Jak ekosystém k dusíku přišel

Cykly jednotlivých prvků v přírodě představují oblíbenou zkušební látku středoškolských učitelů biologie. Ze všech biogenních prvků je kvůli tomu studenty nejvíce nenáviděn dusík, který se v přírodě vyskytuje v řadě forem a většinu jeho přeměn mají na svědomí neviditelné a obtížně zapamatovatelné skupiny bakterií. Snad by studentskou zášť mohlo zmírnit nové zjištění kalifornských ekologů, které do schématu doplňuje jeden nesmírně důležitý člen. Tento poznatek, studentem vytažený ve správnou chvíli, by mohl zvrátit průběh zkoušky a znejistět suverénního učitele. Leč nepředbíhejme.

Nejprve stručně zopakujme, jaká reakce na otázku „koloběh dusíku“ je po studentech po léta vyžadována: Tak tedy dusík je jeden z nejdůležitějších prvků v živých soustavách. Zejména tvoří podstatnou součást bílkovin a nukleotidů. Jeho zásoby v půdě jsou omezené, a proto (spolu s fosforem) často limituje růst rostlin. Bývá proto důležitou součástí zemědělských hnojiv a s jeho nadbytkem je spojen neblahý pojem eutrofizace.

V atmosféře je ho sice k dispozici obrovské množství, ale zredukovat vzdušný dusík (N₂) do nějaké použitelné podoby je kumšt, který zvládnou jen některé mikroorganismy. Aby si zajistily exkluzivní přísun fixovaného dusíku, nabízejí některé rostliny těmto mikroorganismům přímo svoje kořeny. Jak si vzpomene většina zkoušených, např. hlízkové bakterie tímto způsobem významně pomáhají bobovitým rostlinám.

Velká část rostlin ale takovouto symbiózu neprovozuje, a musí proto vzít zavděk amonnými a dusičnanovými ionty z půdního roztoku. Kde ty se berou? Menší část z nich vzniká činností bakterií fixujících dusík, které nemají své hlízky a dávají přednost volnému životu v půdě. Většina iontů však vzniká postupnou oxidací odumřelého a odpadního materiálu. Chcíplá zvířátka a rostliny, jakož i jejich exkrementy, jsou opracovávány společenstvem reducentů či dekompozitorů. Dusík se přitom z organických látek uvolňuje v podobě amoniaku. Zlomek amonných iontů může být rovnou nasán do kořenů rostlin, na zbytek se ale vrhnou nitritační bakterie. Začíná tak dvoustupňový nitrifikační proces (po nitritaci proběhne ještě nitratace), z něhož na konci vypadne dusičnan.

Prakticky veškerý objem použitelného dusíku tedy cykluje mezi producenty, konzumenty a různými skupinami půdních bakterií. Ze vzdušných zásob je toto množství doplňováno jen pomalu – buď činností dusík fixujících bakterií, ať už žijících v hlízkách nebo volně v půdě, nebo v menší míře atmosférickou fixací, zejména působením blesků. A z tohoto omezeného množství ještě zvolna ubírají denitrifikační bakterie: V anaerobních podmínkách využívají dusičnany místo kyslíku a redukují je tak zpět na vzdušný dusík.

Takovým výčtem by snad měl být pedagog uspokojen. My však dodejme, že významná část dusíku je rovněž vyplavována vodou a odchází mnohdy až do moří. V mořských i sladkovodních podmínkách se pak dusík po miliony let ukládá v podobě sedimentárních hornin. Geologické procesy pak tyto horniny nezřídka vynášejí na suchou zem, kde se na nich časem vytváří současné ekosystémy.

Odhaduje se, že celosvětově je v horninách uloženo 10²¹ g dusíku (hlavně ve formě organického dusíku a amoniaku), zatímco v celé biosféře je ho jen 10¹⁹ g. Nemůže takto zachycený dusík doplňovat půdní zásobu? Zatímco třeba v případě fosforu je vyplavování z podloží uznáváno za hlavní zdroj tohoto prvku, u dusíku se o něčem takovém nikdy neuvažovalo – patrně pod dojmem jeho nadbytku v atmosféře.

Při ekologických měřeních toku dusíku občas počty neseděly. Zdálo se, že procesy fixující dusík z atmosféry nestačí k vysvětlení velikosti půdních zásob. Podloží by tyto nesrovnalosti mohlo vysvětlit. Nyní se objevila první studie srovnávající dva v podstatě stejné jehličnaté lesy, z nichž jeden vyrůstá na lehce přeměněných slídovitých svorech bohatých na dusík a druhý na chudých gabro- dioritových vyvřelinách.

Ukázalo se, že přeměněné usazeniny mohou poskytovat až o polovinu více dusíku, než tomu je na chudém podloží. Zastoupení jednotlivých izotopů nasvědčuje tomu, že v první lokalitě je matečná hornina důležitým zdrojem dusíku, zatímco na druhém stanovišti pochází všechen nový dusík z atmosféry. Na svoru tak může vyrůst mnohem více biomasy, protože limitace dusíkem není tak silná.

S množstvím lístků v lese roste i schopnost fixovat oxid uhličitý. Započítání efektu podloží proto může hrát roli i při odhadech vývoje množství skleníkových plynů v atmosféře. Podzemní dusík tedy přitahuje pozornost i v souvislosti s globálním oteplováním. (To je zřejmě i důvodem, proč studie bodovala i u přísných recenzentů časopisu Nature.)

Bude ještě třeba ověřit příspěvek dusíkatých sedimentů v globálním měřítku. Už teď ale můžeme s novým zdrojem dusíku perlit u tabule.