Bioróżnorodność w dziejach Ziemi: powstawanie i wymieranie gatunków

Bioróżnorodność to termin, który coraz częściej pojawia się na naszych łamach w powiązaniu ze zmianą klimatu. Ale czym ona adekwatnie jest? Co oznacza zanik bioróżnorodności? Jak powstają i zanikają gatunki roślin i zwierząt? Jak to wszystko wyglądało w historii naszej planety a jak wygląda dziś? Zapraszamy do przeczytania pierwszego z cyklu trzech artykułów autorstwa dr. Tomasza Müllera.

Ilustracja 1: Bogactwo zbiorowisk roślinnych sprzyja przetrwaniu gatunków zapylających „pracujących” w rolnictwie i ogrodnictwie, naturalne ekosystemy pomagają w zatrzymywaniu wody w glebie a urozmaicony krajobraz przyciąga turystów… Człowiek w dużym stopniu polega na otaczających go ekosystemach i panującej w nich różnorodności biologicznej. Zdjęcie: A. Sierpińska.

Bioróżnorodność pod ostrzałem a dobrostan ludzkości

Ludzkość czerpie korzyści z otaczającej przyrody pełnymi garściami. Ożywione i nieożywione składniki obecnych i dawnych ekosystemów zapewniają nam pożywienie, dach nad głową, rozwój gospodarczy, a także rozwój nauki i sztuki. Wciąż rosnąca presja na ekosystemy, której towarzyszą coraz bardziej zauważalne zmiany funkcjonowania systemu ziemskiego – w tym nasilająca się zmiana klimatu – wzmagają powszechny niepokój i rodzą pytania o wyczerpywanie się zasobów i granice wytrzymałości biosfery.

Powszechnie znanym skutkiem nacisku na ekosystemy jest utrata bioróżnorodności (bogactwa biologicznego), o której dobitnie świadczy wymieranie gatunków. W tej sytuacji niezwykle istotne są poszukiwania odpowiedzi na pytania o istotę i znaczenie bioróżnorodności dla człowieka, o zdolności biosfery do zaspokajania potrzeb populacji ludzkiej, o mechanizmy utraty bioróżnorodności oraz o możliwości złagodzenia nacisku na ekosystemy i ochronę bogactwa biologicznego.

W cyklu trzech artykułów proponuję podjęcie rozważań na powyższe tematy. W pierwszym tekście zarysuję pojęcie gatunku i umieszczę obserwowany współcześnie spadek bogactwa gatunkowego w kontekście zmian bioróżnorodności w historii Ziemi, w drugim skupię się na mechanizmach utraty bioróżnorodności ze szczególnym uwzględnieniem roli zmiany klimatu, a w trzecim podejmę tematykę znaczenia bogactwa biologicznego i wskażę perspektywy jego ochrony.

Ilustracja 2: Storczyki w lesie tropikalnym Ekwadoru. Zdjęcie: Andreas Kay (licencja CC BY-NC-SA 2.0).

Bioróżnorodność niejedno ma imię

Organizmy cechuje wielka złożoność i różnorodność. W stosunkowo „prostej” pojedynczej komórce bakteryjnej znajduje się od kilkuset do (najczęściej) kilku tysięcy genów, czyli odcinków materiału genetycznego, z których każdy zawiera informacje o białkach lub innych istotnych makrocząsteczkach biologicznych (Barton i inni 2007). Komórki grzybów, roślin i zwierząt cechuje zwykle jeszcze większy stopień złożoności, a ciało jednego osobnika może składać się z wielu bilionów (10¹²) komórek. Biolodzy wyróżniają także szereg ponadosobniczych stopni organizacji układów biologicznych, jak chociażby populacje, biocenozy, ekosystemy i sama biosfera.

Zróżnicowanie nauk biologicznych utrudnia uzgodnienie jednej obowiązującej definicji bioróżnorodności. Specjaliści z różnych dziedzin ujmują zagadnienia bogactwa biologicznego z perspektywy reprezentowanych przez siebie specjalności, zwracając zwykle uwagę na zróżnicowanie dużych cząsteczek biologicznych określanych jako makrocząsteczki (kwasy nukleinowe, białka i inne), gatunków oraz ekosystemów (Heydari i inni 2020). Aspekt gatunkowy, na którym skupimy w znacznej mierze nasze rozważania, przywołuje się często w pracach poświęconych wpływowi zmiany klimatu i innych elementów antropopresji na bogactwo biologiczne Ziemi (WWF 2020). Dotyczy on między innymi liczby gatunków zamieszkujących określone siedliska, liczebności populacji tych gatunków, a także zróżnicowania wielkości ich populacji (Heydari i inni 2020).

Gatunek, jaki jest, każdy widzi po swojemu

Pojęcie gatunku towarzyszy nam nie tylko w życiu codziennym, ale jest także istotne w naukach biologicznych. Posłużył się nim Karol Darwin w tytule (w treści oczywiście też) swojego fundamentalnego dzieła „O powstawaniu gatunków” wydanego w 1859 r., w którym wyłożył podstawy teorii ewolucji, która w swojej współczesnej postaci przenika nauki biologiczne i łączy je ze sobą (Ilustracja 3). Złożoność organizmów i powiązań między nimi, a także odmienność przedmiotów zainteresowań badaczy reprezentujących różne dziedziny biologii i nauk pokrewnych, utrudniają sformułowanie jednej definicji gatunku – podobnie jak w przypadku pojęcia bioróżnorodności.

Ilustracja 3: Jedyny rysunek umieszczony w dziele „O powstawaniu gatunków” pokazujący przykładowy fragment drzewa ewolucji gatunków A-L w czasie I-XIV. Rysunek ilustruje ideę powstawania i wymierania gatunków (za Wikipedia).

Możemy oczekiwać, iż genetyk pracujący nad nowymi odmianami roślin uprawnych, będzie inaczej rozumiał pojęcie gatunku, niż badacz historii życia na Ziemi (paleontolog), zajmujący się pozostałościami dawnych organizmów, których materiał genetyczny nie zachował się do naszych czasów albo wcale, albo jedynie w niewielkich fragmentach. Intuicyjnie wyczuwany jednak, iż definicja gatunku powinna odwoływać się do podobieństwa lub pokrewieństwa osobników tworzących gatunek (biolog ewolucyjny powiedziałaby o podobieństwie w następstwie pokrewieństwa).

Najczęściej stosowana tzw. biologiczna koncepcja gatunku określa gatunki jako zbiory osobników faktycznie lub potencjalnie (dotyczy osobników żyjących daleko od siebie) krzyżujących się między sobą i izolowanych rozrodczo od innych takich grup (Ilustracja 4). (Barton i inni 2007; Futuyma 2008). Z oczywistych względów definicja ta odnosi się do gatunków żyjących współcześnie, paleontolodzy (badacze skamieniałości) klasyfikują gatunki wymarłe w oparciu o kryteria budowy ciała.

Ilustracja 4. Populacje I – VI należą do jednego gatunku. Wymiana genów zachodzi nie tylko w obrębie tych populacji, ale także miedzy nimi, zarówno bezpośrednio (np. między I i II), jak i pośrednio (np. między I i IV poprzez II i III). Populacje VII i VIII należą do odrębnych gatunków, nie wymieniają genów ani między sobą ani z populacjami I –VI.

O powstawaniu gatunków

Procesy powstawania gatunków noszą nazwę specjacji. W znacznym uproszczeniu jej mechanizm można wywieść z biologicznej koncepcji gatunku, która wskazuje na:

1. obecność przepływu (mieszania się) genów w obrębie populacji należących do jednego gatunku (w wyniku rozmnażania płciowego geny obojga rodziców „spotykają się” w różnych układach w osobnikach potomnych),

2. brak przepływu genów między osobnikami należącymi do odrębnych gatunków.

W takim razie warunkiem koniecznym do powstania nowego gatunku będzie wyodrębnienie się z populacji osobników należących do jednego gatunku, takiej podgrupy (mniejszej populacji), która nie wykazuje (albo wykazuje jedynie sporadycznie) przepływu genów z populacją, od której pochodzi.

Ustanie przepływu genów między obiema populacjami może zachodzić stosunkowo gwałtownie (tak dzieje się najczęściej) lub stopniowo i powoli. Z chwilą ustania przepływu genów między obiema populacjami procesy ewolucyjne w każdej z nich zachodzą w sposób niezależny od siebie i odmienny. Jest to następstwem m.in. różnego kształtowania się warunków abiotycznych (klimatycznych, glebowych) lub biotycznych (biologicznych) w środowisku adekwatnym dla każdej z populacji.

W miarę upływu czasu procesy ewolucyjne zachodzące niezależnie w obu populacjach prowadzą do pogłębienia różnic między nimi, wzmocnienia izolacji rozrodczej (braku możliwości krzyżowania) i w końcowym efekcie do powstania dwóch odrębnych gatunków. Najczęstszym czynnikiem rozdzielający populację pierwotną na dwie części jest obecność fizycznej bariery (góry, rzeki, pasma lądu lub wód), która wymusza ustanie przepływu genów między populacjami (nowy gatunek powstaje w innym miejscu niż gatunek pierwotny, oddzielony od niego barierą). To najlepiej udokumentowany rodzaj specjacji, nazywany specjacją allopatryczną (starogreckie; allos – inny, greckie; patrida – ojczyzna) (Ilustracja 5).

Ilustracja 5. Specjacja allopatryczna. Osobniki populacji I po napotkaniu bariery B rozdzielają się na dwie populacje, w których ewolucja rozmiarów ciała zachodzi w sposób niezależny od siebie i odmienny. Podczas ponownego spotkania osobniki tworzą dwie odrębne populacje II i III należące do różnych gatunków, pomiędzy którymi nie dochodzi do wymiany materiału genetycznego (zmienione za Barton i inni 2008).

Odrębną grupę sposobów powstawania gatunków stanowią rozpowszechnione przede wszystkim u roślin procesy poliploidyzacji i hybrydyzacji (patrz: ramka poniżej). Najczęściej dochodzi najpierw do hybrydyzacji. Pomimo bezpłodności lub ograniczonej płodności, wynikającej z tego, iż chromosomy nie posiadają par (chromosomy pochodzące od różnych gatunków mają odmienna budowę i nie mogą tworzyć par), mieszańce mogą przetrwać rozmnażając się wegetatywnie (ramka poniżej). W którymś pokoleniu następuje poliploidyzacja, w wyniku której chromosomy znów występują w parach. Tak powstały nowy gatunek jest płodny, ale nie może krzyżować się z osobnikami gatunków, z których pierwotnie powstał.

Bardzo, bardzo dawno temu…

Ziemia powstała około 4,6 mld lat temu z obłoku materii, który dał także początek innym ciałom niebieskim należącym do naszego Układu Słonecznego. Splot wyjątkowych okoliczności (masa Słońca, odległość Ziemi od Słońca, średnica i masa Ziemi, skład chemiczny wierzchniej warstwy skorupy ziemskiej, parametry orbity Ziemi i wiele innych) spowodował, iż na powierzchni naszej planety mogła utrzymać się woda w stanie ciekłym. A to – jak się uważa – było warunkiem koniecznym do powstania życia opartego o związki węgla i jego przetrwania przez kilka miliardów lat (Kump i inni 2007). Najstarsze ślady pierwotnych bezjądrowych organizmów jednokomórkowych (archeony, bakterie) są znajdowane w skałach zachodniej Australii liczących około 3,5 mld lat, powstanie pierwszych organizmów jednokomórkowych z materii nieożywionej miało prawdopodobnie miejsce nieco wcześniej (Knoll i inni 2016).

Jak widzimy życie istniało na Ziemi przez większą część jej historii. Jednak przez znaczną część tego okresu warunki na powierzchni planety i sama biosfera zupełnie nie przypominały dzisiejszych. Chcąc wybrać się na wycieczkę po ekosystemach w Archaiku (Ilustracja 6) musielibyśmy zaopatrzyć się w specjalną aparaturę z uwagi na praktycznie brak tlenu w pierwotnej atmosferze, która prawdopodobnie składała się głównie z N₂ (azotu) i CO₂ (Kump i inni 2007; Knoll i inni 2016).

Ilustracja 6. Uproszczona tabela stratygraficzna utworzona na podstawie danych geologicznych, dzieląca dzieje Ziemi na eony, ery, okresy i epoki. Prekambr obejmuje trzy pierwsze eony dziejów Ziemi.

Powstanie atmosfery tlenowej (ok. 2,7 mld lat temu) niezbędnej do funkcjonowania biosfery w obecnej postaci zawdzięczamy jednokomórkowym sinicom przeprowadzającym fotosyntezę tlenową, czyli proces, w którym dwutlenek węgla i woda są z pomocą energii słonecznej przetwarzane na wykorzystywaną przez organizm glukozę i tlen. Jednak dopiero około 600 mln lat temu stężenie tlenu w atmosferze osiągnęło poziom zbliżony do dzisiejszego (21%), co zbiegło się w czasie z powstaniem i gwałtownym różnicowaniem się organizmów wielokomórkowych (eksplozja kambryjska), którego pozostałości odnajdujemy w materiale kopalnym (Kump i inni 2007).

Mówiąc o zmianach bioróżnorodności w historii Ziemi skupimy się tak naprawdę na danych pochodzących z ostatniego eonu historii Ziemi zwanego Fanerozoikiem, obejmującego 541 mln lat (Ilustracja 6), bo w zapisie kopalnym pozostało kilka pozostałości po organizmach wcześniejszych.

Wszystko płynie – biologiczne panta rhei

Powstawanie życia miało miejsce na powierzchni Ziemi prawie 4 mld lat temu. Od tego czasu w powierzchni planety zachodzi nieprzerwanie ewolucja biologiczna, której istotną cechą jest ciągła zmiana. Zmianie warunków biotycznych towarzyszą zmiany warunków abiotycznych, w tym klimatycznych.

Warunki biotyczne i abiotyczne pozostają w stosunku wzajemnej zależności. Pamiętamy, iż rozpowszechnienie fotosyntezy tlenowej sinic (element biotyczny) wpłynęło na wzrost stężenia tlenu w atmosferze i w wierzchniej warstwie oceanów (element abiotyczny), co z kolei umożliwiło gwałtowną ekspansję wielokomórkowych organizmów o metabolizmie opartym o oddychanie tlenowe (element biotyczny).

Ciągła zmiana warunków abiotycznych i biotycznych na powierzchni Ziemi jest normą. Oznacza to, iż procesy powstawania i znikania genów, zmian liczebności populacji, powstawania i ginięcia gatunków, a także zmian powiązań między gatunkami tworzącymi ekosystemy, zachodzą nieustannie we wzajemnej zależności od warunków klimatycznych i innych zjawisk przyrody nieożywionej. To, co niepokoi nas najbardziej w obecnych czasach, to gwałtowność tych zmian, ich globalny charakter, a także przyczyna (wynik działalności człowieka) i potencjalny wpływ na przyszłe losy ludzkości.

Bioróżnorodność w fanerozoiku – raz pod wozem raz na wozie

Pozostałości po wymarłych organizmach odnajdywane w zapisie kopalnym pozwalają badaczom wyciągać wnioski o zmianach bioróżnorodności biosfery w okresie ostatnich 600 mln lat (ramka poniżej). Zauważono, iż oprócz okresów, gdy liczba rodzajów utrzymywała się na zbliżonym poziomie, istniały i takie, w których malała ona gwałtownie (wielkie wymierania) lub gwałtownie się zwiększała (Ilustracja 7). Badacze wyróżniają zwykle pięć wielkich wymierań, z których największe miało miejsce na przełomie permu i triasu około 252 mln lat temu, gdy, jak się szacuje, wyginęło 96% gatunków morskich i 70% gatunków kręgowców lądowych (Ilustracja 6) (Penn i inni 2018).

Ilustracja 7. Zmiany bioróżnorodności fauny morskiej w fanerozoiku – dane standaryzowane. Oznaczenia osi poziomej; Cm – kambr, O – Ordowik, S – Sylur, D – dewon, C – karbon, P – perm, Tr – trias, J – Jura, K – Kreda, Pg – paleogen i N – neogen. Strzałkami zaznaczono pięć największych wymierań w dziejach Ziemi (zmienione za Steffen i inni 2016).

Wielkie wymierania miały swoją przyczynę w zjawiskach zachodzących na skalę planetarną. Przyczyn wymierania permskiego upatruje się zwykle we wzmożonej aktywności wulkanicznej na terenie dzisiejszej Syberii, w następstwie której doszło do emisji wielkich ilości CO₂ do atmosfery i pogłębienia efektu cieplarnianego, co skutkowało znacznym zwiększeniem temperatury wód oceanicznych (Kump i inni 2007). Mechanizm wymierania mógł polegać na pojawieniu się stref beztlenowych na wielkich połaciach oceanu w następstwie wzrostu tempa metabolizmu organizmów morskich (tempo metabolizmu silnie wzrasta z temperaturą otoczenia w pewnym zakresie temperatur) i spadku rozpuszczalności tlenu w wodzie (rozpuszczalność tlenu w wodzie spada z temperaturą) (patrz też Klimat dawnych epok: wielkie wymierania) (Penn i inni 2018).

Do wielkich wymierań istotnie przyczyniły się też zderzenia Ziemi z planetoidami. Przyjmuje się, iż ostatnie (nie licząc grożącego obecnie) wielkie wymieranie, które miało miejsce 65 mln lat temu na przełomie kredy i trzeciorzędu, zostało wywołane zderzeniem z planetoidą, o czym świadczy min. podwyższona zawartość irydu w warstwach geologicznych z tego okresu na całym globie (Alvarez i inni 1980). Do wymierania mogła też przyczynić się wzmożona aktywność wulkaniczna na Półwyspie Indyjskim będąca źródłem olbrzymiej emisji CO₂ do atmosfery i drastycznej zmiany klimatu (Oregon State University 2010).

Dramatyczne zmniejszanie się bioróżnorodności w następstwie działalności ludzkiej zagraża nam bezpośrednio i nawiązuje do kataklizmów z dziejów Ziemi. W kolejnym artykule zajmiemy się przyczynami i mechanizmami obecnego kryzysu bioróżnorodności ze szczególnym uwzględnieniem roli zmiany klimatu.