Nedopsaný příběh červeného sněhu

Červené zabarvení sněhu v horských a polárních oblastech způsobené masivním namnožením mikroskopických řas přitahuje pozornost od dávných dob. Ačkoliv právě uplynulo již 200 let od britské expedice do Arktidy, která jako první přivezla vzorky červeného sněhu určené k vědeckému zkoumání, nabízí tento fenomén stále více otázek než odpovědí

Sněžné řasy jsou fotosyntetické mikroorganismy, kterým se daří v extrémním prostředí sněhových polí. Za příhodných podmínek mohou počty buněk řas dosahovat velmi vysokých hodnot a způsobovat zabarvení sněhu do různých odstínů od zelené přes oranžovou až po sytě červenou. Většinou se jedná o organismy ze skupiny zelených řas (řád Chlamydomonadales), které mají poměrně komplikované životní cykly zahrnující jak aktivně se pohybující bičíkatá stadia, tak i nepohyblivé cysty či spory.

Dosud bylo spolehlivě popsáno kolem dvaceti druhů sněžných řas z rodů Chloromonas, Chlamydomonas a Chlainomonas a další postupně přibývají. Kvůli časově i technicky náročné izolaci laboratorních kmenů a často špatně dostupným lokalitám výskytu je však životní cyklus detailně prozkoumán jen u zlomku z nich. Věříme, že jeho průběh je právě tím klíčem, díky kterému tyto řasy úspěšně kolonizují prostředí tajícího sněhu. Jakmile sníh začne v pozdním jaru tát, cysty klíčí v bičíkovce, kteří putují sněhovou pokrývkou směrem nahoru a za příznivých podmínek se rychle dělí. Bičíkovci vstupují do stadia cysty obvykle ve vrstvě sněhu těsně pod povrchem a tyto mechanicky a teplotně odolné buňky se později objevují na povrchu tajícího sněhu.

Pokud se často vydáváte na letní túry třeba v Alpách nebo v Tatrách, pravděpodobně jste se setkali s červeně zbarveným sněhem. Skvrny mohou být tak nápadné, že se někdy mluví o krvavém sněhu. Zabarvení způsobuje sekundární karotenoid astaxantin, který buňky sněžných řas postupně hromadí ve velkém množství. Tento pigment je totiž velmi účinně chrání před negativním vlivem vysokých intenzit slunečního záření, které jsou pro povrch sněhu v horských a polárních oblastech charakteristické. Cysty sněžných řas se sice až do dalšího roku nedělí, ale jsou stále metabolicky aktivní. Astaxantin a jeho estery tak mohou také sloužit jako fyziologické úložiště nadbytečného přísunu energie.

Někteří lidé s citlivým čichem jsou schopni rozpoznat aroma melounu, které se line z tajícího sněhového pole a pochází údajně z produktu štěpení astaxantinu. Červenému vegetačnímu zabarvení se proto také říká melounový sníh.

Ochrana řas před slunečním zářením není jediným příznivým účinkem astaxantinu. Růst sněžných řas je celkově hlavně omezen podmínkou, bez které život nemůže existovat – přítomností kapalné vody. Díky zabarvení sněhu se ale významně snižuje (v tištěném Vesmíru bylo chybně uvedeno "zvyšuje", pozn. red.) albedo sněhu, což znamená větší množství absorbované energie, a tedy i intenzivnější tání sněhu a příznivější podmínky pro růst řas. V poslední době se vyrojila řada studií, které se snaží odhadnout, jakým způsobem může růst řas na povrchu ledovců urychlit jejich tání. Tento příběh zaujal nejen vědce, ale i novináře. S titulky jako Proč bude poslední sníh na Zemi možná červený?¹⁾ se sněžné řasy dostávají do širšího povědomí lidí, kteří o této skupině organismů donedávna neměli ani ponětí.

Trocha historie…

Zprávy o výskytu červeného sněhu pocházejí již od dávných kronikářů, a postupně byl zaznamenán na všech kontinentech včetně Antarktidy. V roce 1818 britské námořnictvo vyslalo výpravu do Arktidy vedenou kapitánem Johnem Rossem. Jejím úkolem bylo zejména hledání severozápadního průjezdu, který by umožnil plavbu mezi Atlantským a Tichým oceánem. Tento cíl se sice splnit nepodařilo, ale expedice během cesty provedla mnoho vědeckých měření a nasbírala řadu cenných vzorků (na popud kapitána byl například sestrojen speciální drapák, který poprvé umožnil studium organismů mořského dna i ve velkých hloubkách).

John Ross svá pozorování detailně popsal ve výpravné knize,²⁾ která obsahuje i zmínku o karmínově červených útesech poblíž mysu York na severozápadním pobřeží Grónska, včetně kresby zachycující rozsáhlé plochy pokryté červeným sněhem. Na pobřeží byla vyslána malá výprava, která zjistila, že zabarvení sněhu místy proniká až do hloubky deseti až dvanácti stop. Odebrané vzorky byly po návratu do Londýna předány k dalšímu zkoumání.

O rok později, v roce 1819, Francis Bauer publikoval v časopise britské Královské společnosti článek, ve kterém poprvé popsal původce červeného sněhu. Tehdy se domníval, že se jedná o houbu ze skupiny rzí, kterou pojmenoval Uredo nivalis. Někteří autoři se dokonce domnívali, že se jedná o vajíčka vířníků pozorovaných ve sněhu. Záhy se však objevily práce, které tento organismus postupně pod řadou jmen zařadily do rostlinné říše.

Zajímavý je i počátek historie výzkumu červeného sněhu v Jižní Americe. Poprvé si ho všiml v roce 1835 při přechodu And Charles Darwin, když pozoroval, že stopy mezků byly nápadně zbarvené. Jako zarputilý přírodovědec chtěl přijít i tomuto jevu na kloub. Nejdřív se domníval, že se jedná o prach z okolních skal, přímo na místě sníh pozoroval pod lupou a odebral i vzorek, který vysušil mezi listy svého deníku. Po návratu do Valparaisa detailně popsal vzhled „malých spor“ pod mikroskopem a závěrem uvedl: „Výskyt této tajnosnubné rostliny v oblastech věčného sněhu je dosti zvláštní jev.“

Jeden druh a mnoho záhad

V roce 1903 norský badatel Nordal Wille přeřadil původce červeného sněhu do rodu Chlamydomonas. Po dlouhých peripetiích tak dostal jméno, které používáme dodnes – Chlamydomonas nivalis. Tento druh je považován za nejrozšířenější sněžnou řasu – je běžně uváděn z horských lokalit nad hranicí lesa i z obou polárních oblastí. Vyskytuje se také na tak exotických místech, jako jsou ledovce v tropech (například v Ekvádoru). Problém však je, že vzorky červeného sněhu obvykle obsahují pouze jediný typ buněk – nepohyblivé cysty bez jasných determinačních znaků. Tyto buňky jsou doslova nacpané astaxantinem, což znemožňuje pozorování buněčného obsahu.

Detailní studium povrchu cyst pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu odhalilo, že v naprosté většině jsou tyto kulovité buňky zcela hladké, ve vzácnějších případech jsme ve vzorcích pocházejících z Norska a ze Svalbardu (Špicberků) pozorovali buňky s drobnými bradavičkami. Stále neprobádané jsou cysty, kterým pracovně říkáme „červená sluníčka“ nebo „kytky“ – buňky s velmi silnou sekundární buněčnou stěnou (skutečně vypadají jako „slunce s erupcemi“). Vyskytují se v terénních vzorcích obvykle jako příměs „klasických“ červených hladkých cyst. Nacházíme je pouze v severských oblastech (Kanada, Norsko, Aljaška aj.). Není jasné, zda se jedná o pozoruhodné další životní stadium, nebo představují zcela jiný, dosud nepopsaný druh.

Předpokládáme, že součástí životního cyklu Chlamydomonas nivalis jsou podobně jako u jiných druhů sněžných řas také bičíkovci, ale ti zatím nebyli uspokojivě popsáni. Nevíme také, jakým způsobem a kde přežívají buňky dlouhé zimní období. Je velmi zvláštní, že ač jde bezpochyby o nejčastěji studovanou sněžnou řasu, nikdo dosud nepozoroval aktivně rostoucí populaci. Sníh je prostě najednou červený a pod mikroskopem jsou jen cysty, které se už nedělí. Cysty navíc vytrvale odolávají pokusům o laboratorní kultivaci.

O ochočení vlajkového druhu sněžných řas se už po několik generací neúspěšně snaží vědci po celém světě. Proto je Chlamydomonas nivalis obvykle považován za nedokonale prozkoumaný, kolektivní druh. S rozvojem molekulárních metod se již podařilo získat sekvence z přírodních vzorků z různých geografických oblastí. Předběžné výsledky naznačují, že populace označované jako Chlamydomonas nivalis patří do dobře definované samostatné linie a bude je třeba v budoucnu zařadit do jiného rodu v rámci zelených řas z řádu Chlamydomonadales. Zdá se také, že je tato sněžná řasa opravdu rozšířená kosmopolitně, jak naznačuje podobná morfologie cyst nasbíraných v různých oblastech světa.

Není červená jako červená

Astaxantin úspěšně hromadí v lipidových tělískách mimo chloroplast i další druhy (nejen) sněžných řas. V závislosti na období vegetační sezony a na podmínkách prostředí v dané lokalitě se pak může zabarvení sněhu pohybovat od oranžové přes světle růžovou až po tmavě červenou.

Každý rok v létě zčervená sněhová pokrývka řady zamrzlých vysokohorských jezer. Dosud byl tento jev popsán v Evropě, na Novém Zélandu a v Severní Americe. Příčinou je enormní rozvoj populací sněžných řas z rodu Chlainomonas, které vyžadují extrémně zvodnělé vrstvy sněhu. Jejich cysty jsou ve srovnání s druhem Chlamydomonas nivalis větší, ale na první pohled vypadají velmi podobně, a proto jsou často zaměňovány. Nedávno se ukázalo, že populace známé z Alp a z Vysokých Tater patří k novému druhu, který dosud čeká na formální popis.

Zástupci sněžných řas z rodu Chloromonas hromadí méně astaxantinu, a proto pak sněhová pole se „zralými“ buňkami hrají nejrůznějšími odstíny oranžové a růžové. Kromě akumulace astaxantinu používají i další strategii pro ochranu před účinky nadměrného osvitu, které se účastní pigmenty xantofylového cyklu. Tato zjištění nám ukazují, že existuje více cest, jak se vypořádat s výzvami extrémního prostředí tajícího sněhu. Na sněhových polích nad hranicí lesa najdeme v Evropě například druh Chloromonas nivalis. V růžovém sněhu ve Vysokých Tatrách se vyskytuje jeho blízký příbuzný, který se však mírně liší morfologickými i molekulárními znaky, a proto byl popsán jako nový poddruh. Rod Chloromonas zahrnuje v současnosti nejvíc druhů sněžných řas a nové rychle přibývají.

Další poklad krkonošské přírody

Na území dnešní České republiky sněžné řasy dlouho unikaly pozornosti. Vzhledem k charakteru vhodných habitatů najdeme v našich pohořích nejčastěji jen poměrně málo nápadné zelené zabarvení sněhu, které zjara způsobují většinou bičíkovci z rodu Chloromonas. Ale máme pro vás dobrou zprávu – i u nás můžete, byť vzácně, červený sníh najít. První zpráva o něm pochází ze sedmdesátých let 20. století, kdy se malé plošky červeného sněhu objevily na proslulé botanické lokalitě – v Schustlerově zahrádce v Labském dole v Krkonoších. Řasa byla na základě morfologie cyst zařazena do druhu Chlamydomonas nivalis. Od té doby je červený sníh v alpínském pásmu Krkonoš pravidelně pozorován pracovníky národního parku.

V nižší nadmořské výšce se vyskytuje jen v lavinových drahách, kde je také bezlesí. Jedná se tedy zjevně o druh vázaný na vysoké intenzity slunečního záření. V ostatních českých či moravských pohořích nebyl červený sníh dosud pozorován a není to asi ani pravděpodobné. Na rozdíl od vysokohorských lokalit se v Krkonoších vyskytuje jen na velmi malých plochách a pouze krátkodobě. Pohled na morfologii krkonošských cyst pod mikroskopem prozrazuje určité morfologické rozdíly ve srovnání s druhem Chlamydomonas nivalis. Pravou identitu tohoto organismu odhalí až detailní studium jeho molekulárních, morfologických a fyziologických charakteristik. Příběh o poznávání červeného sněhu není ještě zdaleka u konce.