Arktida

Arktická oblast a vývoj její neživé i živé přírody jsou ukazateli rychlosti a intenzity globálních změn probíhajících na naší planetě. Proto se ekologickému výzkumu Arktidy věnuje velká pozornost. V několika posledních letech probíhal velký mezinárodní projekt, jehož cílem bylo vypracovat kompletní vědeckou zprávu o měnící se přírodě arktické oblasti v souvislosti s globálními změnami, především s oteplováním a zvyšováním UV-B záření. ¹⁾

Jak se globální klimatické změny projevují v arktické oblasti

Analýza ledových vrtných jader dokázala, že zvýšení koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře souvisí s růstem průměrné globální teploty. Vlivem spalování fosilních paliv a snižování ploch zeleně se koncentrace oxidu uhličitého, metanu a ostatních skleníkových plynů v atmosféře zvýšila od počátku průmyslové revoluce zhruba o 35 %. Projevilo se to nárůstem průměrné roční globální teploty o 0,6 °C. Přinejmenším v tomto století koncentrace skleníkových plynů v atmosféře nadále porostou a průměrné roční teploty se zvýší o 1,4 až 5,8 °C. Vlivem nárůstu teploty se změní cirkulace atmosférických a vodních mas, geografické rozložení a intenzita srážek a zvýší se hladina oceánů. Nejpostiženější budou pobřežní ekosystémy. Pro lidstvo bude krom jiného stále obtížnější nacházet nové zdroje pitné vody. V současnosti je 80 % potřebné energie zajišťováno spalováním fosilních paliv. Ani v 21. století se to nepodaří významně změnit a pokles množství vypouštěných skleníkových plynů bude jen velmi pomalý. Zastavení a obrácení současného trendu zvyšování koncentrace oxidu uhličitého a skleníkových plynů v atmosféře je záležitostí ještě vzdálenější budoucnosti.

Historický přehled změn v Arktidě

Význam všech změn neživé i živé arktické přírody souvisejících se změnami klimatu (viz rámeček 1 ) může být snadno zpochybněn. Vždyť přece k výkyvům klimatu dochází v arktické oblasti odnepaměti a člověk zatím nedokáže aktivně ovlivňovat globální zákonitosti. Jsme pouze schopni přihlížet a reagovat až na konkrétní změny. To vše je pravda, ale jejich pochopení v celé složitosti musí ovlivňovat naše chování především v oblasti spalování fosilních paliv.

Během posledního glaciálního maxima (zhruba před 10 000 lety) většinu arktických oblastí pokrýval ohromný ledový příkrov, který zasahoval až do centrálních částí Evropy, Asie a Severní Ameriky. Některá místa Arktidy však led nepokrýval, a ta se stala útočištěm pro různé organizmy. Průměrná teplota arktické oblasti byla tehdy o 10 až 13 °C nižší, než je tomu nyní. V průběhu několika dalších tisíciletí se mnohokrát oteplilo a opět ochladilo. V některých případech byla rychlost změn srovnatelná s rychlostí předpovězenou pro 21. století. Posledním takovým obdobím byla malá doba ledová, chladná perioda mezi 13. až 19. stoletím.

Za posledních 150 000 let zaujímá arktický ekosystém nejmenší rozlohu. Očekávané negativní důsledky klimatických změn nemají v historii celého pleistocénu obdobu, neboť současné oteplování je provázeno dalšími ekologickými změnami, např. zvyšováním dávek UV-B záření, ukládáním dusíkatých sloučenin, znečištěním těžkými kovy, okyselováním prostředí, kontaminací radioaktivními látkami či fragmentací ekosystémů.

Organizmy Arktidy a jejich schopnost reagovat na klimatické změny

Rostlinná diverzita Arktidy je nízká a snižuje se od hranice lesa směrem k polární poušti. Žijí tu jen asi 3 % druhů nacházejících se na naší planetě (vyjma sinice a řasy), některé formy jsou zde však velmi hojné (např. mechorosty a lišejníky). Ačkoliv všeobecně je množství druhů v Arktidě nízké, vybrané skupiny rostlin zde mají vyšší diverzitu než v mírném pásu. Gradient četnosti rostlinných druhů podle zeměpisné šířky působí v Arktidě daleko výrazněji a na kratší vzdálenosti než kdekoli jinde. To naznačuje, že diverzita arktických rostlin je citlivá na změny klimatu. Proto se velké množství druhů citlivých na teplotní změny nachází v blízkosti jižní hranice tundry.

Arktické rostliny nemají žádná zvláštní přizpůsobení. První schopnost, kterou musí mít, je odolnost k mrazu, a tu má asi 75 % všech cévnatých rostlin světa. Krátká vegetační doba a ostrý úhel dopadu slunečního záření jsou výhodnější pro dlouhý životní cyklus, v němž pomalý růst často zabezpečují živiny a energie uložené v těle. Některé rostlinné druhy umějí maximálně využít teplotu svého vnitřního prostředí, která je mnohdy vyšší než teplota okolí. Nízká teplota půdy snižuje mikrobiální aktivitu i dostupnost minerálních látek. Rostliny se snaží tyto nevýhody zmírnit – ukládají minerální živiny v tkáních, využívají živiny z odumřelých tkání, zvyšují rychlost příjmu za nízkých teplot atd. Mnohá přizpůsobení arktickým podmínkám znesnadňují rostlinám reakci na oteplování; umožňují jim sice žít v extrémním prostředí, avšak znevýhodňují je v konkurenci s invazními rostlinami z jihu.

Arktické druhy rostlin mají podobnou genetickou různorodost jako druhy mírného pásma – variabilita kolísá od vysoké až po velmi nízkou. Například u rozšířeného rodu ostřice není stupeň genetické rozmanitosti ovlivněn klimatem, ale je do značné míry spojen s glaciální historií lokality, z níž daný druh pochází. Populace z míst odledněných před 10 000 lety mají významně nižší genetickou variabilitu než populace z oblastí odledněných před 60 000 lety. Druhy s velkou genetickou variabilitou mají obvykle větší areál rozšíření. Obojí společně s velkou fenotypovou plasticitou přispívá k odolnosti vůči změnám prostředí na úrovni populací i na úrovni druhů. Genetická rozmanitost ve vztahu k ekologickým podmínkám je zakódována v semenech, která si zachovávají vysokou klíčivost po dlouhou dobu.

Diverzita arktických živočichů nad hranicí lesa je asi dvakrát vyšší než diverzita cévnatých rostlin a mechorostů. Pokles počtu živočišných druhů se zeměpisnou šířkou je mnohem pomalejší (asi dvaapůlkrát) než u rostlin a je provázen zvýšenou dominancí některých druhů. Nejdominantnější rostliny a živočichové osídlují široké spektrum biotopů a pro většinu procesů ekosystému mají velký význam.

Živočichové jsou životu v Arktidě rozmanitě přizpůsobeni. Savci a ptáci jsou vybaveni mohutnou izolační vrstvou srsti či peří (která se navíc sezonně obměňuje) a před zimním obdobím si ukládají zásobu podkožního tuku. Před chladem je chrání i třes svaloviny, snížení evaporace, řízení periferního krevního oběhu, tepenná výměna tepla, zužování a rozšiřování cév ad. Bezobratlí se chrání před nízkými teplotami tak, že kombinují rychlý růst s výhodným zbarvením a ochlupením. Krátká vegetační doba s nestálými klimatickými podmínkami většinu zvířat nutí, aby dokončila životní cyklus velmi rychle. Biotické prostředí je však relativně jednoduché a tlak predátorů či potravních konkurentů je mnohem slabší než v teplejších oblastech. Proto také arktičtí živočichové v ochraně před predátory nevynikají a hůře odolávají nemocem a parazitům. Důležitým předpokladem přežití je víceletý životní cyklus. Řada zvířat přečkává zimu v hibernaci nebo migruje na dlouhé vzdálenosti. Obecně jsou arktičtí živočichové velmi citliví na změny způsobené klimatickými vlivy.

Genetická různorodost suchozemských živočichů je ovlivněna přítomností migračních bariér. Pro zvířata s omezenou pohyblivostí (např. lumíky) může i široká řeka tvořit hranici mezi poddruhy. Naopak zvířata mobilní (např. lišky) mají genetickou variabilitu velmi malou. Prozatím víme jen málo o schopnosti zvířat přizpůsobit se klimatickým změnám. Také znalosti o rozšíření druhů a hranicích jejich výskytu jsou nedostatečné. Avšak porovnání současných migračních cest karibu s historickými záznamy naznačuje, že ke změnám dochází.

Většina hmyzích populací žije jižně od hranice lesa. S posunem hranice se posouvá i území obývané hmyzem. Studie zabývající se vybranými druhy ptáků a motýlů naznačují, že druhy žijící v současné době jižněji jsou připraveny migrovat na sever. Na základě klimatického modelu lze předpokládat, že dramaticky ubude ptáků obývajících tundru, protože se část tundry přemění v lesotundru a další část bude zaplavena vodou stoupajícího moře.

Mikrobiální diverzita je těžko odhadnutelná. Arktická půda obsahuje velké zásoby mikro biální biomasy, ačkoliv její diverzita je nižší než v mírné či tropické oblasti a se zeměpisnou šířkou rychle klesá. Řada druhů bakterií a hub běžných v mírném pásu se v tundře nevyskytuje. Arktické mikroorganizmy jsou odolné vůči vymrzání a některé z nich metabolizují dokonce při teplotách až –39 °C. V zimním období je metabolická aktivita bakterií odpovědná asi za 50 % emisí CO₂. Chladová odolnost je spojená s odolností vůči vysoušení. Mikroorganizmy jsou vysoce adaptivní. Tolerují většinu extrémních podmínek a díky rychlému životnímu cyklu se snadno přizpůsobují podmínkám novým. Asi jedno procento přírodních bakteriálních kmenů izolovaných v Arktidě vykazuje mutagenní změny. Vysoká rychlost mutací umožňuje vznik různých patogenních mikrobiálních typů, které mohou vyvolat epidemii. Předpokládá se, že v Arktidě budou mikroorganizmy rychle mutovat především kvůli zvyšujícím se dávkám UV-B záření a kvůli toxickým látkám, které se do Arktidy dostávají z mírné oblasti. Pravděpodobnost patogenních mutací sice není velká, ale jejich vznik může vést k rozsáhlým epidemiím.

Struktura a ekologické vazby arktického ekosystému

Změny klimatu pravděpodobně ovlivní tři významné prvky současných ekosystémů Arktidy: strukturu vegetace, potravní vztahy a bio-diverzitu. Vertikální struktura rostlinných společenstev a pokryvnost se mění od lesotundry, která se nachází na jižním okraji arktické oblasti a dosahuje výšky necelých 2 m, až po tundru s výškou do 5 cm a s pokryvností menší než 5 %. Dál na sever přechází tundra v polární poušť. Rostlinná společenstva konkrétních lokalit se postupně stěhují do severnějších oblastí. Satelitní snímky a původní obyvatelé Arktidy tento pohyb registrují.

Přidáme-li do půdy minerální živiny, zvýší se produktivita, výška i struktura arktických společenstev a zrychlí se koloběh organické hmoty. Vyprodukované biomasy může být více nebo méně – záleží na dávce hnojiva. V příští stovce let předpokládáme oteplení tundry o 2–4 °C. To bude mít na vegetaci menší vliv než zavlažování a hnojení. Účinek živin, teploty a závlahy se stupňuje se zeměpisnou šířkou – v nízké Arktidě je nejnižší, ve vysoké se projevuje výrazně. Na druhé straně desetiletý experiment v subarktické oblasti ukázal, že mechorosty a lišejníky svoji produkci naopak snižují. Ve vysoké Arktidě reaguje na zvýšení teploty velmi pozitivně především mikrofauna na povrchu půdy. Méně zřetelná je reakce mikrofauny pod povrchem půdy a ještě nezřetelnější u mikrofauny subarktické. Střídavé zamrzání a tání v jarním období zvyšují úmrtnost řady druhů. Arktičtí bezobratlí budou reagovat na oteplení velmi rychle a pozitivně. Dlouhodobé letní zahřívání o 2–4 °C oproti tomu nezpůsobilo významné změny ve složení mikrobiálních společenstev ani v mikrobiální produkci a v zásobě minerálních živin. Z toho vyplývá, že pouhé zvyšování teploty významně neovlivňuje obsah mikrobiálního uhlíku ani uvolňování živin v půdě. Také vyšší intenzita UV-B záření a vyšší koncentrace CO₂ nezmění složení rostlinných společenstev. UV-B radiace však mění složení houbového společenstva.

Trofické vztahy v tundře a v subarktické leso-tundře jsou velmi jednoduché, protože býložravých hlodavců je jen několik málo druhů. Někteří z nich se pravidelně přemnožují a ovlivňují vývoj vegetace, její strukturu a diverzitu. Po přemnožení zpravidla následuje i zvýšení četnosti predátorů a parazitů. Naopak nedostatek drobných hlodavců v letním období vede k větší rostlinné produkci. Takto provázané trofické vztahy jsou velmi citlivé na klimatické změny. Například ledová zimní krusta brání lumíkům v přístupu k vegetaci, příliš hluboký sníh z nich pro změnu dělá snadnější kořist. V subarktickém lese žije několik druhů hmyzu, které se podobně jako drobní hlodavci cyklicky přemnožují. Mohou pak zdevastovat velké plochy březového porostu a hrát klíčovou úlohu ve struktuře a dynamice lesa.

V důsledku velmi pomalého rozkladu se v arktickém ekosystému hromadí organické látky a minerální živiny. Tyto živiny, především dusík a fosfor, často limitují rozvoj arktického ekosystému. Proto v současné době probíhá řada experimentů (teplotní manipulace, závlaha a manipulace se sněhovou pokrývkou), které mají odhadnout, do jaké míry klimatické změny ovlivní vztah mezi fixací uhlíku a omezením minerálními živinami. Jakékoli narušení ekosystému pravděpodobně zároveň zrychlí tok uhlíku a ostatních látek. Obnova po narušení je pak velmi pomalá. Jednotlivé rostlinné druhy mají vliv na tok látek ekosystémem, ale rychlost toku vzhledem ke klimatu a zdrojům je zatím neznámá, stejně jako vliv zvýšené koncentrace CO₂ a UV záření na ekosystém. Předpokládá se, že nepřímý vliv CO₂ a UV záření na úrovni ekosystému bude důležitější než změny na úrovni diverzity.

Nejdůležitější plyny v Arktidě jsou oxid uhličitý a metan. Jejich výměnu mezi ekosystémem a atmosférou zajišťují z poloviny rostliny a z poloviny půdní mikroorganizmy. Podmáčená tundra je důležitým dodavatelem CH₄ do atmosféry, ale metan je aerobními procesy v půdě také spotřebováván. Za normálních okolností jsou produkce a spotřeba v rovnováze. Uvolňování metanu je ovlivněno složením vegetace a teplotou půdy. Silná sněhová pokrývka na začátku zimy, kdy ještě nepromrzla půda, vede k silné emisi metanu. Kromě metanu se v zimním období uvolňuje také N₂O. Oba procesy jsou citlivé na případné zimní oteplování.

V Arktidě panují největší sezonní rozdíly v toku energie, neboť se mění albedo (množství odražené sluneční energie). V zimním období sníh většinu dopadající energie odráží, v létě naopak ekosystém většinu energie absorbuje. Výměnu vody a energie významně ovlivňuje vegetace. Cévnaté rostliny jsou odpovědné za většinu toku CO₂, kdežto mechy se největší měrou podílejí na výparu vody. Velikost albeda v zimním období od tundry přes lesotundru k opadavému a jehličnatému lesu klesá. Keře a stromy zvyšují sněhovou pokrývku, která zase zvyšuje zimní teplotu půdy. Rostliny s velkou pokryvností a mechové koberce izolují půdu, a tím chrání permafrost před rozmrzáním.

Fyzikální a biologické procesy v Arktidě jsou provázané s procesy na celé planetě. Se změnou klimatu nejúže souvisí albedo, uvolňování nebo poutání skleníkových plynů a urychlování koloběhu vody. Všechny tyto faktory jsou závislé na rozložení vegetace, ale je těžké přesně předpovědět, jak se budou vyvíjet.