí, než riskantní léčba následků.