Vliv oxidu uhličitého v ovzduší na růst rostlin

Pro existenci života na Zemi je výskyt oxidu uhličitého (CO₂) v ovzduší naprosto nezbytný. Tento plyn se totiž významně podílí na přirozeném skleníkovém efektu atmosféry, jenž na zemském povrchu vytváří vhodné teplotní podmínky pro život. Jeho současný nárůst však způsobuje zesílení skleníkového efektu, jehož důsledkem je tolik diskutované nežádoucí globální oteplování.

Boj o energii
Oxid uhličitý obsažený v ovzduší je nepostradatelná látka pro fotosyntézu rostlin a zdroj uhlíku pro vytvářenou biomasu. V procesu fotosyntézy je CO₂ rozkládán na uhlík a kyslík pomocí energie slunečního záření dopadajícího na danou rostlinu. Uhlík tvoří základní kostru organických látek (biomasy) a kyslík je uvolňován zpět do atmosféry. V chemických vazbách organických látek je zadržována energie slunečního záření. Ta je energetickým zdrojem pro veškerý život na Zemi.

Proto všude na zemském povrchu, kde to stanovištní podmínky dovolí, dochází ke konkurenčnímu souboji o dopadající sluneční energii mezi populacemi rostlin a také uvnitř populací. A všude tam, kde se nalézá biomasa zelených rostlin, se vyskytují konzumenti a „rozkradači“, kteří také soupeří o uloženou sluneční energii.

Energie chemických vazeb biomasy je tedy využívána pro životní pochody jak zelených rostlin, tak jejich konzumentů, biomasa se tímto spotřebovává a zpět do ovzduší uniká oxidovaný uhlík ve formě CO₂ (a v malé míře i redukovaný ve formě methanu CH4). To je základní princip biologické pumpy koloběhu uhlíku mezi atmosférou a suchozemskými ekosystémy či oceánem. Každoročně je do tohoto koloběhu uhlíku zapojena čtvrtina celkového množství atmosférického uhlíku.

Jak to bylo dříve
Rostlinné druhy se v pravěku vyvíjely v mnohem vyšší koncentraci CO₂. Asi všem se vybaví ilustrace znázorňující geologickou éru karbonu s hustými porosty mohutných přesliček. „Vzdušný uhlík“ byl postupně rostlinami v procesu fotosyntézy zachytáván a ukládán v organických zbytcích a obsah CO₂ v ovzduší klesal. Dlouhodobě se utvářely ohromné zásoby fosilních paliv (uhlí, ropy a zemního plynu), které dnešní člověk velmi rychle dobývá, využívá sluneční energii uloženou v těchto palivech a rychle vrací CO₂ do ovzduší.

Před začátkem industrializace (před rokem 1750) se po několik tisíc let udržovala koncentrace CO₂ v ovzduší na úrovni kolem 280 ppm (parts per milion = počet objemových částí sledované plynné látky v milionu objemových částí vzduchu). Koncentrace CO₂ již více neklesala, protože fotosyntéza rostlin byla omezována nízkou dostupností CO₂. Koloběh uhlíku byl pomalejší a dostal se do rovnovážného stavu, kdy množství CO₂ zachyceného rostlinami odpovídalo množství CO₂ uvolněného dýcháním všech živých organismů a probíhajícím rozkladem organické hmoty. Tato relativně nízká koncentrace CO₂ v atmosféře tedy znamenala určité omezení rychlosti fotosyntézy, omezení růstu rostlin a množství produkované organické hmoty.

Jak je to dnes
Člověk v současné době zvyšuje obsah CO₂ v ovzduší, mění tak dosavadní rovnovážný stav a opět urychluje fotosyntézu. To se projevuje ve zvýšené tvorbě asimilátů, zvýšené rychlosti růstu rostlin a produkci jejich biomasy. Toto zobecnění však v sobě nezahrnuje komplexní vazby mezi koncentrací CO₂, fotosyntézou, minerální výživou a ostatními parametry vnějšího prostředí či vztahy mezi fotosyntézou, respirací, růstem rostliny a produkcí biomasy.

Továrna na organickou hmotu
Představme si rostlinu jako továrnu, která vyrábí organickou hmotu. Má tři provozy: dva dodavatelské a jeden hlavní výrobní provoz. V jednom dodavatelském provozu (nadzemním) se procesem fotosyntézy vyrábějí jednoduché cukry. Tento provoz je závislý zejména na dostupnosti energie z dopadajícího slunečního záření a CO₂ ze vzduchu. Druhý provoz (podzemní) připravuje pro hlavní výrobnu vodu a další minerální látky, zejména dusík. Je závislý zejména na dostupnosti minerálních látek a vody z půdy. V hlavním výrobním provozu jsou potom krátké uhlíkové řetězce jednoduchých cukrů propojovány, doplňovány minerálními prvky a jsou produkovány již mnohem složitější stavební a zásobní látky rostlin.

Má-li továrna fungovat efektivně, musí být dodávky prvního provozu v souladu s dodávkami druhého dodavatelského provozu. Znamená to, že asimilačnímu aparátu (množství listí na stromě) musí odpovídat velikost kořenového systému daného stromu.

A jaký dopad bude mít změna jednoho z vnějších faktorů, působícího na funkci naší továrny, když zvýšíme koncentraci CO₂ v ovzduší? Nadzemní provoz dodávající cukry bude méně omezován dostupností CO₂ z atmosféry a začne vyrábět mnohem rychleji (zvýší se rychlost fotosyntézy). Druhý dodavatelský provoz (podzemní) také musí navýšit výrobu, aby dodávky z obou stran byly vyrovnané.

Dokonalý přírodní management
V případě, že je v půdě dostatek živin a vody, podzemní provoz pouze zvýší rychlost odebírání látek z půdy a dodávky do hlavního provozu. Celková produkce továrny okamžitě narůstá. To je příklad dobře hnojeného pole. V reálném ekosystému si však rostliny v získávání živin často konkurují. Když management továrny zaregistruje nedostatek v dodávkách živin a hromadění cukrů ve skladech nadzemního provozu, jeho manažerským rozhodnutím bude změna investiční politiky v rámci rozvoje celého podniku. Omezí investice do nadzemního provozu, protože ten má nadvýrobu, a naopak posílí investice do podzemního provozu a tento provoz rozšíří. V reálné rostlině se vše uskutečňuje změnami poměru různých hormonů v daných částech rostliny. Dochází ke zvýšenému růstu kořenového systému tak, aby si rostlina zajistila potřebné množství živin, případně vody. Čím je půda chudší na živiny, tím dochází k větší změně v poměru mezi nadzemní a podzemní biomasou ve prospěch kořenů rostliny.

Ve zvýšené koncentraci CO₂ je jeho vstup do rostliny mnohem snazší. Nadzemní provoz továrny tedy může přivírat vstupní vrata a omezovat počet vstupů. Reálně to znamená, že rostlina méně otevírá své průduchy v listech a při dlouhodobém působení listy vyrůstají s menším počtem průduchů. A protože průduchy regulují i hospodaření rostliny s vodou, přivíráním průduchů se omezuje výpar vody (rostlina méně transpiruje), lze říci, že pro svůj růst spotřebovává méně vody. A současně s tím, že vytváří mohutnější kořenový systém, je důsledkem zvýšené koncentrace CO₂ i vyšší odolnost rostliny vůči suchu.

K ideálu však máme velmi daleko
Zdálo by se tedy, že zvyšující se koncentrace CO₂ v ovzduší bude mít na rostliny vesměs pozitivní účinky. Bylo by tomu tak, kdyby CO₂ nezesiloval skleníkový efekt atmosféry a nezpůsoboval změnu klimatu. Probíhající změna klimatu však znamená, že stanovištní podmínky rostlin se rychle mění. Ekosystémy, které na určitém místě již byly na pokraji své meze tolerance (např. rostou již v příliš teplých a suchých podmínkách), se dostávají až za tuto mez a rozpadají se. Takovým příkladem je velká část lesních smrkových porostů na území České republiky. Dalším významným negativním důsledkem je vylepšení podmínek pro některé invazivní druhy rostlin, které snáze zamořují naši krajinu. Obrovským nebezpečím je rychlost migrace škůdců a nemocí rostlin, pro které se vytvářejí vhodné podmínky, ale rostliny nejsou schopny stejně rychle získávat proti nim odolnost. Svým přímým pozitivním působením na rostliny tak zvýšená koncentrace CO₂ pouze zmírňuje všechny tyto negativní nepřímé dopady.

---

Bílý Kříž
Výzkumem vlivu koncentrace CO₂ na rostliny se zabývá experimentální ekologické pracoviště na Bílém Kříži v Moravskoslezských Beskydách. Jde o studium vlivů globálních změn na lesní ekosystémy, především na nárůst vzdušné koncentrace CO₂ a s ní spojené zesilování skleníkového jevu. Centrem zájmu vědců je dále pokles koncentrace ozónu ve stratosféře, což vede k nárůstu intenzity ultrafialového záření dopadajícího na zemský povrch. K výzkumu slouží komory s otevřeným vrchem, lamelové kultivační sféry a UV-B expoziční lavice, v nichž jsou simulovány podmínky očekávané okolo roku 2050 (v porovnání s koncem 20. století dvojnásobný nárůst koncentrace CO₂ a nárůst intenzity UV záření o 25%).