Jak klimatická změna ovlivňuje vodní ekosystémy?

„Výzkum vlivu budoucích klimatických změn na ekosystémy vyžaduje interdisciplinární přístup,“ říká David Boukal z katedry biologie ekosystémů Přírodovědecké fakulty JU. Jako vystudovaný aplikovaný matematik se postupně dostal až k ekologii vodních ekosystémů. Obě tyto disciplíny propojuje – kombinuje experimenty a matematické modelování a předpovídá, jak se budou společenstva vodních organismů měnit v důsledku klimatických změn v horizontu desítek let. „V moderní ekologii se matematické modely používají k tomu, aby generovaly hypotézy, které se poté empiricky ověřují. A naopak empirie ovlivňuje modely a zásobuje je daty. Neustále se tak zpřesňují otázky, na které se pomocí modelů ptáme,“ doplňuje. S brněnským kolegou Lumírem Gvoždíkem například spolupracoval na studii propojující experiment s matematickým modelem. Ukázali v ní, jak může chování jedinců a vnitrodruhová variabilita zcela změnit teoretické předpovědi vlivu oteplování na populační dynamiku predátora a kořisti.

Doc. Ing. MgA. David Boukal, Ph.D., (*1971) vystudoval matematické inženýrství na ČVUT v Praze a tvůrčí fotografii na Slezské univerzitě v Opavě. V roce 2012 se habilitoval pro obor ekologie na Přírodovědecké fakultě JU. Působí v Biologickém centru AV ČR a na Přírodovědecké fakultě JU, kde byl v letech 2014–2018 vedoucím katedry biologie ekosystémů. Zaměřuje se na ekologii populací a společenstev ve vodním prostředí, evoluční ekologii, interakce člověka s vodními ekosystémy a vliv klimatické změny. Jeho oblíbenou skupinou je vodní hmyz.Snímek Vojtěch Kolář

Jak člověk ovlivňuje vodní ekosystémy? Asi každého napadne hnojení, polutanty ve vodě, ale nad klimatickou změnou se nejspíš zamyslí málokdo. — Sladkovodní ekosystémy člověk ovlivňuje přímo i nepřímo. Zmínil jste hnojení, to je snadno viditelný přímý vliv. Stejně jako třeba nedávná otrava Bečvy, což je mnohem drastičtější přímý vliv. Pak existují nepřímé vlivy, které vznikají, protože lidskou činností měníme klima na Zemi. Změny srážkového režimu způsobují, že se z trvalých tůní stávají dočasné, kolísá vodní hladina, prohlubuje se letní kyslíkový deficit… To všechno jsou důsledky, které se na vodních společenstvech projeví. Z hlediska výzkumu nás hlavně zajímá, jak zvyšující se teploty – případně v kombinaci s dalšími stresory – změní vlastnosti prostředí a vzájemné působení mezi jedinci, potažmo populacemi.

Jaký vliv budou mít tyto změny v horizontu desítek let, řekněme, na znakoplavku nebo potápníka? — Hmyz, obojživelníci, ryby a další studenokrevní vodní živočichové nejsou na rozdíl od nás schopni aktivně regulovat svoji tělesnou teplotu. Tu určuje okolí, takže ji mohou měnit například jen přemístěním do stínu nebo naopak do mělké prohřáté vody. Jsou zkrátka odkázáni na to, co jim voda nabídne. Podle předpovědí Mezinárodního panelu pro klimatickou změnu nás do roku 2100 pravděpodobně čeká oteplení o 2–8 °C. Některé druhy a populace, třeba ve Skandinávii, budou moci expandovat, ale v Mediteránu nebo i u nás to bude problém. Čím je voda teplejší, tím méně se v ní rozpouští kyslík, a řada chladnomilných druhů náročných na kyslík změny nepřežije. Ale i menší nárůst teploty může vést k narušení potravních vztahů a změnám ve společenstvech.

Často se píše o tom, že by znamenalo pro lidstvo katastrofu, pokud by vymřely včely.​ Co by lidem způsobil rozvrat ve společenstvech vodního hmyzu? — Neomezoval bych to na jednu skupinu organismů. Na rozdíl od včel není možná přínos dobře fungujících sladkovodních společenstev na první pohled zřetelný, ale v případě jejich rozvratu bude například mnohem složitější najít a získávat čistou povrchovou vodu. Příklady vidíme už nyní v létě v podobě eutrofizovaných nádrží se sinicovým květem. Pokud jde o vodní hmyz, tak například potápníci a vážky jsou vrcholoví predátoři v malých tůních. Z jejich kolapsu by profitovala kořist, takže by se víc množili například komáři. I to by mohl být jeden z důsledků našeho přetváření sladkovodních ekosystémů, který bychom vnímali mnohem ostřeji než úbytek biodiverzity, který je pro řadu lidí bohužel abstraktní.

Navíc sami tito draví brouci a larvy vážek jsou potravou ryb nebo obojživelníků… — Přesně tak. Byla narušena celá potravní síť, mnohdy s nepředvídatelnými důsledky. Navíc řada vodního hmyzu, jako jsou vážky, jepice nebo i zmínění komáři, má vodní larvy a suchozemské dospělce. Živiny ve vodě spotřebují pro svůj růst, následně je jako biomasu vynesou ven a stanou se kořistí různých suchozemských živočichů od pavouků až po ptáky. Takže zásah do vodního prostředí může ovlivnit třeba i to, kolik potravy najdou různí mokřadní ptáci.

Čemu přesně se věnujete ve vašem výzkumu? — Zaměřujeme se na několik úzce definovaných výseků celé problematiky. Jedním z nich jsou důsledky takzvané fenotypové plasticity neboli schopnosti měnit vzhled a vlastnosti podle okolního prostředí. Typický je třeba rychlejší růst studenokrevných živočichů ve vyšších teplotách. Díky tomu mohou rychleji dokončit vývoj a v některých případech mít i více generací do roka. Má to i jiné zajímavé důsledky – s rostoucí teplotou se řada studenokrevných zvířat zmenšuje, zejména těch sladkovodních. A protože i ve vodním prostředí větší požírají menší, mohou mít velikostní změny poměrně závažný dopad na stabilitu populací a toky energie ve společenstvech.

Mluvíme o dlouhodobém oteplování, nebo krátkodobých teplotních výkyvech? — Dlouhodobé oteplování je důsledkem změny klimatu, zatímco krátkodobé teplotní výkyvy s ním souviset nemusejí a může jít o běžné projevy proměnlivosti počasí. Každopádně klimatické modely předpovídají, že klima bude nestabilnější včetně častějších a silnějších extrémů, jako jsou například vlny veder. Dosavadní výzkumy vlivu změn klimatu na sladkovodní živočichy tuto variabilitu s výjimkou vln veder trochu upozaďovaly. Většina pokusů zatím probíhá tak, že část zvířat vystavíme teplotě třeba 20 °C a další část ze stejné populace umístíme do 24 °C, což simuluje teplotu v roce 2100 na tom samém místě. Sledujeme, v čem se jejich projevy liší, například kolik toho sežerou nebo kolik energie potřebují na udržení základních životních funkcí. Z výsledků vyvozujete, jak moc oteplování ovlivní danou populaci. To je samozřejmě hrubé zjednodušení reálné situace, a proto se v pokusech začínají čím dál víc objevovat přístupy zahrnující například přirozené denní kolísání teplot a podobně.

Vyhřívané nádrže, používané ke studiu vlivu klimatických změn, v areálu Přírodovědecké fakulty JU.

Nemůže se ale například dnešní vodoměrka za těch osmdesát let evolučně přizpůsobit? — To je dobrá otázka, na kterou zatím neznáme odpověď. Výzkumy na rychle se množících organismech dokazují, že to jde. Například zahraniční studie na perloočkách rodu Daphnia, což je klíčový hráč v mnohých stojatých vodách, ukázaly, že za pouhé dva roky se během několika desítek generací selektují nové klony, které jsou mnohem lépe přizpůsobeny vyšším teplotám. U jiných živočichů by ale podobné pokusy trvaly příliš dlouho. Proto tu do hry vstupuje matematické modelování.

A jakou roli hraje ve vašem výzkumu matematické modelování? — Zaměřujeme se hlavně na simulace dlouhodobé dynamiky populací a společenstev. Pokusy často děláme na úrovni jedinců, kdy sledujeme odezvy v rámci životního cyklu, chování a fyziologických projevů. Dále měříme jejich interakce, ve vodním prostředí typicky intenzitu predace. Nově provádíme i experimenty ve velkých nádržích, kde sledujeme celá společenstva. Protože jsou ale tyto pokusy náročné a nemůžeme vyzkoušet více scénářů, kombinujeme je s matematickým modelováním. Naší snahou je přitom pouze na základě znalosti vlastností a projevů jedinců správně předpovědět dlouhodobou dynamiku populací a celých společenstev. Anglicky se tomu říká „emergent properties“, kdy vstupy na jedné úrovni organizace dávají správné výstupy na jiné, vyšší organizační úrovni. Vývoj takových modelů je jedním z cílů soudobého výzkumu vlivu klimatické změny na vodní ekosystémy a my se k němu snažíme přispět.