Pár slov o fytoplanktonu obecně

Tento text vznikl za podpory       

Fytoplankton je společenstvo mikroskopických organismů, které se vznášejí v prosluněném vodním sloupci blízko u hladiny. Fytoplankton žije ve slaných i sladkých vodách. Mikroorganismy, které fytoplankton tvoří, jsou převážně prokaryotické cyanobakterie (sinice) a eukaryotické řasy (zelené řasy, rozsivky a obrněnky).

Obr. 1 Fytoplankton je neskutečně rozmanitý, najdeme v něm fotosyntetizující bakterie (=sinice), řasy s dvojdílnou křemičitou schránkou (tzv. rozsivky), nebo “obrněné” celulózovým pancířem (tzv. obrněnky), a rostlinám nejpříbuznější zelené řasy. Pozn.: nákresy nejsou v měřítku. (Obrázek byl přejat od Sally Bensusen, NASA EOS Project Science Office.)

 

Obr. 2 Fytoplankton je velmi rozmanitý svým tvarem I velikostí. Některé druhy připomínají jehlice, trojúhelníky, hvězdičky, spirály, jiné jsou vybaveny bičíky. Některé kolonie připomínají sněhové vločky nebo zorbingové koule.
http://www.cheshireactivenaturalists.org.uk/wp-content/uploads/2014/07/pediast.jpg

Všechny tyto mikroorganismy mají schopnost zachytit sluneční záření a využít jeho energii v procesu fotosyntézy pro přeměnu anorganického oxidu uhličitého (CO₂) a vody na organický uhlík (organické látky využitelné na stavbu svých buněk), energii a na kyslík. Odborně jim říkáme autotrofní (= „samoživící se“), a protože provádí v přítomnosti světla fotosyntézu, označujeme je jako fotoautotrofní (tedy „samoživící se světlem“). Všechny druhy fytoplanktonu mají schopnost fotosyntézy, některé však mohou získávat energii i heterotrofně, např. rozkladem jinde získané organické hmoty.

Růst fytoplanktonu závisí (podobně jako růst vyšších rostlin) na dostupnosti slunečního záření, CO₂ a živin (dusík, fosfor, síra, železo, vápník, křemík, hořčík...). Různé druhy fytoplanktonu vyžadují různé množství těchto živin. Sinice mohou růst i v oblastech s nízkou koncentrací dusičnanů, umí totiž využívat dusík ve formě N₂, toho je v atmosféře 3,7× více než kyslíku. Mezi další faktory ovlivňující růst fytoplanktonu patří teplota, slanost vody, vítr, a také živočichové, kteří se jimi živí. Jsou-li vhodné podmínky, může populace fytoplanktonu růst nebezpečně rychle a tvoří se tzv. vodní květ. Vodní květy mohou v oceánu pokrývat stovky čtverečních kilometrů a jsou snadno viditelné i na satelitních snímcích. Vodní květ může trvat i několik týdnů, ale životnost jednotlivých fytoplanktonních organismů je zřídka více než pár dní.

Obr. 3 Fytoplankton dokáže v několika dnech až týdnech mnohonásobně zvýšit svoji početnost. Tato dvojice satelitních snímků zobrazuje vodní květ který vznikl na východním pobřeží Nového Zélandu mezi 11. a 25. říjnem 2009. (NASA images by Robert Simmon and Jesse Allen, based on MODIS data.)
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Phytoplankton/images/newzealand_amo_2009284.jpg
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Phytoplankton/images/newzealand_amo_2009298.jpg

Proč je fytoplankton důležitý?

Mikroskopický fytoplankton je jedním z nejdůležitějších činitelů ovlivňujících klima na planetě Zemi. Fotosyntézou fytoplankton spotřebovává oxid uhličitý, a pomáhá tak regulovat jeho množství v atmosféře, zároveň však produkuje kyslík nezbytný pro život dalších organismů. Více než 40% organické hmoty na světě, která je vyrobena fotosyntézou, mají na svědomí právě tyto jednobuněčné organismy.

Potravní síť

Potravní síť je složitá spleť potravních vztahů mezi organismy („kdo koho jí“). Fytoplankton tvoří společně s dalšími autotrofy základní složku potravní sítě ve vodách, a zároveň základní a nejširší patro „vodní“ potravní pyramidy. Tyto organismy jsou nazývány „producenti“ a všechny ostatní organismy na nich (přímo či nepřímo) závisí – mají je za zdroj potravy. Fytoplankton je potravou pro mikroskopický zooplankton i mnohatunovou velrybu. „Pasou“ se na něm také některé malé ryby a drobní korýši, ti jsou následně potravou větších živočichů - konzumentů. Na konci řetězce/ vrcholu pyramidy stojí dravci, včetně žraloků, ledních medvědů a člověka.

  

Obr. 4 Fytoplankton využívá na výrobu organického uhlíku energii ze slunečního záření. Ostatní organismy se jimi živí - využívají je jako zdroj organického uhlíku.

Koloběh uhlíku a podnebí

Každý organismus je z velké části tvořen organickým uhlíkem. Fytoplankton využívá energii slunečního záření k přetvoření anorganického uhlíku (CO₂) na uhlík organický (sacharidy), a ten slouží jako stavební materiál jejich těl. Množství CO₂, které spotřebovává fytoplankton, je srovnatelné s množstvím, které spotřebují všechny rostliny na pevnině dohromady. Část tohoto uhlíku je po uhynutí fytoplanktonu uložena do hlubin oceánu, kde se stane složkou sedimentu. Část se stane potravou a je jako složka těl větších organismů, zejména živočichů, transportována jinam. Tito živočichové se také rozmnožují, produkují odpad a umírají. Uhlík se pak uvolňuje z jejich rozkládajících se těl a dostává se zpět do oběhu.

 

Obr. 5 Řasy a sinice pomáhají udržet stálé podnebí tím, že do sebe ukládají oxid uhličitý z atmosféry. Tento uhlík je následně využit dalšími organismy, uložen v sedimentu, nebo rozložen za uvolnění CO2. Uhlík je tak stále v oběhu.
http://www.fondriest.com/environmental-measurements/wp-content/uploads/2014/10/360x300xalgae_carbon_pump.jpg.pagespeed.ic.1fHSN_P9dZ.jpg

Fytoplankton ročně odčerpá z atmosféry do oceánu přibližně 10 000 000 000 000 kilogramů (10 gigatun) uhlíku, čímž výrazně přispívá k udržení globální povrchové teploty. Dokonce i malé změny v růstu fytoplanktonu mohou ovlivnit koncentraci CO₂ v atmosféře, a ovlivnit tak klima na planetě. Proto je třeba věnovat pozornost studiu fytoplanktonu všemi dostupnými metodami.

Globální vzorce a cykly

Podobně jako je tomu u suchozemských rostlin, i růst fytoplanktonu se sezónně mění. Množství fytoplanktonu kolísá, typické koncentrace se liší nejen oblast od oblasti, ale také v průběhu roku.

Geografické rozdíly

Fytoplankton je nejhojnější podél pobřeží, kontinentálních šelfů, a ve vyšších zeměpisných šířkách. Dále v oblastech podél rovníku v Tichém a Atlantickém oceánu, které jsou díky vzestupným proudům bohaté na živiny. Také vítr je pro prostorové šíření fytoplanktonu důležitý, neboť ovlivňuje mořské proudy a způsobuje, že se na živiny bohaté vody z hlubin dostávají k povrchu. Tyto vzestupné zóny patří mezi nejproduktivnější oceánské ekosystémy. Naopak v odlehlých vodách oceánu s nízkým obsahem živin se fytoplankton nenachází téměř vůbec.

Obr. 6 Tato mapa ukazuje průměrnou koncentraci chlorofylu v oceánech od července 2002 do května 2010. Fytoplankton (žlutá) lze nalézt podél pobřeží a v oblastech, kde oceánské proudění vyzvědává z hlubin oceánu vodu bohatou na živiny. Jen v omezené míře se fytoplankton vyskytuje v odlehlejších částech oceánu (tmavě modrá) s nízkou hladinou živin. Data byla získána pomocí MODIS. (NASA image by Jesse Allen & Robert Simmon)
http://www.fondriest.com/environmental-measurements/wp-content/uploads/2014/10/720x360xmodis_chlorophyll_2002-2010.jpg.pagespeed.ic.OIih0B-HfF.jpg
Změny koncentrace chlorofylu jsou znázorněny také v této animaci:  http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Phytoplankton/images/chlorophyll_2002-2010_sm.mov

Sezónní rozdíly

Populace fytoplanktonu se v průběhu roku zvětšuje a zmenšuje. Ve vyšších nadmořských výškách dosahuje vodní květ svého maxima na jaře a v létě, kdy přibývá slunečního záření a ustává mísení vody. Bouřlivé zimní mísení přináší z hlubiny na živiny bohaté vody k prosluněné hladině, a tím připravuje ideální podmínky pro prudký nárůst fytoplanktonu na jaře. Naopak v subtropických oceánech v létě populace fytoplanktonu klesá. Jak se přes léto povrchové vody ohřívají, stávají se lehčími. Lehčí teplá voda se drží u povrchu, zatímco hustší studená voda pod ní, tyto vrstvy se vzájemně mísí jen velmi málo. Fytoplankton vyčerpá dostupné živiny, a jeho růst poklesne až do doby, kdy zimní bouře opět nastartují mísení vod. V nižších zeměpisných šířkách, včetně Arabského moře a vodách v oblasti Indonésie, je rozvoj vodních květů spojen s monzunovými změnami větrů. Jak se obrací směr proudění větrů (vanoucí z pevniny, versus vanoucí na pevninu) mění se také proudění vody (zvyšuje se, versus je potlačeno) a s tím i koncentrace živin. V rovníkové oblasti výstupných mořských proudů se mezi jednotlivými obdobími mění produktivita oceánu jen velmi málo.

Obr. 7 Na jaře a v létě narůstá fytoplankton nejvíce ve vyšších nadmořských výškách, v subtropických oblastech ho naopak ubývá.Tyto mapy ukazují průměrnou koncentraci chlorofylu v květnu 2003 až 2010 (vlevo) a v listopadu 2002 až 2009 (vpravo) v Tichém oceánu. (NASA images by Jesse Allen & Robert Simmon, based on MODIS data from the GSFC Ocean Color team).
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Phytoplankton/images/modis_chlorophyll_pacific_may_november.jpg

Meziroční rozdíly

Největší vliv na meziroční rozdíly v celosvětové produktivitě fytoplanktonu má jev „El Niño jižní oscilace“ (El Niño Southern Oscillation - ENSO). „ENSO je souborem interakcí jednotlivých částí celosvětového klimatického systému a jejich kolísání, které se projevuje souslednými událostmi v atmosférické a oceánské cirkulaci. ENSO je nejvýznamnějším známým zdrojem meziroční proměnlivosti počasí a klimatu v různých částech světa (s přibližným cyklem 3 až 8 roků), ovšem ne všechny oblasti světa jím jsou ovlivněny. V důsledku ENSO se mění povrchová teplota moří, síla a směr proudějí větru, a srážky v rovníkové oblasti Tichého oceánu.“ [wiki]

Během fáze El Niño dramaticky klesá produktivita fytoplanktonu v rovníkové oblasti Tichého oceánu, děje se tak protože ustávají pasáty (větry v oblasti kolem rovníku) pohánějící vzestupné oceánské proudění přinášející živiny. Přechod mezi El Niño a jeho protějškem La Niña bývá doprovázen dramatickým nárůstem produktivity fytoplanktonu v důsledku obnovení vzestupného proudění přinášejícího živiny z hlubiny oceánu.

Obr. 8 Během El Niño (prosinec 1997, vlevo), vzestupné oceánské proudění v rovníkové oblasti Tichého oceánu se zpomaluje, klesá hustota fytoplanktonu. Naopak La Niña zesiluje vzestupné proudění v této oblasti a tím zvyšuje narůstání fytoplanktonu (prosinec 1998, vpravo). (NASA image by Jesse Allen & Robert Simmon, based on SeaWiFS data from the GSFC Ocean Color team). http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Phytoplankton/images/seawifs_chlorophyll_pacific_199712_199812.jpg

El Niño ovlivňuje počasí také mimo oblast Tichého oceánu. Například ve východním Indickém oceánu v oblasti Indonesie v období El Niño produktivita fytoplanktonu stoupá. Produktivita v Mexickém zálivu a v západní subtropické oblasti Atlantického oceánu v období El Niño v uplynulých deseti letech stoupla, příčinou je zřejmě větší množství srážek a odtékající dešťová voda přinášející více živin než obvykle.

Ve srovnání se změnami v produktivitě v tropické oblasti Tichého oceánu, meziroční rozdíly v produktivitě ve středních a vyšších zemských šířkách jsou malé.

Dlouhodobé změny ve fytoplanktonu

Produktivita

Vzhledem k tomu, jak je fytoplankton zásadní pro biologii oceánu a klima celé Země, jakákoli změna v produktivitě by mohla mít významný vliv na biologickou rozmanitost, rybolov a zásobování potravinami, i na rychlost globálního oteplování. Mnohé modely oceánské chemie a biologie předpovídají, že v důsledku zvyšování skleníkových plynů v atmosféře se bude povrch oceánů ohřívat a produktivita fytoplanktonu klesat. Příčinou poklesu produktivity bude pravděpodobně slabší vertikální mísení jednotlivých vrstev vody (bude výraznější stratifikace vodního sloupce) a nižší přísun živin z hlubokých vod zpět na povrch.

Obr. 9 Zhruba 70% oceánu je trvale rozvrstveno do vrstev které se nemísí. Mezi koncem roku 1997 a polovinou roku 2008 satelity zachytily jak v důsledku nadprůměrně teplejší vody (červená linka) klesla průmerná koncentrace chlorofylu (modrá linka). (Graf byl přejat z Behrenfeld et al. 2009 by Robert Simmon.)
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Phytoplankton/images/chlorophyll_temperature.png

V uplynulém desetiletí se vědci snažili vypozorovat tento trend v satelitních měřeních, a první studie naznačují, že již došlo k malému snížení světové produkce fytoplanktonu. Například bylo zdokumentováno zvětšení oblasti nejméně produktivní subtropické oblasti oceánů. Zdá se, že se tyto na živiny chudé „mořské pouště“ zvětšují v důsledku stoupající povrchové teploty oceánů.

Druhové složení

Stovky tisíc druhů fytoplanktonu obývají oceány na planetě Zemi, každý druh je přizpůsoben na konkrétní podmínky vody. Změny v průhlednosti vody, obsahu živin, a salinitě vedou ke změnám ve složení druhů, které na takovém místě žijí. Větší plankton vyžaduje více živin, a má proto větší potřebu pro vertikální mísení vodního sloupce, doplňující vyčerpané živiny. Od roku 1950 se oceány oteplily a staly se tak více stratifikovanými, což znemožňuje recyklaci živin. Postupné oteplování v důsledku hromadění CO₂ zřejmě povede k úbytku větších druhů fytoplanktonu, jako jsou rozsivky, ve srovnání s menšími typy, např. sinicemi. Posun relativního zastoupení větších a menších druhů fytoplanktonu je pozorovatelný na řadě míst již dnes, co s jistotou nevíme je, zda se změní také celková produktivita.

Obr. 10 S narůstající koncentrací oxidu uhličitého (modrá linka) v dalších desetiletích se budou oceány více a více stratifikovat. S poklesem mísení vrstev bohatých naživiny s vrstvami s vyčerpanými živinami bude pravděpodobně ubývat větších druhů fytoplanktonu (zelená linka). (Graf byl převzat z Bopp 2005 by Robert Simmon.) http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Phytoplankton/images/diatoms_CO2.png

Tyto posuny v druhovém složení mohou být neškodné, nebo mohou vést k celé kaskádě negativních důsledků na celou oceánskou potravní síť. Přesné globální mapování skupin fytoplanktonu je i proto jedním z cílů americké agentury NASA.