Jak zúrodnit oceánské pouště

Mořský fytoplankton tvořený mikroskopickými fotosyntetickými organizmy je odpovědný přibližně za polovinu kyslíku, který je na této planetě vyprodukován fotosyntézou. Tvoří základnu mořské potravní pyramidy, do níž přispívá přibližně 50 gigatunami organického uhlíku ročně. Jeho růst je určován charakteristikami prostředí, v první řadě dostupností základních živin, fosforu a neorganického dusíku. Na rozsáhlých plochách subtropických a tropických oceánů je množství těchto základních živin mizivě nízké. Fytoplankton je ve svrchní vrstvě neustále spotřebováván, a tak se koncentrace základních živin (stejně jako množství fytoplanktonu) udržuje na minimu. Takto chudé oblasti bývají někdy označovány jako oceánské pouště.

Ve třech rozsáhlých oblastech Tichého oceánu – ve východním rovníkovém Pacifiku, v jižních vodách poblíž Antarktidy a v severozápadním Tichomoří – to ale vypadá úplně jinak. Nacházíme tam velice málo fytoplanktonu, přestože základních živin je poměrně dost. Nízká produktivita byla vysvětlována silným predačním tlakem zooplanktonu, který udržuje fytoplankton na nízké úrovni, nebo nedostatkem nějakého jiného prvku, který růst fytoplanktonu omezuje. Techniky zamezující kontaminaci stopovými prvky a příslušné analytické postupy ukázaly, že se zmíněné oblasti vyznačují výrazně nízkým obsahem železa. Železo je nezastupitelnou složkou všech živých organizmů, neboť tvoří prostetické (nebílkovinné) skupiny mnohých klíčových enzymů.

Koncem 80. let začalo být zřejmé, že růst fytoplanktonu limituje kupodivu právě železo, čtvrtý nejrozšířenější prvek v zemské kůře. V redukční atmosféře Země se v raných dobách jejího geologického vývoje nacházela značná část železa v mořích. Za nepřítomnosti kyslíku se zde železo vyskytovalo ve formě dobře rozpustných železnatých iontů. Po rozvoji oxygenní fotosyntézy a vzniku kyslíkové atmosféry před přibližně 2 miliardami let oxidovaly železnaté ionty na ionty železité. Železité ionty jsou v mořské vodě téměř nerozpustné, což vedlo k jejich masivnímu vysrážení a vzniku mocných geologických usazenin.

V současné době je patrně jediným zdrojem železa v oceánech prach přivátý z pevnin. Tento zdroj zřejmě stačí v poměrně úzkém Atlantském oceánu, který je dostatečně „přihnojován“ z okolní pevniny, především ze Sahary (obrázek). Jiná je situace v Tichém oceánu, který má nesmírnou rozlohu. Prach z pouště Gobi a pouští australských pronikne pouze do některých částí oceánu, jiné oblasti (zhruba 20 % rozlohy) mají přísun železa výrazně omezený (obrázek).

K rozřešení otázky, zda je železo v těchto oblastech oceánu skutečně limitujícím prvkem, byla provedena řada jednoduchých pokusů, při nichž byly vzorky vody na palubě výzkumných lodí obohacovány síranem železnatým. Po přidání železnatých iontů v inkubovaných vzorcích několikanásobně vzrostl obsah chlorofylu, což by odpovídalo scénáři. Pokusy však zprvu nebyly průkazné, jelikož růst fytoplanktonu byl často zaznamenán i u kontrolních neobohacených vzorků. Na palubě výzkumných plavidel konstruovaných z oceli v podstatě nelze kontaminaci železem při práci se vzorky zabránit. A zastánci teorie predačního tlaku vysvětlovali pokusy tak, že při inkubacích byl ze vzorků vynechán větší zooplankton, což vedlo ke vzrůstu fytoplanktonu.

Rovníkové Tichomoří

• IronEx 1. K rozřešení tohoto problému byl navržen experiment velkých rozměrů, při němž by bylo obohacení železem provedeno přímo v oceánu. Expedice se zúčastnily týmy předních oceánografických ústavů ze Spojených států. V říjnu 1993 badatelé obohatili pokusnou zónu o ploše 64 km² ve východním rovníkovém Tichém oceánu jižně od Galapág. Infuzí celkem 15 600 litrů půlmolárního roztoku síranu železnatého zvýšili koncentraci železnatých iontů v povrchové vrstvě z původních 60 pikomolů na 4 nanomoly (tj. o dva řády). Zároveň vpravili do moře také inertní, v přírodě se nevyskytující sloučeninu hexafluorid sírový (SF₆). Sloužila k sledování pohybu a vývoje pokusné zóny. Již první den zaznamenaly citlivé biofyzikální techniky odezvu. Kvantový výtěžek fotosyntézy prudce vzrostl a po třech dnech dosáhl maxima. Následoval téměř pětinásobný vzrůst množství chlorofylu; ten dosáhl maxima pátý den a byl provázen poklesem koncentrace dusičnanových iontů v povrchové vrstvě. Nebyla však zaznamenána žádná výrazná změna v koncentraci oxidu uhličitého.

  Výsledky experimentu ukázaly, že fotosyntéza byla fyziologicky limitována dostupností železa. Otázkou zůstalo, proč nebyl vzrůst fytoplanktonu, následovaný zvýšenou spotřebou a transportem CO₂, ještě výraznější. Nabízela se tři vysvětlení: 1. Poté, co bylo dosaženo nadbytku železa, se stala limitující jiná živina, 2. zooplankton byl schopen zkonzumovat většinu nově narostlé biomasy, a podržel tak množství fytoplanktonu na nízké úrovni, 3. přidané železnaté ionty rychle zoxidovaly a vysrážely se, a proto ze zóny, v níž může probíhat fotosyntéza, zmizely.

• IronEx 2. K vyřešení těchto otázek byl v květnu a červnu 1995 proveden druhý experiment. Tentokrát oceánografové obohatili vodu železem v několika menších dávkách rozložených do více než dvou týdnů. Tím zvýšili koncentraci železa v povrchové vrstvě na 1 až 2 nanomoly. Výsledky byly plně přesvědčivé. V pokusné zóně se koncentrace chlorofylu zvýšila více než třicetinásobně. Způsobil to hlavně nárůst rozsivek. Koncentrace dusičnanových iontů poklesla z 15 na 4 mikromoly, koncentrace CO₂ v povrchové vrstvě poklesla téměř o 20 %. Výsledky druhého experimentu hypotézu limitace železem v některých oblastech rovníkového Tichomoří jednoznačně potvrdily.

Jižní oceán

Poté, co byla prokázána důležitost železa pro růst fytoplanktonu v tropických vodách, se pozornost oceánografů obrátila k Jižnímu oceánu. Tak bývá označována oblast světového oceánu kolem Antarktidy, která je na severu ohraničena antarktickou konvergencí. Hydrograficky se oblast výrazně odlišuje od přiléhajících vod Tichého, Atlantického a Indického oceánu, a proto bývá často považována za samostatný oceán. Výzkumníci zde čelí nepoměrně obtížnějším podmínkám než v tropických vodách. Jižní oceán je jedno z nejnevypočitatelnějších míst na Zemi. Expedice se mohou setkat s několikadenními bouřemi, které nejenže zamezí většině měření, ale mohou i výrazně rozmíchat obohacenou zónu. Nižší teploty omezují růst fytoplanktonu, a tak se dají očekávat výrazně pomalejší odezvy v nárůstu biomasy a chlorofylu. To vše klade velké nároky na plánování a organizaci experimentů.

• SOIREE (Southern ocean iron release experiment). Tato mezinárodní expedice pod novozélandským vedením vyrazila do vod Jižního oceánu jako první, v únoru 1999. K experimentu si vybrala oblast na 61° jižně od Tasmánie. Po aplikaci železa v zóně o rozloze 50 km² opět pozorovala oživení fotosyntézy a až čtvrtý den zaznamenala nárůst množství chlorofylu. Po dvou týdnech sledování byl nárůst přibližně čtyřnásobný. Vlivem větru a mořského proudění se pokusná zóna již druhý den rozšířila na 100 km² a po dvou týdnech na 200 km². Ještě dva týdny po skončení experimentu byla satelitním systémem SeaWiFS zaznamenána zóna zhruba 1100 km² se zvýšeným obsahem chlorofylu. V průběhu experimentu byl v povrchové vrstvě zjištěn asi 10% pokles v koncentraci oxidu uhličitého. Přesto experiment vyvolal mnohé otázky. Vzhledem k pomalému nárůstu biomasy neměla expedice dost času na další sledování osudu obohacené zóny. Nárůst chlorofylu nebyl příliš výrazný a nebyl zaznamenán nikterak zvýšený export uhlíku z povrchové vrstvy. To nastolilo podobné otázky jako experiment IronEx 1 v rovníkovém Tichém oceánu.
• EisenEx. Tato převážně evropská expedice vyplouvá z Kapského města přibližně o dva roky později, v listopadu 2000, na palubě výzkumného ledoborce Polarstern patřícího ústavu Alfreda Wegenera v severoněmeckém Bremerhavenu. Oceánografové aplikují železo na 48° jižní šířky na jih od Afriky. Podobně jako u experimentu SOIREE je vývoj obohacené zóny poznamenán silnou horizontální difuzí a poměrně pomalým nárůstem chlorofylu. Po necelých třech týdnech bylo dosaženo pětinásobného vzrůstu chlorofylu, který byl způsoben především nárůstem větších rozsivek.

• SOFeX (Southern ocean fertilization experiment). V lednu 2002 vyrážejí do Jižního oceánu opět Američané. Na rozdíl od předchozích pokusů se obohacuje na dvou odlišných místech. Jedním z nich je oblast na 55. stupni jižní šířky; vyznačuje se poměrně vysokým obsahem živin s výjimkou křemíku. (Společenstvu, které je vyvoláno přídavkem železa, obvykle dominují rozsivky, pro něž je křemík základní živinou.) Druhá zóna je položena jižně od polární fronty na 66. stupni jižní šířky. Zde se očekávají ty nejpříhodnější podmínky. V této dosud nejrozsáhlejší operaci jsou nasazeny tři lodě. Výzkumné plavidlo Roger Revelle (obrázek) určuje pokusné zóny a aplikuje železo. O dva týdny později jej následuje Melville, který detailně měří změny ve vodním sloupci. Na závěr vyráží z americké antarktické základny McMurdo ledoborec Polar Star, aby stanovil biogeochemické změny způsobené v pokusné zóně, především množství exportovaného uhlíku. Celá akce je rozložena do dvou měsíců, což dává k dispozici dostatek času na sledování vývoje pokusných zón. Na konečné výsledky této expedice si budeme prozatím muset počkat až do jejich zpracování a uveřejnění. Již dnes však můžeme říci, že experiment skončil výrazným úspěchem. V severní pokusné zóně zaznamenal přibližně desetinásobný a v jižní téměř dvacetinásobný nárůst chlorofylu. Masivní nárůst fytoplanktonu, opět především rozsivek, způsobil výrazné odčerpání CO₂ a dusičnanů z povrchové vrstvy. Obě zóny se též podařilo zaznamenat satelitním systémem SeaWifS.

  Železo, fytoplankton a světové klima

  Mořský fytoplankton se spolu se suchozemskými rostlinami podílí na odstraňování CO₂ z atmosféry. Je dobře známo, že CO₂ je jedním z hlavních „skleníkových“ plynů. Paleoklimatologické záznamy z vrtů do antarktického ledovce na ruské stanici Vostok (viz Vesmír 72, 624, 1993/11) ukazují pozoruhodnou korelaci mezi množstvím prachu (který obsahuje železo), koncentrací CO₂ a teplotou za poslední čtyři glaciály. Na základě toho vznikla hypotéza, že v průběhu dob ledových, kdy bylo klima celkově sušší a větrnější, byl výraznější přísun železa do oceánu. Vedlo to k zvýšené fixaci CO₂, a tím i k dalšímu poklesu globální teploty. John H. Martin z Mořské laboratoře v kalifornském Moss Landing, který se na konci 80. let minulého století stal hlavním propagátorem „železné“ hypotézy, to žertem glosoval: „Dejte mi půl tankeru železa a udělám vám novou dobu ledovou.“

  V dnešní době, kdy sílí obavy z možných změn světového klimatu způsobených rostoucí koncentrací CO₂ v atmosféře, nabývá tato představa na zajímavosti. Začínají se objevovat úvahy o „velkoplošném přihnojování“ oceánu železem s využitím volné kapacity ropných tankerů. To by mělo vést k zvýšenému růstu fytoplanktonu a k odčerpání nadbytečného CO₂ z atmosféry. Americké patentové úřady již obdržely i několik patentových přihlášek na toto téma. Většina vědců je však k podobnému klimatickému inženýrství skeptická a pokládá je za riskantní. Dosud nebyl podán žádný přímý důkaz, že by růst fytoplaktonu vyvolaný infuzemi železa vedl k trvalému odčerpání CO₂ z atmosféry. Dá se předpokládat, že většina takto fixovaného uhlíku posléze prošla potravními řetězci a vrátila se zpět do atmosféry. Zřejmě pouze zlomek byl exportován na oceánské dno, a tím vyřazen z přirozeného koloběhu. Navíc by masivní komerční vpravování železa do oceánů bez náležité odborné kontroly mohlo negativně ovlivnit fungování mořského ekosystému. Doufejme proto, že „železné“ experimenty zůstanou především v rukou vědců jako zajímavý nástroj v našem úsilí o poznání základních biologických procesů a fungování života na Zemi.