A mintázatelemzéstől a folyamatok megértéséig – Padisák Judit levelező tag székfoglaló előadása

Padisák Judit, az MTA levelező tagja és Fésüs László osztályelnök, az MTA rendes tagja (Kattintson a galériához!) mta.hu/Szigeti Tamás

Fitoplanktonnak nevezzük a nyílt vizeket (alapvetően: tavak, tengerek, nagy folyók) benépesítő növényi életközösséget. Az egy víztérben kimutatható fitoplanktonfajok száma több százra tehető, mikroszkopikus méretűek, és képesek arra, hogy életciklusuk nagy részében a vízben szabadon lebegve jussanak energiához (döntően fényenergia) és tápanyagokhoz. A légköri oxigénkészlet mintegy felét e szervezetek termelik. Az 1970-es években a fitoplankton-kutatásokat a „foszforparadigma” uralta, mely a vizek foszforterhelése és a víz klorofill-a-tartalma alapján az eutrofizálódás folyamatára koncentrált – egyúttal a fitoplankton-közösséget egyetlen, spektrofotometriásan könnyen meghatározható változóra redukálta. Sem elméletileg, sem gyakorlatilag nem mindegy azonban, hogy egy növényi közösséget mely fajok alkotnak, s ezek dominanciaviszonyait milyen folyamatok hattározzák meg. Az eutrofizálódásra koncentrált figyelem mellett a fitoplankton-társulásökológiai kutatások nem voltak jellemzőek – e tudományág vizsgálja a faji összetételt (mint mintázatot) és környezeti meghatározottságát (mint folyamatot). Minthogy az összefüggések feltárása nagy adattömegek elemzését igényli, a társulásökológia térnyeréséhez alapvetően szükség volt az információtechnológia és a statisztikai elemzési módszerek az utóbbi 40 évben bekövetkezett gyors feljlődésére.

Az előadás számos példán mutatta be, hogy a mintázatok alakításában alapvető szerepük van a víztest fizikai jellemzőinek.

A Balatonban a viharok (mint „zavarás”) után a kis termetű, gyors növekdésű (r-stratégista) algák szaporodnak el nagyobb mértékben, a csendes időszakokban átadják helyüket a nagyobb termetű, lassabb növekedésűeknek (K-stratégisták). E mintázat megfelel a Connell által a trópusi esőerdőkre és korallzátonyokra leírt „köztes diszturbancia hipotézisnek”. A fitoplankton-vizsgálatok tették lehetővé annak az általános következtetésnek a levonását, hogy azok a zavarások vezetnek maximális kompozíciós diverzitáshoz, amelyek 3-4 generációnként követik egymást.

A Fertő fitoplanktonja fajszegény, s a nagy termetű kovaalgák dominálnak benne. Ez a tó az Alpok és a Kárpátok közti szélcsatornában helyezkedik el, gyakran és gyorsan felkeveredik, s emiatt a vize zavaros. A gyakori felkeveredés e gyenge lebegőképességű algákat rendszeresen a víz felső, megvilágított részébe keveri, ahol lehetséges a fotoszintézis, a gyors süllyedés miatt pedig az üledék tápanyagtartalmát tudják hatékonyan hasznosítani. A nagy méret azt teszi lehetővé, hogy az ülepedő, igen apró szervetlen részecskék ne temessék el őket.

Egy trópusi, rétegzett, mély tóban (Lake Dom Helvéció, Brazília) a járommoszat dominanciáját hasonló mechanizmus tartja fenn. A járommoszatok aktív lebegésregulációra szintén képtelenek, süllyedésük gyors. Klimatikus okok miatt e tavak minden kora hajnalban konvekciós áramlással teljes epilimnetikus mélységükben felkeverednek, ezzel szuszpendálva az előtte a metalimnion sűrűbb, tápanyagdúsabb vizén összegyűlő algákat.

A berlini Müggelsee erősen „átfolyásos” tó. Alapvetően az határozza meg, hogy nyáron a kovaalgák vagy a cianobaktériumok dominálnak-e benne, hogy mennyi a tóban a víz kicserélődési ideje: ha kb. 45 napnál rövidebb, akkor a kovaalgák, ha hosszabb, akkor a cianobaktériumok.

A fent leírt mintázatok és folyamatok – több hasonló nemzetközi kutatással együtt – vezettek arra a felismerésre, hogy a fitoplanktonfajokat társulásökológiai szempontból nem taxonómiai hovatartozás alapján szerencsés csoportosítani, hanem funkcionális jellegzetességeik szerint. E szükségletet az is jelzi, hogy 2002 és 2010 között három ilyen, elméleti hátterét tekintve különböző rendszert is felállítottak. A funkcionális csoportokat olyan fajok alkotják, amelyek sajátságai illeszkednek bizonyos élőhelytípushoz, illetve az egyes habitatjellemzők változására – akár pozitívan, akár negatívan – hasonlóan reagálnak. E megközelítés tette lehetővé, hogy kifejlesszünk egy olyan mérőszámot, mely a Víz Keretirányelv szempontrendszerének megfelelően alkalmas a fitoplankton-alapú ökológiai állapotminősítésre. Ez az egyetlen olyan módszer, mely megfelelő kalibrálás esetén klímától, ökorégiótól és a meghatározó vezérváltozótól (pl. kinetikai jellemző, sótartalom, tápanyagterhelés, huminanyag-tartalom stb.) független, és széles körben elterjedt. A esettanumányok bemutatták a Balaton referenciaállapotának becslését, Bulgária 78 tavának ökológiai állapotbecslését és a Loire folyót érő antropogén hatások kimutatását.

A Balatonban 1978-ban megjelent egy invazív trópusi cianobaktérium, a Cylindrospermopsis raciborskii (jelenleg érvényes nevén Raphidiopsis raciborskii), mely 1982-ben, 1992-ben és 1994-ben az egész tóra kiterjedő vízvirágzást okozott. A világ minden tájáról összegyűjtött florisztikai adatok azt mutatták, hogy az egész Földre kiterjedő inváziója mintegy másfél évszázad alatt ment végbe. A faj ökológiai, terjedésbiológiai és ökofiziológiai jellemzői alapján azt lehetett feltételezni, hogy evolúciós központja a trópusi mély tavak metalimnetikus vagy felső hipolimnetikus rétegében található, ahonnan célzott mintavétellel elő is került. Másodlagos evolúciós központként szerepelhettek az ausztrál billabongok (a folyók apadása után visszamaradó állóvizek), melyek sótoleranciáját és terjedőképességét magyarázzák. Mindezt későbbi molekuláris genetikai vizsgálatok igazolták.

A székfoglaló előadás további része a fitoplankton-ökológiában az utóbbi időben megjelent új módszerek (molekuláris genetika, „omics”, térinformatika, online mérési módszerek, statisztikai eljárások) alkalmazási perspektíváit mutatta be. A különböző kontinensekről származó, vízvirágzást okozó Microcystis cianobaktériumhoz asszociálódott baktériumközösségekről megállapítottuk, hogy baktériumaik taxonómialilag ugyan különböznek, de funkcionális hasonlóságuk jelentős, s a földrajzi távolságtól független. Egy, a gazdaságtudományból átvett statisztikai módszerrel, az ún. oksági analízissel vizsgáltuk a Stechlin-tó eutrofizálódásának háttérét, a hatás és a rendszerválasz közti késés valószínű mechanizmusát. E kutatás a rendszermemória feltárásának egyedi példája.