ŽIVOT V EXTRÉMU ANEB O POLÁRNÍ BOTANICE S DOC. JOSEFEM ELSTEREM

Doc. Ing. Josef Elster, CSc., algolog a vedoucí Centra polární ekologie Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, je polárník na slovo vzatý, bádá v Arktidě i Antarktidě a je těžké ho zastihnout v České kotlině. Přinášíme vám rozhovor o dlouhé cestě k české arktické stanici na Špicberkách a o tom, jak se lidem, řasám a sinicím žije v blízkosti pólů naší Země.



Obr. 1: Předpolí ledovce Nordenskiöld. Ledovec se telí do moře a s jeho ústupem se objevují skalnaté výběžky, oblíky. Jsou to nově odledněná území, a proto jsou předmětem našeho zájmu.

Obr. 2: Základna Longyearbyen „Payerův dům“, Svalbard se dvěma laboratořemi a ubytovací kapacitou, komunikačním a dílenským zázemím pro obsluhu veškerých terénních prací v oblasti Svalbardu.

Téměř celou profesní kariéru se věnujete výzkumu polárních oblastí. Jak jste se dostal ke zkoumání takovýchto pro Středoevropana exotických krajů?

Po ukončení doktorátu jsem byl tři roky na postdoktorandském pobytu v Kanadě, v kanadské Arktidě. Tam jsem se seznámil s japonskými kolegy a dostal jsem pozvání do Japonského polárního ústavu. Zde jsem strávil šest měsíců v Tokiu, kde jsem se potkal s kolegou glaciologem z Grenoblu, se kterým jsme dále asi pět let spolupracovali.

Česká republika má nyní na Svalbardu (Špicberkách) výzkumnou stanici. Proč právě Svalbard?

Japonští kolegové mají na Svalbardu stanici a dělají zde přes 30 let výzkum. Současně pracovali v kanadské Arktidě, kde mě přizvali do svého projektu. Nabídli mi, že mohu jezdit se studenty přímo na Svalbard. Tak začala naše svalbardská cesta.

Česká republika, konkrétně Masarykova univerzita v Brně, spravuje vědeckou stanici v Antarktidě. Podílel jste se na začátcích pravidelného bádání v Antarktidě?

Ano, mezitím jsme začali spolu s brněnskými kolegy jezdit také do Antarktidy. Antarktida je pro algologa úžasná země, jsou zde úplně jiné vazby mezi organismy, než si dovedeme představit. To mě fascinovalo. Přicházely další a další otázky, které jsme chtěli řešit. Čtyřikrát jsem byl v maritimní Antarktidě, to je okrajová Antarktida, kde je během letního období voda v tekutém stavu.

Je to oblast Antarktického poloostrova, v jehož východní části leží česká stanice, kterou založili brněnští kolegové. V této části Antarktidy je o trochu chladněji než v západní.
Abychom mohli založit českou stanici, musela náš návrh nejprve přijmout komise Antarctic Treaty (Smlouva o Antarktidě). Ta každým rokem pořádá konferenci, na které se výzkumné projekty schvalují. Profesor Prošek, vedoucí českého antarktického projektu, si představoval, že naše stanice bude na Jižních Shetlandách, na ostrově Krále Jiřího. Na konferenci v Petrohradě však celá řada států protestovala proti navrženému místu, neboť na tomto území působí již několik stanic. Náš návrh byl zamítnut. Britové se však nabídli, že nám pomohou hledat vhodné místo pro naši stanici. Směli jsme využít jejich loď, byli jsme součástí jejich expedice. Během dvou měsíců jsme projezdili velkou část Antarktidy kolem Antarktického poloostrova. Nakonec se nám povedlo za pomoci kapitána britské lodi navrhnout místo pro stanici na ostrově Jamese Rosse. Další rok na konferenci v Madridu jsme již žádali o povolení pro stanici v nové lokalitě. A bylo nám vyhověno. Následující rok jsem jel jako biolog s geology udělat popis naší lokality, neboť bylo nutné minimalizovat vliv stanice na okolní přírodu. Popisoval jsem, co kde roste v nejbližším okolí stanice v okruhu do 10 kilometrů. Nejsou zde cévnaté rostliny, takže šlo o mechy, lišejníky, řasy a sinice. Až po detailním popisu jsme dostali definitivní povolení ke stavbě stanice.
Ostrov Jamese Rosse je v porovnání se západní částí Antarktického poloostrova hůře přístupný a je zde extrémnější prostředí, proto byl velmi málo využíván k výzkumu. Z tohoto důvodu jsou výsledky, které se právě začínají z práce českých antarktických badatelů rodit, velmi objevné.

Pokračovali jste s vaším výzkumem i na Svalbardu?

Založení České vědecké stanice v Antarktidě nás inspirovalo ve snahách založit Českou vědeckou stanici také v Arktidě. První velký projekt na výzkum Svalbardu jsme dostali v rámci Mezinárodního polárního roku 2007–2008. Začátky byly skromné. Koupili jsme zodiak a přivezli jsme dva železné kontejnery.


Obr. 3: Terénní stanice „Nostoc“, Petuniabukta, Svalbard je terénní základnou, umožňující ubytování, zpracování vzorků a technické zázemí pro terénní práce.

Obr. 4: Clione je 14,9 m dlouhá a 4,0 m široká ocelová loď (motorový škuner), která byla vyrobena pro zajištění logistiky České vědecké infrastruktury na Svalbardu. Motorová loď může operovat také pomocí plachet, plocha plachet je 115 m2. Maximální ponor lodě je 1,9 m, příjezdový a maximální výtlak je 23–26 t. Loď může přepravovat 10 osob včetně posádky. Je vybavena základními pomůckami pro biologický výzkum příbřežní oblasti Svalbardu.

V jednom jsme instalovali vybavení k ubytování 6 lidí, druhý kontejner jsme využili jako sklad. Současně jsme si půjčovali chatu od Rusů od roku 2008 až do roku 2015. V období 2010 až 2015 také Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy podpořilo projekt založení České vědecké stanice v Arktidě. V hlavním středisku Svalbardu, Longyearbyenu, Jihočeská univerzita koupila dům (dům Julia Payera, obr. 2). Byl přestavěn na vědeckou stanici s laboratořemi, takže je možno vzorky zpracovávat přímo zde, a to po celý rok. Bylo však potřeba vybudovat i terénní základnu, kterou nám Norové povolili postavit v zátoce Petunie až v roce 2015. Tato terénní stanice Nostoc (obr. 3) se nachází jen několik stovek metrů od ruské chaty, kterou jsme využívali v minulých sedmi letech. Také máme postavenou patnáctimetrovou loď (motorový škuner, který je přizpůsoben plavbě v podmínkách arktických moří, obr. 4) na přepravování materiálu, zásob i lidí mezi oběma místy (Longyearbyenem a Petunií). Doprava je zde totiž možná jen po moři. Máme také zodiaky (obr. 1) a sněžné skútry (obr. 5). Vydali jsme se cestou vlastního servisu naší infrastruktury, neboť pokud ji nemáte, vše se velmi prodražuje. Do našich činností zařazujeme kurzy polární ekologie, takže zde již můžeme ubytovat více studentů. V rámci kurzu nám kolegové z Masarykovy a Karlovy univerzity pomáhají ve školení v tzv. oborech neživé přírody, v klimatologii, glaciologii, geologii, hydrologii. Vzdělávání v biologických oborech zajišťují většinou pracovníci našeho budějovického Centra polární ekologie a Botanického ústavu AV ČR. V letošním roce jsme poprvé uspořádali kurz arktické zimní ekologie. Letní studentské kurzy běží pravidelně každé léto již od roku 2011.

Studujete, mimo jiné, jak se organismy dostávají na velké vzdálenosti v Antarktidě i v Arktidě. Může tedy dojít k přenosu sinic a řas vzduchem na velké vzdálenosti?

 Analyzovali jsme asi 300 až 350 vzorků ledu a aerosolu z vrcholu Alp, And a z kontinentální Antarktidy, abychom zjistili, zda je možný přenos sinic a řas vzdušnými proudy na velké vzdálenosti. Byl to náročný výzkum, vzorky jsme kultivovali a mikroskopovali, ale nakonec jsme zjistili, že ve vzorcích životaschopné řasy či sinice nejsou. Pravděpodobně jsou usmrceny UV zářením a dalšími extrémními podmínkami ve vyšších vrstvách atmosféry. V těchto vzorcích ledu jsme ale objevili spoustu různých hub a bakterií. Buňky sinic a řas, které dopadnou například na antarktický ledovec, nejsou vitální.
Takovýto průzkum je i technicky poměrně náročný. Buněk je v ledu velmi málo, ale objem ledu je veliký. Velká je i možnost kontaminace, proto bylo potřeba vyvinout speciální postupy, které zabezpečí, aby nedocházelo ke kontaminaci a současně abychom zkoncentrovali velký objem ledu. Tenkrát ještě nebylo tak rozšířené použití molekulárních metod umožňujících sekvenovat části genomu. Postupovali jsme od mikroskopických metod až k sekvenování.


Obr. 5: Zimní kurzy polární ekologie jsou zaměřeny především na studium sněhu a ledu a současně na výzkum hlavních strategií přežívání zimního období u vybraných organismů. Studenti a vědci se dopravují na lokality za pomoci sněžných skútrů.

Zjistili jsme geny sinic a řas, ale nenašli jsme vitální formy. V ledu mohou přežívat sinice a řasy, ale přenášejí se jen na desítky metrů či kilometrů. Celkově jsou to mnohdy tuny suchého materiálu přenášeného z blízkého deglaciovaného území na ledovec. Pokud hovoříme o delších vzdálenostech přenosu, podmínky jsou jiné, buňky zmrznou, vyschnou a ještě na ně působí UV záření a další stresové faktory. Ve vyšších vrstvách atmosféry je UV záření dosti silné. Tyto extrémní podmínky buňky fotosyntetizujících organismů nepřežijí. Naopak některým mikroskopickým houbám, které jsme již zmínili, UV záření nevadí, dostanou se tedy do Antarktidy pravděpodobně snadněji a mohou přežívat i ve sněhu.

Je nějaký rozdíl mezi druhy řas a sinic v Arktidě a Antarktidě?

V Antarktidě je obecně organismů velmi málo. Z hlediska diverzity je to území velmi izolované a druhů je zde poskrovnu. Jsou zde například jen dvě cévnaté rostliny na západním pobřeží, podobné je to s řasami.

Jak se liší společenstva řas a sinic v podmínkách na Svalbardu a na ledovcích v horách Evropy?

Máme dvě hlavní otázky, které se snažíme dlouhodobě studovat. První z nich je, jak se do Arktidy či Antarktidy dané organismy dostaly a zda zde žijí dlouhodobě. Jedná se převážně o endemické druhy, které zde mohly přežít poslední glaciální období. Pokud bychom se podívali na rozšíření ledového příkrovu v posledním glaciálním maximu, zjistili bychom, že arktický ledovec sahal na východě do poloviny Sibiře, na severu pokrýval souostroví Svalbard, ostrovy Františka Josefa a Novou Zemi, ve střední Evropě zasahoval až do oblasti Berlína, na západě pokrýval část Velké Británie. Organismy tak byly vytlačeny na jih. Naproti tomu v centrální Asii bylo rozsáhlé území bez ledovců, kde celá řada organismů mohla přežít. Po ústupu ledovce se organismy začaly rychle šířit zpátky na sever. Tento proces je dobře popsán například u cévnatých rostlin, ale jak to probíhalo u sinic a řas, je mnohem méně známo. K přenosu spor sinic a řas může docházet pomocí tažných ptáků, ale o tom se ví velmi málo. Snažíme se přispět k poznání, jak se organismy šíří na velké vzdálenosti. Nyní se zdá, že celá řada prokaryotních sinic mohla přežít glaciální období, např. na površích ledovců nebo na nunatacích vystupujících nad ledovce, protože jsou dobře adaptovány na různé stresy. Naproti tomu eukaryotní řasy pravděpodobně nepřežily glaciální období, ale mohou se rychle adaptovat na nové podmínky a může docházet k jejich současnému rychlému šíření do Arktidy.
Současně se snažíme zjišťovat vlastnosti organismů, které jim umožňují život v extrémních klimatických podmínkách vysoké Arktidy, a porovnáváme je s vlastnostmi sinic a řas, které žijí například v našich zeměpisných šířkách. U cévnatých rostlin a mechorostů víme, že jsou to převážně pomalu rostoucí vytrvalé rostliny, využívající krátkou vegetační sezónu. U sinic a řas ovšem stále nevíme, jak přežívají zimu. V posledních pěti letech studujeme jednotlivé populace těchto mikroorganismů, zjišťujeme jejich vlastnosti a v jakých stadiích přežívají zimu. Zdali vytvářejí nějaké specializované buňky, mají nějaký typ dormance, či se jen uspí na zimu a zase se probudí, tj. zdali jsou vytrvalé. Díky rychlému životnímu cyklu se za sezónu mnohokrát zreprodukují a mohou se dobře přizpůsobovat měnícím se podmínkám.


Jsou na Svalbardu nějaké hodně fylogeneticky starobylé druhy řas či sinic?

Na Svalbardu jsou velice hojné vláknité oscillatoriální sinice z rodu Phormidium (obr. 6 a 7), které zde tvoří velkou biomasu. Podobné populace jsou také v Antarktidě. Daria Tashyreva, naše doktorandka, objasnila, jaké mají vlastnosti a jak přežívají zimu. Mají skrytou dormanci, morfologicky se vůbec nezmění, pouze zpomalí metabolismus. Až 60–70 % buněk populace přežije zimu. Během arktického léta si naakumulují zásobní látky, které pomalu využívají během zimy. Když přijde na jaře obleva a dostanou se do vody, probudí se a začnou plně růst. To je pravděpodobně způsob, jak tyto sinice přežívají zimní období. Pokud se zima vrátí a prostředí, ve kterém žijí, opět zamrzne, tak nemají dostatečné zásoby energie a zahynou. Jestli je tomu podobně i v našich zeměpisných šířkách, zatím nevíme. Proces přípravy na přežití zimního období je ovlivňován celou řadou abiotických parametrů. Například populace, které mají na podzim v prostředí málo dusíku (dusíkatá starvace), jsou nuceny produkovat zásobní látky a díky tomu přežijí zimu ve větší míře než buňky, které žily v prostředí s dostatkem dusíku.


Obr. 6: Mělký potůček s mechorosty. Na dně se vytvářejí hnědé slizové povlaky tvořené vláknitými sinicemi z rodu Phormidium.
Obr. 7: Detailní záběr vláknité oscillatoriální sinice z rodu Phormidium.

Jsou nějaké zásadní rozdíly mezi našimi biotopy, které známe například z České republiky, a arktickými?

V třeboňských rybnících je v planktonu kolem 200 druhů, v arktických oblastech je spektrum druhů velice omezené. Nicméně v třeboňské sbírce máme již více než 350 kmenů sinic a řas z různých polárních biotopů a různých polárních oblastí. Je to naše pokladnice. Polární sbírka kmenů je připravena sloužit k zodpovězení otázek, kterým se dlouhodobě věnujeme. Například vůbec není známo, jaké jsou konkurenční vztahy mezi tamními druhy sinic a řas. Rostliny s menšími konkurenčními schopnostmi se stěhují do Arktidy, žijí v extrémních podmínkách, kde nejsou vystaveny konkurenci. Jak to je se sinicemi a řasami? Bezobratlých je zde také mnohem méně, takže „žrací“ tlak je rovněž velmi omezen. Tyto věci jsou velmi důležité pro pochopení základních principů fungování arktického ekosystému. Jeho případné změny v čase by nám pak mohly napovědět, jak biologické systémy reagují na současný posun klimatu, který se v Arktidě, jak víme, projevuje velice výrazně.

Rozhovor připravila dr. L. Záveská Drábková.

Autor:
doc. Ing. Josef Elster, CSc. (Centrum pro algologii a Botanický ústav AV ČR Třeboň; josef.elster@ibot.cas.cz)