Biodiverzita a fungování ekosystémů

Když si své celoživotní úspory schováte pod polštář a přijde požár nebo povodeň, budete začínat znovu od nuly. Lepší je rozdělit svůj majetek do bank, akcií či nemovitostí. Tento jev se nazývá portfoliový efekt. Některé poznatky naznačují, že něco podobného platí pro biodiverzitu ekosystémů. Čím rozmanitější ekosystém, tím vyšší je pravděpodobnost jeho obnovy třeba i po velké katastrofě. Do určité míry tak může biodiverzita působit jako pojistka proti krizi životního prostředí.

Myšlenka, že rozmanitější ekosystémy fungují lépe než ochuzené, byla blízká již Ch. Darwinovi. Jeho srovnání ekosystémů přírodních a řízených lidmi se stala jedním z pilířů moderní ekologie. V průběhu minulého století byla na toto téma vyslovena řada hypotéz – a z předpokladu, že vyšší biodiverzita podporuje stabilitu ekosystému, vycházela většina z nich (viz Vesmír 79, 97, 2000/2). Teprve v posledních letech tuto představu zpochybnil Robert May, působící v poslední době ve Velké Británii na Oxfordské univerzitě. Modeloval různá náhodně sestavená společenstva a svými výsledky, které zdaleka nebyly jednoznačné, vyvolal bouřlivou diskusi. Se vzrůstajícím celosvětovým ohrožením biodiverzity vzrůstá i zájem o zákonitosti, jimiž se biodiverzita řídí. Od modelování se přešlo k rozsáhlým, nákladným experimentům v přírodě, které roli biodiverzity ukazují zas v trochu jiném světle (viz Vesmír 79, 143, 2000/3 a 80, 573, 2001/10). Některá rizika pochopíme, teprve když se na biodiverzitu podíváme nejen jako na důsledek, ale i jako na příčinu změn v přírodě.

Proměňující se mozaika

Zpočátku se ekologové domnívali, že každý ekosystém směřuje k cílovému stavu, v němž potom setrvává. Dnes je příroda vnímána spíše jako neustále se měnící mozaika, která se nechová pouze deterministicky, nýbrž poskytuje prostor pro nahodilé procesy, někdy i katastrofické posuny. Tím se ale předpověditelnost chování systémů komplikuje. Jádrem ekosystémů jsou sítě organizmů, které modulují přeměnu sluneční energie v organickou hmotu či rozklad odumřelé biomasy. Toto „předivo života“ je propojeno různě silnými ekologickými interakcemi. Druhy si představme jako „atomy“, které se sdružují do ekologických „molekul“, tj. funkčních skupin tvořících základ ekosystémových procesů. Podle podmínek v ekosystému se pak vytvářejí více či méně trvanlivé útvary organizmů různé síly a „s různým znaménkem“. Přitom každá změna může spustit kaskádu nových reakcí, které povedou k poněkud odlišnému uspořádání. A právě interakce mezi druhy ve společenstvu určují odolnost a pružnost ekosystému.

Jestliže může přidání nebo odebrání druhu vyvolat řetězovou reakci, která změní skladbu celého ekosystému, stojí za to zkoumat, jakou změnu určitý nárůst, či naopak úbytek způsobí. Rozsáhlé pokusy v přírodním i modelovém prostředí již prokázaly, že biodiverzita výkon ekosystémů i jejich stabilitu ovlivňuje, ale vysvětlení vzájemných vztahů dosud vyvolává bouřlivé diskuse. Změny produktivity nebo zásoby živin mohou záviset na znacích několika klíčových druhů stejně jako na tom, jak se druhy navzájem doplňují ve využívání zdrojů. Fungování ekosystémů představuje do určité míry umělý koncept (viz Vesmír 81, 127, 2002/3), funkcí druhů totiž není produkce, ale přežívání. Měřitelné fungování ekosystémů je v podstatě vedlejším produktem rozšíření života na Zemi, argumenty pro zachování biodiverzity tedy nemohou být založeny pouze na funkčním pojetí přírody. Nelze ovšem zastírat, že diskuse okolo vztahu diverzity a stability přidává polínko do ochranářského ohně.

Plodí diverzita stabilitu?

V experimentální stanici Rothamsted ve Velké Británii sledují travinné ekosystémy již od dob Darwinových. Ukazuje se, že produkce biomasy na pokusných plochách je poměrně stabilní proměnnou. Zachyceny byly i změny druhového složení, ale ojedinělá časová řada (byť dlouhá) nemůže poskytnout jednoznačný důkaz.

Domněnka, že vyšší diverzita jde ruku v ruce s lepším fungováním ekosystémů, vzešla z pozorování různých ekosystémů v přírodě, od tundry až po tropické lesy. Již dlouho se s touto zákonitostí počítá v zemědělství při pěstování rozmanitých kultur – rozmanitější společenstva lépe odolávají nepříznivým podmínkám nebo invazím nepůvodních druhů. Například zemědělské monokultury bývají náchylnější na poškození a druhově poměrně chudá tajga podléhá mnohem častěji přemnožení některých ekonomicky nebo epidemiologicky závažných druhů („škůdců“) než druhově nesmírně bohatý tropický prales.

Donedávna však chyběly experimenty, v nichž by přímé změny diverzity v kontrolovaných podmínkách přinesly odpověď na otázku, kolik biodiverzity ekosystém pro „správné“ fungování potřebuje. Obava, že by ubývání biodiverzity mohlo mít nepříznivé důsledky, v devadesátých letech 20. století vzrostla, a proto bylo třeba shromáždit všechny poznatky o tom, jak biodiverzita fungování ekosystémů ovlivňuje. Úkolu se v rámci projektu SCOPE ¹⁾ ujali Ernst Detlef Schulze a Harold Mooney, jimž se podařilo odhalit některé mezery v poznání a vytvořit nový ekologický proud, který se hypotézami o důsledcích úbytku biodiverzity na fungování ekosystémů zabývá hlouběji (obrázek).

• Experimenty v přírodních podmínkách. Zkoumání vztahu mezi diverzitou a stabilitou je poměrně náročné, sleduje se výkonnost společenstev s různou diverzitou a s různým složením funkčních skupin. Za vhodný model se považují travinné ekosystémy. V jednom z vůbec prvních experimentů zkoumajících diverzitu (r. 1993) založili David Tilman a jeho kolegové z Minnesotské univerzity v oblasti Cedar Creek množství experimentálních ploch, které oseli směskami rostlin v různých poměrech (viz obrázek). Tak vytvořili plochy s různou hladinou diverzity, nechyběly ani monokultury. Pro popis ekosystémových procesů vybrali produkci společenstva, tj. nadzemní biomasu přirostlou za vegetační sezonu. Již předtím se vědělo, že druhově rozmanitější směsky lépe odolávají suchu a také se rychleji vzpamatovávají. Pokud diverzita opravdu ovlivňuje produktivitu, mělo by být rozmanité seskupení rostlin produktivnější než nejvýkonnější monokultura. Americký „prérijní“ pokus sice potvrdil, že s rozmanitostí společenstev produktivita (a tím i lapání uhlíku a využití živin) vzrůstá. Přesto však (i když šlo o pokus důkladný a rozsáhlý) zatím nemůžeme tvrdit, že uvedené zákonitosti platí i pro ostatní typy travinných ekosystémů.

  Na Tilmanovy experimenty navázal projekt BIODEPTH, který bral v úvahu proměnlivost evropské krajiny. Pokusné plochy zkoumající odezvu ekosystémových procesů na klesající biodiverzitu v travinných ekosystémech byly zřízeny hned v několika evropských zemích. Zjistilo se, že nadzemní biomasa přímočaře klesá se snižující se diverzitou. Každé snížení počtu druhů na polovinu způsobuje pokles výnosů o 10 až 20 %. Významnou roli pro zvýšení produkce hraje také počet funkčních skupin rostlin, kdy vynechání jedné z nich (například trávy nebo luskoviny) snižuje produktivitu v průměru o 100 gramů na m².

  Jak si závislost produktivity na biodiverzitě vysvětlujeme? Díky různorodosti svých znaků překrývají rozmanitější společenstva své ekologické niky, a tím pravděpodobně „přečerpávají“ dostupné živiny v ekosystému. Kromě toho se může ve společenstvu s určitou pravděpodobností vyskytnout druh s lepšími vlastnostmi, který ekosystémové procesy zesiluje více než zbývající druhy. Tento efekt záleží na náhodě, podobně jako tah čísel v loterii.

  Význam obou efektů zůstává zatím nevysvětlen, při experimentech v přírodních podmínkách nelze hlídat všechny faktory regulace společenstev. Další řešení je třeba hledat v laboratoři.

• Umělé ekosystémy (mikrokosmy). Víme již, že rostlinná společenstva fungují s přibývající biodiverzitou lépe, ale nevíme, jestli něco podobného platí pro ekosystémy s více potravními hladinami. Shahid Naeem a jeho kolegové z Centra pro populační biologii v Silwood Park u Londýna tuto hypotézu ověřovali v experimentálních komorách Ecotron (obrázek), v nichž byly mikrokosmy o rozloze 1 m². Komory umožňují sledovat a regulovat například teplotu nebo vlhkost. V mikrokosmech byla různá druhová rozmanitost ve čtyřech potravních skupinách – rostlinách, měkkýších, hmyzu a parazitoidech s dekompozitory (houbami a mikroby). Vtip spočíval v tom, že mikrokosmy s nižší biodiverzitou byly podmnožinou těch rozmanitějších. V takto uspořádaných mikrokosmech se potom měřila například respirace nebo produktivita rostlin. Výsledky do jisté míry svědčily pro domněnku, že procesy v rozmanitějších společenstvech budou silnější (mikrokosmy s vyšší diverzitou spotřebovaly například více CO₂). Toto zjištění má mimo jiné význam pro zmírňování důsledků změny podnebí. Podobné pokusy se prováděly také ve sladkovodních mikrobiálních mikrokosmech, kde se navíc ukázalo, že rostoucí biodiverzita zlepšuje kromě produktivity ekosystému i předpověditelnost jeho chování.

Ekologické pojištění

Výsledky většiny experimentů naznačují, že se fungování ekosystému s rostoucí biodiverzitou „nasycuje“. Ekosystémy totiž pravděpodobně obsahují druhy, které fungování systému nijak významně neovlivňují. Při změně životního prostředí se však mohou pro ekosystém stát klíčovými složkami právě ty druhy, které předtím byly „nadbytečné“. Biodiverzita tak může fungovat jako určitá pojistka ekosystému proti kolapsu. Ten může přijít náhle, a totální obnova zcela zkolabovaného ekosystému pak vyžaduje mnohonásobně více úsilí než běžné návraty do původního stavu. Biodiverzita tedy do určité míry zaručuje spolehlivost, se kterou ekosystém pracuje „udržitelně“, to znamená, že je dlouhodobě schopen poskytovat lidem vyžadované statky a služby (produkci potravin a vláken, opylování, regulaci klimatu nebo možnost rekreačního vyžití).

Co z debaty o vztahu biodiverzity a fungování ekosystémů vyplývá? Stále nevíme, kolik biodiverzity je nezbytně třeba k tomu, aby ekosystém fungoval zdravě. Fungování ekosystému zahrnuje mnoho nejistot, které nás mohou zaskočit. Ukazuje se však, že biodiverzita má na fungování ekosystémů stejně velký vliv jako klima nebo půdní podmínky. Zabránit poklesu biodiverzity je pro udržitelný rozvoj lidské civilizace stejně důležité jako snížit zátěž civilizačního růstu na životní prostředí. Z ekologického hlediska jsou tedy investice do ochrany biodiverzity výnosným pojištěním pro společnost, která je na zdravém fungování ekosystémů více než závislá.