Łatwiej zepsuć niż naprawić

25 lipca 2010
Blog szalonych naukowców

Wyjątkowo gorące lato sprzyja wyjazdom nad wodę – morze, jeziora czy choćby fontanny miejskie. Jak na razie pobyt w wodzie to czysta przyjemność, choć im cieplejsza woda, tym większe prawdopodobieństwo zakwitów sinicowych, a te w najlepszym wypadku są nieestetyczne wizualnie i zapachowo, ale mogą też być źródłem dość silnych toksyn. Toksyny sinicowe mogą wywołać wysypkę, ale i mogą doprowadzić do śmierci.

Zakwity sinicowe Zatoki Gdańskiej są od wielu lat badane przez zespół Marcina Plińskiego. Powodowane są głównie przez dwa gatunki: Aphanizomenon flos-aquae i Nodularia spumigena. Ten drugi ma szczepy produkujące nodularynę, jedną z silniejszych cyjanotoksyn, choć na razie nie można przewidzieć, czy dany zakwit będzie toksyczny, czy nie. Kiedyś przeważały zakwity Aphanizomenon, ale po zimnym i deszczowym lecie 1993 nastąpiło ciepłe lato 1994, kiedy przewagę uzyskała Nodularia. Od tego czasu nawet gdy lata są chłodniejsze, Nodularia ma znaczny udział w planktonie. Proporcje tych gatunków w zasadzie zależą od stosunków fosforu i azotu, ale przy okazji N. spumigena jest nieco bardziej ciepłolubna.

Stan Zatoki Gdańskiej można więc podzielić na okres przed latem 1994 i po nim. Wcześniej w zakwitach sinicowych dominował jeden gatunek, później drugi. Jest to zgodne z trendem termicznym, im cieplej, tym lepiej dla N. spumigena, ale to nie jest związek liniowy. W pewnym momencie stan Zatoki przełączył się z afanizomenowego na nodulariowy i ochłodzenia nie odwracają tego przełączenia.

W ekosystemach homeostaza to koncept raczej teoretyczny, bo wszystko płynie, ale w pewnej skali da się zauważyć pewne stany stabilne. Przykładowo – jezioro może być przez długi czas mało żyzne, oligotroficzne. W wodzie jest mało fitoplanktonu (i innej zawiesiny), więc jest ona przejrzysta. Dzięki temu dość głęboko mogą występować rośliny tkankowe i duże glony – pod względem botanicznym taki stan określa się jako makrofitowy. Wśród makrolitów kryją się ryby drapieżne, co po całym łańcuchu powiązań troficznych skutkuje silniejszą kontrolą fitoplanktonu. Fotosynteza zachodzi głęboko, więc głęboko sięga warstwa natleniona. Przez to fosforany są wiązane w związki z żelazem na trzecim stopniu utlenienia, które są trudno rozpuszczalne i wypadają z obiegu biologicznego. Materii organicznej jest mało i szybko się rozkłada. Nawet doprowadzenie pewnej ilości biogenów niewiele zmienia, bo sprzężenia zwrotne powodują ich unieruchamianie. Odmiennie jest w jeziorze eutroficznym. Tam jest dużo fitoplanktonu, a zatem i dużo odżywiającego się nim zooplanktonu, jego odchodów i innej materii zacieniającej wodę. Przez to makrofity rosną tylko w najpłytszej strefie. Głębiej nie ma fotosyntezy, za to opadają znaczne ilości materii organicznej, która gnijąc pochłania i tak skąpe tam zasoby tlenu. Powstaje siarkowodór, który reagując z nierozpuszczalnymi fosforanami żelaza, przekształca je w formy rozpuszczalne, więc fosfor wraca do obiegu jeszcze bardziej użyźniając wodę. W gnijącej warstwie na dnie nieutrwalanej przez kłącza roślin żerują nieniepokojone przez drapieżców ryby karpiowate powodując dalszy powrót zawiesiny i biogenów do wody. W takim stanie nawet zatrzymanie dopływu nowych biogenów nie prowadzi do samooczyszczenia, bo w jeziorze działają samonapędzające się mechanizmy podtrzymywania żyzności.

Między tymi dwoma stanami musi istnieć stadium pośrednie – mezotroficzne. W tym stadium cykle sprzężeń zwrotnych rozrywają się. Dopływ biogenów powoduje wzrost żyzności, jego zatrzymanie – samooczyszczanie. Tu jednak też daleko jest od zależności liniowych. Jeśliby pomiar fosforu w wodzie dał wynik ok. 0,1 mg/l – można w ciemno założyć, że woda jest oligotroficzna, a jezioro w stanie makrofitowym. Gdyby wynik przekraczał 1 mg/l, wiadomo by było, że woda jest eutroficzna, a jezioro w stanie fitoplanktonowym. Jednak wynik pośredni nie jest jednoznaczny. Taką samą wartość możemy uzyskać w jeziorze, które jeszcze niedawno było oligotroficzne i wciąż się broni, będąc w stanie makrofitowym, jak i w jeziorze, które niedawno było eutroficzne, ale nieco się oczyściło, pozostając jeszcze w stanie fitoplanktonowym. Wykres produktywności jeziora w zależności od stężenia biogenów nie przypomina proporcjonalności prostej, ale raczej krzywą esowatą – początkowo mimo zwiększania formalnej żyzności, produktywność niemal pozostaje stała, w pewnym momencie (t oe) krzywa przeskakuje niemal pionowo ze stanu oligotrofii do eutrofii, a następnie się stabilizuje. Podobnie jest przy zabiegach oczyszczających – początkowo mimo zmniejszania żyzności, stan nadal jest eutroficzny i krzywa opada w momencie t eo do poziomu oligotroficznego. Te dwie krzywe jednak na siebie nakładają się tylko na krańcach, podczas gdy w środku zakrzywienia esa rozjeżdżają się. t oe następuje przy wyższych stężeniach biogenów niż t eo. W związku z tym, nawet gdy z przeżyźnionego jeziora usunie się pewną ilość biogenów tak, aby osiągnęła poziom z czasów mezotroficznych, nie wystarczy do to do odzyskania tamtego stanu. Wykres tych zależności ma kształt pętli histerezy.

Histereza przeskoku między alternatywnymi stanami stabilnymi pokazuje, że w przypadku ekosystemu łatwiej coś zepsuć niż naprawić (oczywiście mówimy o subiektywnych wartościach – dla karpia eutrofizacja to naprawa, a oligotrofizacja to psucie, dla pstrąga odwrotnie). Nie jest też tak, że gdy coś się stanie, to łatwo się odstanie, po odwróceniu procedury. Czy tak jest w innych sferach? Nie podejmuję się snucia analogii, choć alternatywne stany stabilne (angielski akronim jest taki sam, jak polski: ASS) w ekologii nieco przypominają mi stany stabilne w chemii jądrowej. Na przykład bycie cząsteczką tlenu lub wodoru jest dość stabilnym stanem, ale po dostarczeniu pewnej energii przeskakuje się do stanu jeszcze bardziej stabilnego – cząsteczki wody. Powrót z tego stanu do stanu dwóch pierwiastkowych gazów wymaga jednak większego nakładu energii. Z samym zaś zjawiskiem histerezy po raz pierwszy spotkałem się gdzieś w szkole przy okazji magnesowania ferromagnetyków.

Piotr Panek

Fot. so_happily_unsatisfied, Flickr (CC SA)