Trzeba przypomnieć o fundamentalnej roli liści w obiegu dwutlenku węgla,

który jest jednym z najważniejszych gazów cieplarnianych, mających znaczący wpływ na globalne zmiany klimatyczne. Bez przesady można powiedzieć, że liście warunkują życie na naszej planecie.

Spekulanci i ciułacze

Rozmowa z prof. Jackiem Oleksynem,

laureatem Nagrody FNP w dziedzinie nauk przyrodniczych za rok 2008

Prof. Jacek Oleksyn (ur. 1953) kieruje Pracownią Ekofizjologii w Instytucie Dendrologii PAN w Kórniku. Zajmuje się botaniką eksperymentalną, ekofizjologią roślin, ekologią i ochroną środowiska. Jest autorem przeszło 120 publikacji naukowych, w tym 17 rozdziałów w monografiach. Był stypendystą Fundacji Fulbrighta. Prowadził badania naukowe w Uniwersytecie w Arizonie (w Tucson) i Uniwersytecie Wisconsin−Madison, a obecnie pracuje w Uniwersytecie w Minnesocie. Był koordynatorem realizacji 7 zagranicznych grantów badawczych, m.in. z Unii Europejskiej, National Science Foundation (USA), National Geographic Society (USA). Od 2007 członek korespondent PAN. W 2008 uzyskał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w dziedzinie nauk przyrodniczych.

Jak umiejscowić Pańskie badania na mapie nauki?

– Mój zespół zajmuje się ekofizjologią, czyli bada podstawowe procesy życiowe, związane z ekologią roślin. W naszym przypadku są to badania procesów wzrostowych, oddychania i fotosyntezy, struktury i budowy liści, ich fenologii i chemizmu kształtujących się w zależności od czynników środowiskowych i genetycznych.

Dwa lata temu usłyszeliśmy, że znalazł się Pan w grupie, która opisała istotne zależności między zawartością azotu a oddychaniem roślin.

– O tym, że azot jest związany z procesami metabolicznymi wiadomo od dawna. Natomiast ostatnio pojawiła się uniwersalna teoria wyjaśniająca procesy metaboliczne u zróżnicowanych gatunków, od mikroorganizmów i roślin do ssaków – takie biologiczne E = mc2. W Santa Fe stworzono zespół badawczy, w skład którego weszli m.in. fizyk Geoffrey West oraz ekolodzy James Brown i Brian Enquist. Zajęli się poszukiwaniem podstaw teoretycznych tłumaczących wyniki prac Maxa Kleibera z Uniwersytetu w Kalifornii, który w latach 30. XX w. wykazał, że natężenie oddychania u zwierząt równe jest masie ich ciała podniesionej do potęgi 3/4. Badania te dobrze tłumaczyły wcześniejsze doniesienia, wskazujące na to, że duże zwierzęta charakteryzują się mniejszym natężeniem oddychania niż zwierzęta małe. By przeżyć, 30−gramowa nornica musi zjeść codziennie pożywienie równe połowie masy jej ciała, podczas gdy ludziom w zupełności wystarcza 2 proc.

Co odkryli badacze z Santa Fe?

– Doszli do wniosku, że to wielkość systemu waskularnego, czyli długość i struktura systemu naczyniowego, transportującego tlen i substancje odżywcze do poszczególnych komórek zwierzęcia, decyduje o natężeniu metabolizmu. Rozprowadzenie po dużym organizmie tlenu i substancji odżywczych wymaga bardziej rozbudowanego systemu waskularnego, który wydłuża drogę transportowanych substancji, spowalniając tym samym procesy metaboliczne.

A gdzie miejsce na rośliny?

– Badacze z Santa Fe postawili pytanie: jak to jest u roślin? Na podstawie badań literaturowych i modelowania procesów metabolicznych doszli do wniosku, że zależności między masami roślin i zwierząt a ich oddychaniem są identyczne. Uznano zatem, że jest to zależność uniwersalna dla wszystkich organizmów. Niestety, w odniesieniu do roślin dane, którymi się posługiwali, nie były wiarygodne. Np. wzięto pod uwagę cytryny, banany i truskawki – owoce, a nie całe rośliny. Dane na temat natężenia oddychania pochodziły z literatury, a średnie masy owoców z katalogów hurtowni spożywczych. Wyniki tych badań opublikowano w 2001 roku w „Science” jako jednoczącą teorię metaboliczną.

Ale mieliśmy mówić o Pańskich badaniach.

– Tak się akurat złożyło, że nasza grupa badawcza – Peter B. Reich z Uniwersytetu w Minnesocie, Mark G. Tjoelker z Uniwersytetu w Teksasie, Jose−Louis Machado ze Swarthmore College w Pensylwanii i ja – dysponowała własnymi wynikami pomiarów natężenia procesów metabolicznych, wykonanych na blisko 500 osobnikach reprezentujących przeszło 40 gatunków roślin naczyniowych. W opublikowanej w 2006 roku w „Nature” pracy wykazaliśmy, że oddychanie zarówno całych roślin, jak i ich poszczególnych organów zmienia się izometrycznie (wykładnik potęgi = 1) wraz z ich masą, a nie według zależności opisanych u zwierząt. Tak więc, niezależnie od rozmiarów badanych przez nas osobników (od małych siewek do 25−letnich drzew) czy gatunku roślin, przy podwojeniu ich masy natężenie procesów oddechowych wzrastało dwukrotnie, czyli w innej proporcji niż to ustalili naukowcy w Santa Fe.

A co ma do tego azot?

– Nasze doświadczenia wykazały istnienie uniwersalnej zależności między zawartością azotu w całych roślinach i natężeniem procesów oddechowych. Sugeruje to, iż metabolizm oddechowy roślin jest związany z procesami biochemicznymi, a nie z ich systemem naczyniowym. Nie byliśmy zresztą pierwsi, którzy zakwestionowali tę rzekomo uniwersalną teorię łączącą system naczyniowy organizmów z ich metabolizmem. Przed nami zrobili to dla zwierząt profesorowie Jan Kozłowski z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Marek Konarzewski z Uniwersytetu w Białymstoku, którzy wskazali szereg poważnych błędów metodologicznych badaczy z Santa Fe.

Wygląda na to, że matematyka staje się nie tylko językiem nauk ścisłych, ale także biologii.

– Może nie tyle językiem, ile bardzo dobrym narzędziem. Posługujemy się matematyką w badaniach, bo pozwala ona nie tylko na precyzyjny opis badanych zjawisk, ale także na wyciąganie interesujących wniosków ogólnych.

Właśnie za pewne uogólnienia nagrodziła Pana Fundacja na rzecz Nauki Polskiej. Jak można z badania własności liści wyciągać wnioski dotyczące globalnych zmian klimatycznych?

– Trzeba najpierw przypomnieć o fundamentalnej roli liści w obiegu dwutlenku węgla, który jest jednym z najważniejszych gazów cieplarnianych, mających znaczący wpływ na globalne zmiany klimatyczne. Bez przesady można powiedzieć, że liście warunkują życie na naszej planecie. Przez nie odbywa się wymiana CO2 między rośliną i środowiskiem, czyli asymilacja dwutlenku węgla i wydzielanie tlenu w procesie fotosyntezy oraz znaczna część oddychania, czyli wydzielania CO2 i pobierania tlenu. Liście stanowią pożywienie dla wielu organizmów. Od ich struktury i chemizmu zależy rozkład ścioły, który jest istotną siłą napędową obiegu węgla i azotu w środowisku. Poznanie zależności między różnymi cechami liści a procesami metabolicznymi ma zatem fundamentalne znaczenie biologiczne.

Proszę jeszcze wyjaśnić zależności między zawartością azotu a oddychaniem, bo chyba nie skończyliśmy tamtego wątku.

– Znaczną część azotu zawartego w liściach, łodygach i korzeniach roślin stanowią bogate w ten pierwiastek enzymy uczestniczące bezpośrednio w procesach oddechowych. Wraz ze wzrostem zawartości azotu wzrasta liniowo natężenie procesów metabolicznych. Zawartość azotu można zatem uznać za dobry wskaźnik natężenia tych procesów. Co ciekawe, poszczególne gatunki roślin potrafią się różnić blisko 150−krotnie zawartością azotu w liściach. I dochodzimy tu do fundamentalnych zależności, związanych ze strategiami przystosowawczymi roślin, które można opisać językiem ekonomicznych analogii. Budowanie liści przez rośliny można traktować jako inwestycję, która w zależności od ewolucyjnych przystosowań danego gatunku do środowiska będzie się różniła kosztami, zyskiem i długością uzyskiwania przychodu. Krańcowymi wyznacznikami tego spektrum przystosowań są z jednej strony gatunki mające strategię giełdowego ryzykanta, który liczy na szybkie zyski, z drugiej zaś są rośliny o strategii ciułacza, który inwestuje ostrożnie, ubezpiecza się od potencjalnych zagrożeń, licząc na korzyści w dłuższej perspektywie czasowej. Tak więc rośliny mogą żyć według różnych zasad – poczynając od strategii: żyję szybko i intensywnie, ale krótko, a kończąc na strategii: żyję powoli, ale dłużej.

Które rośliny są ciułaczami, a które spekulantami?

– Wśród drzew ciułaczem jest np. cis, a spekulantem brzoza. Przejawem tego są zarówno 15−krotne potencjalne różnice w długości życia drzew i liści, trzykrotnie niższa fotosynteza i o 25 proc. mniejsza zawartość azotu u cisa niż u brzozy. Strategią brzozy jest ukierunkowanie produkcji fotosyntetycznej na szybki wzrost i w minimalnym stopniu na produkcję kosztownych metabolitów wtórnych, chroniących drzewo przed szkodnikami i chorobami. Cisy, ze względu na swoją długowieczność, muszą, kosztem procesów wzrostowych, inwestować znaczną część produktów fotosyntezy w obronę przed szkodnikami.

Które cechy liści Pan badał?

– Wzięliśmy pod uwagę sześć podstawowych cech liści: natężenie asymilacji CO2 i oddychania, zawartość dwóch podstawowych biogenów – azotu i fosforu, długość życia liści i ich strukturę (obliczaną jako stosunek ich masy do powierzchni). Okazało się, że mimo olbrzymiego taksonomicznego i geograficznego zróżnicowania badanych gatunków roślin, cechy liści są bardzo ściśle ze sobą powiązane. Znając parametry jednej z nich, bez trudu można przewidywać inne. Dla przykładu, sama tylko długość życia liści tłumaczy blisko 70 proc. zmienności natężenia oddychania i fotosyntezy oraz przeszło 40 proc. zmienności zawartości azotu. Znając kilka z tych cech, możemy przewidywać przeszło 80 proc. zmienności pozostałych. Wyniki naszych prac zainteresowały badaczy zajmujących się modelowaniem globalnych i regionalnych zmian procesów biologicznych i obiegiem pierwiastków w środowisku, fizjologów roślin i ekologów oraz specjalistów zainteresowanych ewolucją roślin naczyniowych. Opublikowany w 2004 roku w „Nature” artykuł zespołu, z którym współpracuję, Ekonomiczne spektrum liści jest w ostatnich latach najczęściej cytowaną pracą z dziedziny ekologii i ochrony środowiska napisaną z udziałem polskich autorów.

Domyślam się, że badania dotyczyły wielu gatunków w różnych strefach klimatycznych.

– Początkowo mieliśmy w naszej bazie dane o ponad 2,5 tys. gatunków. Obecnie jest ich około 10 tys., czyli 4 proc. z 250 tys. gatunków roślin naczyniowych. Aby te dane zebrać, na całym świecie pracował ogromny zespół ludzi. Podam przykład jednego tylko artykułu, który FNP uznała za interesujący: pracowało nad nim 33 badaczy reprezentujących 27 instytucji z 15 krajów. Nasze dane zbieraliśmy po całym świecie – od tropików do tundry. Uzupełnialiśmy w ten sposób w kluczowych miejscach luki w danych literaturowych, bez których zrozumienie zmienności badanych cech byłoby utrudnione. Nigdy nie udało mi się na te badania zdobyć pieniędzy z krajowych funduszy. Napisaliśmy dwa granty do KBN i dwukrotnie ten sam recenzent odrzucił nam projekt, pouczając nas przy tym, że „ilość [proponowanych do przebadania gatunków] nie przechodzi w jakość”.

Podkreślił Pan rolę bazy danych. Od czego rozpoczął Pan jej tworzenie?

– Rolę odegrał ślepy traf. Pomieszczenie, w którym się znajdujemy, zostało w 1996 r. w ciągu jednej nocy wyczyszczone przez złodziei z aparatury, komputerów i całej dokumentacji elektronicznej. Byłem wtedy w terenie, na szczęście z najbardziej wartościowym przyrządem, jaki miałem – analizatorem CO2 do pomiarów fotosyntezy. Zadzwoniłem do przyjaciół w Stanach. Natychmiast podesłali mi laptopa i część pozostawionych tam dyskietek archiwalnych, żebym mógł cokolwiek robić. Zadzwoniłem do prof. Jerzego Fabiszewskiego, recenzenta mojego doktoratu, który wówczas był członkiem KBN. Usłyszałem: „Proszę przyjechać pojutrze do Warszawy z listą rzeczy ukradzionych i ich wyceną”. W ciągu tygodnia Komitet podjął uchwałę o przyznaniu nam dotacji losowej. Zawsze, kiedy myślę o KBN, mam to przed oczami. To bardzo pozytywne, że samorządowa organizacja potrafi działać tak szybko i skutecznie. Zanim jednak zgromadziliśmy sprzęt, trzeba było czymś się zająć. Warsztat laboratoryjny zamieniłem więc na bibliotekę. Wertowałem publikacje pod kątem informacji o zawartości pierwiastków w liściach, by stworzyć bazę danych.

Najpierw kwestionował Pan metodę literaturową w wykonaniu naukowców w Santa Fe, powołując się na własne wyniki eksperymentalne, a teraz chwali Pan dawne publikacje.

– Obie metody, literaturowa i eksperymentalna, mają wartość, o ile są wykonywane z zachowaniem należytych standardów naukowych. W dziedzinach, którymi się zajmuję – ekofizjologii i ekologii, zbierane przez poszczególne zespoły oryginalne wyniki często nie pozwalają na regionalne czy globalne uogólnienia. Musimy się więc posiłkować także danymi literaturowymi. Należy jednak pamiętać o zmieniającej się z czasem aparaturze i standardach badań naukowych. Nie wszystkie opublikowane w przeszłości pozycje wytrzymały próbę czasu i nie powinny być na siłę reanimowane. Techniki metaanaliz, pozwalające na uogólnienia informacji zawartych w publikacjach i innych źródłach pierwotnych, przeżywają gwałtowny rozwój. Dzięki nowoczesnym technologiom informacyjnym mamy dostęp do wielu baz danych i możemy od nowa skuteczniej analizować stare wyniki. Zarówno wydawcy czasopism, jak i środowisko naukowe zrozumieli, jak ważne jest udostępnienie starszej literatury naukowej w formie elektronicznej. Powstały też konsorcja, które dokonały digitalizacji czasopism niekiedy od pierwszych numerów.

Do czego potrzebna jest znajomość zależności między cechami liści a ich uwarunkowaniami biogeograficznymi?

– Do przewidywania zarówno samych cech liści, jak i skutków tej zmienności dla funkcjonowania ekosystemów. Dzięki skali wykonanych badań mogliśmy lepiej poznać zarówno ewolucyjne, jak i środowiskowe czynniki wpływające na zmienność podstawowych procesów fizjologicznych roślin lądowych. Dane te znalazły już zastosowanie w modelowaniu przepływu pierwiastków przez ekosystemy oraz do oceny wpływu zmian użytkowania środowiska i oddziaływania czynników klimatycznych na roślinność. Nie mniej ważne jest też zrozumienie, w jaki sposób różne typy roślinności oddziałują na środowisko.

Czy taka wiedza ma znaczenie praktyczne?

– Tak. Leśnik wielokrotnie w ciągu roku podejmuje decyzję: co posadzę na tym miejscu, nie zdając sobie do końca sprawy ze wszystkich konsekwencji tej decyzji dla środowiska. A przecież zależnie od tego, czy posadzimy dęby, lipy, brzozy, czy modrzewie, środowisko zmieni się w odmienny sposób i to na stulecia. Informacja o tym, w jakim kierunku pójdą te zmiany, jest bardzo ważna. Wyniki naszych prac pozwalają zrozumieć dalekosiężne skutki sposobu gospodarowania lasem czy szerzej – środowiskiem.

Ale skoro to jest kwestia na stulecia, to chyba nie sposób przewidzieć, jak te zmiany będą się dokonywać?

– Życie leśnika jest rażąco krótsze niż jego dzieła. Można by powiedzieć, że zajmujemy się bezsensowną działalnością, zakładając doświadczenia, które z racji długowieczności obiektu badań – drzew – przeżyją nas i nasze wnuki. Ale równocześnie nie korzystamy z tego, co zostało założone przez leśników wiele lat temu. Znów przyszedł mi z pomocą przypadek. Odwiedzili mnie współpracownicy ze Stanów, wspomniany już Peter Reich i jego ówczesny student Mark Tjoelker. Przez kilka dni nie mogłem im towarzyszyć, poprosiłem więc kolegę – prof. Jerzego Modrzyńskiego z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, żeby zorganizował im ten czas. Gdy się ponownie spotkaliśmy, koledzy z wypiekami na twarzy mówili, że siedzimy tu na żyle złota. Okazało się, że zawieziono ich na stare doświadczenie leśne, założone wiele lat temu w Siemianicach koło Kępna przez prof. Stanisława Szymańskiego, w celu określenia tempa przyrostu 14 gatunków drzew w młodocianym okresie ich życia. Każdy z gatunków rośnie tam na kilku dużych poletkach po 400 m2 każde. Okazało się, że po 30 latach od założenia upraw, poszczególne gatunki dramatycznie zmieniły chemizm gleby, roślinność runa, fitoklimat oraz gatunkową różnorodność mezofauny glebowej i grzybów mikoryzowych. Każde z tych drzew w odmienny sposób zmieniło środowisko, a głównym czynnikiem większości tych zmian był właśnie chemizm liści (zwłaszcza zawartość azotu i wapnia). Dostaliśmy na badania na tym terenie dwa duże granty: amerykański i polski, w których uczestniczyli badacze z sześciu polskich i sześciu amerykańskich placówek naukowych. Oczywiście, tego rodzaju starych doświadczeń jest więcej. Możemy do nich powrócić po latach z nowymi pomysłami i nowoczesną aparaturą badawczą, uzyskując częstokroć nowe, niezaplanowane przez założyciela, a bardzo ważne naukowo wyniki. Podobnie zupełnie nowego znaczenia nabierają obecnie stare kolekcje roślinne, zielniki, które można badać nowoczesnymi metodami analitycznymi.