Regeneracja ekosystemów wyzwaniem dla skutecznej odbudowy zasobów przyrody

Regeneracja zdegradowanych ekosystemów to święty Graal współczesnej ekologii i ruchów ochroniarskich. Świadomi zniszczeń, jakich dokonaliśmy w środowisku naturalnym, głównie w ciągu ostatnich 100 lat, podejmujemy działania w celu odtworzenia przyrody. Mimo wysiłków wkładanych w ograniczenie presji, efekty nie są spektakularne, a czasami nie ma ich wcale. Dlaczego tak się dzieje? Ponieważ regeneracja ekosystemów to proces skomplikowany, wieloaspektowy i wcale nie musi być odwrotnością degradacji. Na wyjaśnienie tego zjawiska naukowcy opracowali teorię nazwaną Koncepcją Odpowiedzi Asymetrycznych (ARC, ang. Asymmetric Response Concept), która przedstawia różne scenariusze odbudowy ekosystemów i ich ekologiczne konsekwencje [1].

Dlaczego, mimo wysiłków, regeneracja ekosystemów często zawodzi?

Degradacja środowiska naturalnego spowodowana działalnością człowieka, szczególnie intensywna w okresie powojennym, wymusiła konieczność podjęcia działań zmierzających do odwrócenia destrukcyjnych trendów. Działania naprawcze i środki łagodzące wdrożone w ciągu ostatnich 50 lat przyniosły pewną poprawę jakości wód i odnowę ich różnorodności biologicznej, a jednak efekty nadal są niezadowalające. Dalszy postęp wymaga zwiększenia wysiłków. Pojawiają się nowe, coraz bardziej wyspecjalizowane strategie, których celem jest odtwarzanie siedlisk i zbiorowisk naturalnych, ponowne inicjowanie zaburzonych procesów, a przede wszystkim łagodzenie stresorów antropogenicznych. Liczymy, że przyniosą one spodziewane efekty.

Problem zaczyna się, kiedy wdrożone na drodze nieuniknionych wyrzeczeń (coś za coś), zazwyczaj niemałym kosztem i wysiłkiem, działania naprawcze nie przynoszą spodziewanych efektów. Jakość wody się nie poprawia, to, co miało urosnąć, nie rośnie, oczekiwane gatunki nie wracają, pożądanych ryb jak nie było, tak nie ma, a zamiast uroczego zakątka mamy kisnące bajoro. Pytaniem retorycznym pozostaje, na czyj młyn ta woda. I kto będzie miał argumenty za tym, żeby działań naprawczych nie wdrażać, bo drogie i nieskuteczne.

A tak naprawdę niepowodzenie często wynika z niewystarczającego zrozumienia złożonego charakteru reakcji ekologicznych na degradację, jak i podjęte środki renaturyzacyjne. Tylko dogłębne zrozumienie tych procesów może pomóc w przewidzeniu zachowań ekosystemu i opracowaniu środków zaradczych dostosowanych do jego indywidualnych potrzeb. Może wówczas uda nam się uniknąć ekologicznych niespodzianek?

Co degraduje nasze środowisko? Czynniki zaburzające, czyli stresory

W przyrodzie wszystko oddziałuje na wszystko, jednak niektóre czynniki wykazują działanie zaburzające, czyli takie, które powoduje, że warunki środowiskowe, jednostki, populacje, społeczności lub funkcje ekosystemu modyfikują swój zakres zmienności względem niezakłóconych warunków referencyjnych. Takie czynniki w literaturze przedmiotu nazywa się stresorami. Rzadko się zdarza, że na ekosystem oddziałuje jeden stresor. Najczęściej mamy do czynienia z całym szeregiem czynników, które mogą działać jednocześnie lub sekwencyjnie, a ich efekty wzajemnie się wzmacniają lub osłabiają w różnym czasie i w różnym stopniu.

Bardzo często w przyrodzie spotykamy się z oddziaływaniem addytywnym lub synergistycznym, kiedy efekty działania dwóch stresorów sumują się lub wzmacniają (dając efekt większy niż ich suma). Przykładów takich oddziaływań w ekosystemach wodnych mamy mnóstwo, jak chociażby wzmacnianie negatywnego wpływu eutrofizacji na zespoły biologiczne w wyniku wzrostu zasolenia wód lub podwyższonej temperatury. Podobnie skumulowany wpływ wielu zapór na rzece może zmniejszyć jej przepływ, zmienić temperaturę i poziom tlenu oraz wpłynąć na różnorodność biologiczną i usługi ekosystemowe. W jeziorach synergistyczny wpływ zmiany klimatu i zanieczyszczenia substancjami pokarmowymi prowadzi do nadmiernej eutrofizacji, zakwitów glonów, a w dalszej konsekwencji obumierania roślinności wodnej, wyczerpywania tlenu i śnięcia ryb.

Oddziaływania antagonistyczne występują wówczas, kiedy jeden czynnik sprzyja jakiemuś procesowi (np. wyższe temperatury powodują wcześniejszy i bujniejszy rozwój makrofitów podwodnych), ale jednocześnie napędza czynnik, który ten proces hamuje (wzrost intensywności rozwoju glonów na skutek podwyższonej temperatury powoduje zacienienie głębszych warstw wody, ograniczając rozwój roślinności podwodnej). Innym przykładem może być spadek stężenia zanieczyszczeń na skutek sztucznego zwiększenia przepływu przy zwężeniu koryta rzecznego.

Wydaje się to korzystne dla jakości wody, jednak mechaniczny stres wywołany zmianą siły hydraulicznej prowadzi do całkowitej przebudowy zespołów biologicznych na drodze eliminacji organizmów nieprzystosowanych do dużego przepływu i promocji tych o lepszej adaptacji. Takich typów oddziaływań można wyróżnić więcej, jak na przykład odwrócenie, które występuje, gdy łączny efekt ma działanie przeciwne do efektów działania pojedynczych stresorów. A mówimy tu o kombinacji zaledwie dwóch stresorów, podczas gdy zazwyczaj jest ich znacznie więcej, a ich wzajemne oddziaływanie może być niezwykle skomplikowane.

Co ciekawe, w różnych kategoriach wód decydujący wpływ na ich stan mają różne typy odziaływań. Badania przeprowadzone na ponad 170 przykładach degradacji wód wykazały, że tylko w 39 proc. przypadków był to jeden stresor, w 28 proc. kombinacja sparowanych stresorów dała efekt addytywny, a 33 proc interaktywny (antagonistyczny, synergistyczny lub odwrotny). Dla jezior nadrzędnym stresorem okazało się wzbogacanie wód w składniki odżywcze, którego efekty przewyższały na ogół działanie stresorów wtórnych.

W przypadku rzek skutki eutrofizacji miały różną wagę i zależały od konkretnej kombinacji stresorów i analizowanej zmiennej biologicznej [2]. Wyniki te potwierdzają, że w przypadku wód stojących wysiłki renaturyzacyjne i zarządzanie powinny skupić się na ograniczeniu dostawy składników odżywczych, podczas gdy zarządzanie rzekami wymaga opracowania rozwiązań dostosowanych do indywidualnych przypadków.

Tolerancja, dyspersja i interakcje biotyczne – mechanizmy ekologiczne kształtujące trajektorie regeneracji ekosystemów

Rozpoznanie najbardziej prawdopodobnej trajektorii odbudowy ekosystemu wymaga zrozumienia reakcji organizmów na działanie czynnika stresowego oraz na jego ustąpienie. Odtworzenie się zespołów biologicznych zależy na przykład od tego, ile organizmów przetrwa niekorzystny okres, a to z kolei zależy od indywidualnej tolerancji gatunku na dany czynnik, taki jak temperatura czy zanieczyszczenie. Wrażliwe gatunki (stenotopowe) mogą przetrwać tylko w niewielkim zakresie warunków, podczas gdy gatunki tolerancyjne (eurytopowe) – w znacznie szerszym ich spektrum.

Na przykład niektóre żaby mają zdolność przeżycia stanu całkowitego zamarznięcia, co umożliwia im przetrwanie mroźnych zim. Indywidualne tolerancje wielu gatunków łącznie warunkują wrażliwość lub odporność całej społeczności na działanie konkretnego czynnika stresowego. Dany gatunek może mieć różną tolerancję na różne czynniki – na przykład bardzo odporna na zimno żaba może być bardzo wrażliwa na pewne zanieczyszczenia w wodzie, jak na przykład zasolenie. Zatem w sytuacji, kiedy wiele czynników stresogennych występuje jednocześnie, sprawa się komplikuje.

Nawet jeśli organizmy mają ograniczoną tolerancję na dany czynnik, mogą salwować się ucieczką, aby powrócić do ekosystemu, kiedy stres minie. Zdolność do przemieszczania się zwana jest rozproszeniem lub, bardziej fachowo, dyspersją. Gatunki mają bardzo różną zdolność dyspersji, od bardzo mobilnych, aktywnie poruszających się (ssaki, ryby, niektóre owady wodne), po całkowicie osiadłe (organizmy bentosowe, w tym większość roślin, ale też wiele makrobezkręgowców), których rozpraszanie sprowadza się w zasadzie do biernego przenoszenia z wiatrem, prądem wody lub na mobilnych wektorach. Zatem gatunki najmniej mobilne o najmniejszej tolerancji na warunki środowiskowe są potencjalnie najbardziej narażone na nieodwracalne zniknięcie z degenerującego ekosystemu i mają najmniejsze szanse na powrót po ustaniu czynnika stresowego.

Z kolei, nawet jeśli organizm powróci do odbudowującego się ekosystemu, może nie mieć szansy ponownie go trwale zasiedlić, jeżeli zmiana warunków uniemożliwia realizację jego potrzeb życiowych. Mobilna ryba może wrócić do rzeki po jej udrożnieniu lub poprawie jakości wód, ale nie przetrwa, jeżeli nie znajdzie w niej właściwej bazy pokarmowej (np. słabe odbudowanie się zespołu makrofauny bentosowej po zabójczym działaniu pewnej ichtiotoksyny) lub elementów niezbędnych do przeprowadzenia cyklu rozrodczego (np. brak małży stanowiących kluczowy organizm tarła rzadkiej i chronionej u nas różanki). Takie relacje między gatunkami są przykładami interakcji biotycznych, które zapewniają prawidłowe funkcjonowanie ekosystemów i których zaburzenie może skutecznie zapobiegać ich regeneracji.

Od gumki recepturki po nową jakość – różne trajektorie regeneracji ekosystemów

Kombinacja tolerancji organizmów, ich zdolności dyspersji i biotycznych interakcji określa, ile organizmów jest w stanie przetrwać działanie stresora, a ile wyginie lub opuści ekosystem oraz jak szybko środowisko ich życia może się zregenerować. A także jaką trajektorią ta regeneracja podąży…

Ekosystem zasiedlony przez dużą liczbę organizmów tolerancyjnych i takich, które mogą się łatwo przemieszczać i mają zdolność szybszego powrotu po ustąpieniu stresora, będzie się szybciej regenerował niż te, w których dominują gatunki o wąskich amplitudach ekologicznych i niemobilne. Taki szybki powrót do stanu sprzed degradacji naukowcy nazwali trajektorią gumki recepturki (ang. rubber band trajectory). Powrót do stanu pierwotnego, ale powolniejszy, zachodzący w dłuższej perspektywie czasu, został przyrównany do sytuacji złamanej nogi (ang. brocken leg trajectory) – zrośnie się, ale potrzebuje na to czasu. Tam, gdzie występowało wiele organizmów wrażliwych, a baza pokarmowa kluczowych drapieżników została nieodwracalnie utracona, ekosystem może się w ogóle nie zregenerować. To scenariusz określany jako brak odnowy (ang. no recovery model).

Z kolei jeśli niektóre gatunki wykazują duże rozproszenie, a inne nie, i tylko niektóre z nich powrócą, może nastąpić częściowe wyzdrowienie (ang. partial recovery model). Bardzo ciekawym i często obserwowanym procesem jest pojawienie się w toku odnowy zupełnie nowych gatunków, które lepiej sobie radzą z równowagą interakcji biotycznych w zdegradowanym ekosystemie niż te pierwotne. Takie zjawisko, zwane nowym stanem (ang. new state model), jest często obserwowane na przykład na ponownie nawadnianych torfowiskach, gdzie zamiast torfotwórczych mchów wkraczają wysokie gatunki trawiaste.

Przedstawioną koncepcję różnych scenariuszy odnowy naukowcy określili mianem Koncepcji Odpowiedzi Asymetrycznych (ARC) [1] i jest ona rozbudowaniem kilku poprzednich, opracowanych w pierwszej dekadzie XXI w. [3-5]. Spośród przedstawionych scenariuszy jedynie model gumki pokazuje praktycznie symetryczną reakcję przed i po uwolnieniu od stresora lub kombinacji stresorów, zarówno pod względem stanu początkowego i końcowego po wyzdrowieniu, jak i pod względem trajektorii. Model złamanej nogi jest asymetryczny w tym sensie, że trajektorie są różne, chociaż stan początkowy i końcowy są takie same (efekt histerezy).

Modele częściowego powrotu do zdrowia i braku powrotu do zdrowia są asymetryczne zarówno pod względem stanu początkowego, jak i końcowego, a także trajektorii przed i po uwolnieniu od stresorów. Podobne asymetrie charakteryzują model nowego stanu, w którym uwolnienie od stresorów powoduje kompletną zmianę stanu pierwotnego.

Do czego są nam potrzebne koncepcje takie jak ARC?

Według ARC pełne przywrócenie struktury społeczności i funkcji ekosystemu jest jednym z kilku możliwych rezultatów i w żadnym wypadku nie jest oczekiwaniem domyślnym. Kiedy powrót do zdrowia po uwolnieniu od stresora nie powiedzie się, co często ma miejsce w rzeczywistości, pojawia się pytanie, jakie przeszkody to utrudniają.

Wobec dużej niepewności sukcesu nietrudno wyobrazić sobie umiarkowany entuzjazm decydentów do inwestowania sił i środków w działania renaturyzacyjne, których efekty mogą być niezadowalające i nie takie, jak oczekiwano. Ale innego wyjścia nie mamy. Kluczem do uniknięcia rozczarowań jest dobre rozpoznanie sytuacji i odpowiednie zaprojektowanie środków. Wiedza o tym, jaką trajektorią będzie podążał ekosystem i jakie mechanizmy do niej prowadzą, może pomóc naukowcom i zarządcom przyrody w opracowaniu planu działania, który skieruje ekosystem na właściwą ścieżkę regeneracji. Złożoność czynników warunkujących regenerację ekosystemów jest ogromna i być może rozpoznanie wszystkich jej aspektów wykracza poza ludzkie możliwości. Może algorytmy sztucznej inteligencji przyjdą nam z pomocą?

Zdj. główen: Hussain Niyaz/Unsplash

W artykule korzystałam m.in. z prac:

[1] Vos M., Hering D., Gessner M.O. et al., 2023. The Asymmetric Response Concept explains ecological consequences of multiple stressor exposure and release. Science of The Total Environment, 872, 162196, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162196

[2] Birk S., Chapman D., Carvalho L. et al., 2020. Impacts of multiple stressors on freshwater biota across spatial scales and ecosystems. Nature Ecology & Evolution, Nature, 4, 1060–1068. 10.1038/s41559-020-1216-4

[3] Sarr D.A., 2002. Riparian livestock exclosure research in the Western United States: a critique and some recommendations. Environ. Manag. 30, 516-526

[4] Duarte C.M., Conley D.J., Carstensen J., Sánchez-Camacho M., 2009. Return to Neverland: Shifting baselines affect eutrophication restoration targets. Estuaries and Coasts, 32, 29–36. 10.1007/s12237-008-9111-2

[5] Smith M.D., Knapp A.K., Collins S.L., 2009. A framework for assessing ecosystem dynamics in response to chronic resource alterations induced by global change. Ecology 90, 3279–3289