Bizarní role půdních živočichů při rozkladu listí

Obrázek 1 : (A–C) Příklady půdních zvířat, které jedí odumřelé listy a transformují je na výkaly. (D) Příklad odumřelých listů, která tato zvířata mohou jíst. (E) Výkaly zvířat živících se mrtvými listy. (F) Výkaly těchto zvířat jsou tvořený z mnoho malých částeček listů.

Obrázek 2 : Výkaly produkované šesti různými půdními zvířaty, které se živily šesti různými typy mrtvého listí. Výkaly jsou nakreslené v reálném měřítku (listy a zvířata nikoli). Na obrázku je vidět, že barva výkalů závisí na druhu listí, které bylo sežrané. Světlou barvu má výkal, když byla zvířata krmena bukovým listím a tmavší barvu, pokud jedli listy z lípy. Tvar výkalu ovšem závisí na druhu zvířete. Oválné výkaly produkují mnohonožky, obdélníkové výkaly stínky a válcovité šneci (obrázek upraven podle [5]).

Obrázek 3 : Přeměnou mrtvých listí na exkrementy ovlivňují půdní živočiši rychlost, jakou jsou odumřelé listy rozkládány. Průměrně se exkrementy půdních živočichů rozkládají o 38 % rychleji než intaktní listy. Tento efekt závisí na druhu odumřelého listu. Pokud se půdní živočichové krmí na listech, které jsou pro mikroby snadno rozložitelné (zobrazeno jako světle žlutá), jejich výkaly se nerozkládají o moc rychleji než mrtvý listy samotné. Pokud se ale krmili listy, které jsou pro mikroby těžko rozložitelné (zobrazeno jako tmavě hnědá), jsou výsledné úlomky listů rozkládány mnohem rychleji.

Note for the media: Use of the pictures provided by iDiv is permitted for reports related to this media release only, and under the condition that credit is given to the picture originator.

Open PDF in new window.

François-Xavier Joly ^1,* a Jens-Arne Subke^1
1 Biologické a environmentální vědy, Univerzita ve Stirlingu, Stirling, Spojené království

Na podzim, když listy rostlin začínají usychat a odumírat, padají postupně na zem a hromadí se na půdě. Tam dochází k důležitému procesu: listy se rozkládají. Rozklad je nezbytný pro recyklaci živin obsažených v listech a jejich návrat do půdy. Za rozkladem stojí hlavně obrovská armáda tvorů zvaných mikrobi. Jsou neviditelní pouhým okem a způsobují, že se odumřelé listy pomalu rozkládají. Existují ale také větší stvoření, jako jsou mnohonožky nebo hlemýždi, kteří rádi jedí listy. Tito tvorové ale listy netráví úplně dobře a většina z listové hmoty se tak vrátí do půdy ve formě jejich exkrementů, které pak dále rozkládají zase mikrobi. Jak ale ovlivňuje rozklad listů právě tato přeměna na exkrement? Během našeho výzkumu jsme sebrali exkrementy mnoha půdních zvířat, které se živí uschlým listím a zjistili jsme, že se exkrementy rozkládají rychleji než neporušené mrtvé listí. To znamená, že půdní živočichové napomáhají rozkladu mrtvých listů a to ne jejich trávením, ale přeměnou na exkrement.

PROČ STUDOVAT ODUMŘELÉ LISTY?

Rostliny jsou základem veškerého života na Zemi. Mohou využít energii ze slunce díky svým listům, které zachycují oxid uhličitý ze vzduchu a přeměňují ho na cukry. Tento proces, nazývaný fotosyntéza, je naprosto nezbytný pro život na Zemi. Cukry jsou využity k dalšímu růstu rostlin (listů, stonků i kořenů), které jsou pak potravou mnoha různých organismů. Rostlinné listy vydrží jen několik měsíců, nanejvýš let. Až přijde čas a z rostliny opadají, hromadí se mrtvé listy na půdě, kde začíná důležitý proces: mrtvé listy (také nazývané jako opad) se rozkládají. Tento proces rozkladu je stejně důležitý jako fotosyntéza, protože umožňuje, aby se uhlík, ze kterého jsou listy tvořeny, mohl vrátit zpět do atmosféry jako oxid uhličitý a mohl být opět využit jinými rostlinami. Prostřednictvím rozkladu se také uvolňují živiny obsažené v opadu a vracejí se tak do půdy, kde je mohou opět jiné rostliny využít pro tvorbu nových listů. Vzniká tak křehká rovnováha mezi fotosyntézou a rozkladem, díky níž cyklus života funguje.

MIKROBI ROZKLADAJÍ MRTVÉ LISTY

Jak rozklad probíhá? Tento významný proces provádí především jedna skupina půdních organismů: mikrobi. Mikroby tvoří houby a bakterie. Mikrobi jsou tak malí, že jsou v podstatě neviditelní pouhým okem, přesto jsou v půdě mimořádně hojní. Pouhý 1 g půdy může obsahovat 10 miliard mikrobů. Mikrobi využívají odumřelé listy jako svou potravu, když uvolňováním mnoha různých enzymů tráví listy. Tyto enzymy jsou jako nůžky, stříhají velké mrtvé listy na mikroskopické kousky. Mikrobi pak mohou tyto kousky listů trávit a získávají tak energii pro svůj růst. Mikrobi tak také uvolňují uhlík zpět do atmosféry ve formě oxidu uhličitého. Koloběh života tak může pokračovat.

Mikrobi ale neumějí rozkládat všechny mrtvé listy stejně dobře. Některé rostliny, jako borovice nebo buky, produkují listy, které jsou pevné, poměrně hutné a chudé na živiny. Takové listy příliš nevynikají při fotosyntéze, ale mohou přežít i v obtížných podmínkách. Jako důsledek jejich kvality se mrtvé listy rozkládají pomalu, protože obsahují málo živin a mají malý povrch pro mikrobiální růst. Na druhou stranu, rostliny jako jasan nebo jetel vytvářejí listy, které jsou mnohem tenčí a mají více živin. Tyto listy jsou méně odolné vůči poškození, ale jsou efektivnější při fotosyntéze. Když tyto tenčí, výživnější listy odumřou, jsou mnohem lepším zdrojem živin a mají větší povrch pro mikrobiální osidlování. Z toho důvodu se rozkládají rychleji.

ZVÍŘATA POMÁHAJÍ MIKROBŮM S ROZKLADEM

Mikrobi nejsou jedinými půdními tvory, kteří rozkládají odumřelé listy. Mnoho větších půdních tvorů, jako jsou mnohonožky, žížaly, stínky a hlemýždi, se také živí uschlými listy (obrázky 1A–C). V některých typech lesů, a dokonce i v pouštích, je většina mrtvých listů, které každý rok spadají na zem, sežrána těmito zvířaty [1–4]. Jenže, z množství listů, které je zvířaty sežráno (např. obrázek 1D), je ve skutečnosti jen malá část strávena a tedy zvířaty využita. Většina se vrací do půdy jako výkaly, jinými slovy exkrementy (obrázek 1E). To znamená, že v ekosystémech s hojným výskytem těchto zvířat, nejsou hlavním zdrojem organické hmoty pro mikroorganismy odumřelé listy, ale exkrementy. Bez ohledu na druh mrtvých listů, jsou tyto exkrementy vždy mnohem menší než mrtvé listy a jsou vyrobeny z desítek tisíc drobných kousků listů (obrázek 1F). Tato přeměna z velkých, neporušených mrtvých listů na drobné kousky poskytuje mnohem větší plochu pro růst mikrobů a tedy i rozklad.

Důležitost přeměny odumřelých listů na exkrementy stále není dobře prozkoumána. Jsou exkrementy snadněji rozkládány mikroby, než jsou neporušené mrtvé listy? Pokud ano, je tento efekt důležitější pro hutné a pevné listy než pro ty tenké, které i tak snadno podléhají mikrobiálnímu rozkladu? Pomáhají mikrobům všechna zvířata, která se živí mrtvými listy, rozložit listí? V této studii jsme se snažili poskytnout odpovědi na tyto otázky [5].  

TOVÁRNA NA VÝKALY: STUDIUM ROZKLADU V LABORATOŘI

Abychom mohli prozkoumat, jak je přeměna odumřelých listů na výkaly důležitá, potřebovali jsme najít a posbírat desítky tisíc čerstvých exkrementů různých druhů půdních zvířat, která jedí různé druhy odumřelých listů. Toto je v podstatě nemožný úkol, pokud ho chcete realizovat ve volné přírodě, protože výkaly jsou velmi malé a je tak nemožné určit, který druh zvířete je jeho

původcem a na kterém druhu mrtvého listu se zvíře živilo. Proto jsme vymysleli nový, speciální typ experimentu: továrnu na výkaly. Začali jsme tím, že jsem procházeli krajinou rozličných lesů a pastvin ve Skotských nížinách, kde jsme sesbírali tisíce jedinců ze šesti druhů půdních živočichů: tří druhů mnohonožek, dvou druhů stínek, a jednoho druhu plže. Sebrali jsme také mrtvé listí ze šesti druhů stromů, o kterých je známo, že se rozkládají různou rychlostí: dub, buk, lískový ořech, javor, jírovec a lípa (obrázek 2). Všechny vzorky jsme odvezli do laboratoře a v plastových boxech jsme spárovali každý druh zvířete s každým druhem listu. Celkem jsme tedy získali 36 kombinací listu a zvířete. Zvířata jsme takto nechali 1 měsíc, přičemž dvakrát týdně jsme sbírali jejich výkaly. Tyto výkaly byly velmi rozmanité: lišily se barvou v závislosti na typu snědeného listí a jejich tvar se měnil v závislosti na druhu zvířete (obrázek 2).

Po získání výkalů jsme mohli začít měřit, jak rychle se tyto výkaly rozkládají ve srovnání s neporušenými odumřelými listy. Chtěli jsme pokus provést za podmínek, které mohou zopakovat i ostatní vědci po celém světě tak, abychom mohli ověřit naše výsledky, ale také porovnat naše výsledky s výzkumem zabývajícím se jiným druhem zvířat nebo listí. Za tímto účelem jsme v laboratoři vytvořili jakýsi zmenšený umělý půdní systém. Naplnili jsme malé sklenice zeminou z místního pole a navrch jsme položili malé množství výkalů nebo uschlých listů tak, že byly oddělené od povrchu půdy jemnou síťovinou. Síťovina nám umožnila, že jsme snadněji mohli sebrat zbylé (plně nerozložené) kusy výkalů nebo uschlého listí na konci experimentu. Síťovina zároveň umožnila mikrobům procházet z půdy a rozkládat exkrementy nebo odumřelé listy. Sklenice jsme umístili do temné, teplé a vlhké místnosti po dobu 6 měsíců. Každý týden jsme do sklenic doplňovali vodu, aby byla vlhkost půdy pro mikroby optimální. Po 6 měsících jsme sesbírali zbývající výkaly a mrtvé listy. Ty jsme usušili a zvážili a následně porovnali hmotnost vzorků s hmotností na počátku, abychom věděli, kolik listů a výkalů se rozložilo mikrobiální činností během těchto 6 měsíců.

CO JSME ZJISTILI?

Náš experiment nám přinesl dva velmi zajímavé výsledky. Za prvé, výkaly všech živočišných druhů, které jsme studovali, se rozkládají v průměru o 38 % rychleji než samotné listy (obrázek 3). Tyto výsledky byly velmi konzistentní i přesto, že hlemýždi, mnohonožky a stínky jsou velmi odlišné druhy. Myslíme si proto, že výkaly se prostě rozkládají rychleji, protože zvířata přeměňují velké odumřelé listy na tisíce malých kousků, na kterých mikrobi snadněji rostou a rozkládají je. Naším druhým důležitým objevem bylo, že zvýšená rychlost rozkladu nebyla u všech druhů listí stejná. Pokud zvířata jedly listy, které jsou pro mikroby snadno rozložitelné, výkaly se nerozkládaly o tolik rychleji než samotné listy. Když jsme ale zvířata krmili listy, které jsou pro mikroby spíše obtížně rozložitelné, pak se zvířecí výkaly rozkládaly mnohem rychleji než nesnědené listy. Velké rozdíly v rychlosti rozkladu mezi různými druhy odumřelých listů ale téměř zmizel, jakmile byly listy sežrány zvířaty a přeměněny na výkaly.

PŮDNÍ ŽIVOČICHOVÉ HRAJÍ VELKOU ROLI V CYKLU ŽIVOTA

Shrneme-li naše výsledky, pak můžeme říct, že transformací listů na výkaly půdní živočichové zrychlují rozklad, který je realizovaný mikroby. Toto je také důvod, proč nevidíme žádné hromadění odumřelých listů na povrchu půdy, obzvlášť pod rostlinami s pomalu se rozkládajícími listy. A co je velmi důležité: půdní živočichové tím, že přeměňují mrtvé listy na výkaly, uvolňují uhlík z listí do atmosféry jako oxid uhličitý a napomáhají vracet živiny do půdy, kde mohou být využity rostlinami. Půdní živočichové tak pomáhají udržovat kritickou rovnováhu mezi fotosyntézou a rozkladem a tato rovnováha udržuje veškerý život na Zemi!

GLOSÁŘ

FOTOSYNTÉZA
Proces, kterým rostliny pomocí svých listů zachycují energii ze slunečního záření a přeměňují oxid uhličitý a vodu na cukry.

ROZKLAD
Proces, kdy je složitá sktruktura rostlinné popř. živočišné hmoty rozbita na jednodušší formu za uvolnění oxidu uhličitého a živin.

ENZYM
Bílkoviny, které mohou rozbít velké a komplexní molekuly na menší a jednodušší.

MIKROBI
Drobné živé bytosti, pouhým okem neviditelné, jako jsou bakterie nebo houby.

EXKREMENTY
Zbytky snědeného jídla, které nejsou stráveny živočichy.

ORIGINÁLNÍ ČLÁNEK

Joly, F.-X., Coq, S., Coulis, M., David, J.-F., Hättenschwiler, S., Mueller, C. W., et al. 2020. Detritivore conversion of litter into faeces accelerates organic matter turnover. Commun. Biol. 3:660. doi: 10.1038/s42003-020-01392-4

LITERATURA

1. Sagi, N., Grünzweig, J. M., and Hawlena, D. 2019. Burrowing detritivores regulate nutrient cycling in a desert ecosystem. Proc. R. Soc. B Biol. Sci. 286:20191647. doi : 10.1098/rspb.2019.1647
2. David, J. F., and Gillon, D. 2002. Annual feeding rate of the millipede Glomeris marginata on holm oak (Quercus ilex) leaf litter under Mediterranean conditions. Pedobiologia. 46:42–52. doi : 10.1078/0031-4056-00112
3. Coulis, M., Hättenschwiler, S., Coq, S., and David, J. F. 2016. Leaf litter consumption by macroarthropods and burial of their faeces enhance decomposition in a mediterranean ecosystem. Ecosystems. 19:1104–15. doi : 10.1007/s10021-016-9990-1
4. Cárcamo, H. A., Abe, T. A., Prescott, C. E., Holl, F. B., and Chanway, C. P. 2000. Influence of millipedes on litter decomposition, N mineralization, and microbial communities in a coastal forest in British Columbia, Canada. Can. . For. Res. 30:817–26. doi : 10.1139/x00-014
5. Joly, F-. X., Coq, S., Coulis, M., David, J.- F., Hättenschwiler, S., Mueller, C. W., et al. 2020. Detritivore conversion of litter into faeces accelerates organic matter turnover. Commun. Biol. 3:660. doi : 10.1038/s42003-020-01392-4

EDITOR: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Německo

VĚDECKÝ MENTOR: Maria Claudia Segovia-Salcedo

CITACE: Joly F-X and Subke J-A (2022). Bizarní role půdních živočichů při rozkladu listí. Front. Young Minds 10:638736. doi: 10.3389/frym.2022.638736

STŘET ZÁJMŮ: Autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by bylo možné vykládat jako potenciální střet zájmů.

COPYRIGHT © 2022 Joly a Subke. Toto je článek s otevřeným přístupem distribuovaný za podmínek licence Creative Commons Attribution License (CC BY). Použití, distribuce nebo reprodukce na jiných fórech je povolena za předpokladu, že původní autor (autoři) a vlastníci autorských práv jsou zde uvedeni a původní publikace je citována v souladu s uznávanou akademickou praxí. Není povolená žádné využití, distribuce popř. reprodukce, která není v souladu s těmito podmínkami.

MLADÝ RECENZENT

JUAN DIEGO, VĚK: 15
Ahoj, jmenuji se Juan Diego, právě mi bylo 15. Pocházím z Ekvádoru, ale vyrostl jsem ve Spojených státech. Mám mnoho koníčků. Nejraději hraju videohry, protože mi to umožňuje hrát si s přáteli, které kvůli pandemii nemohu vídat. Mám rád zvířata a přírodu. Proto teď také jako součást školního projektu pracuji na malé knížce samolepek o ohrožených druzích Ekvádoru.

AUTOŘI

FRANÇOIS-XAVIER JOLY
François-Xavier Joly je francouzský půdní ekolog působící na univerzitě ve Vídni (Rakousko). Jeho výzkum se zaměřuje na pochopení toho, jak půdní organismy ovlivňují rozpad mrtvých rostlin a jak se tento proces může změnit v důsledku globálních změn, jakými je ztráta biologické rozmanitosti nebo změnami klimatu. *joly.fx@gmail.com

JENS-ARNE SUBKE
Jens-Arne Subke je ekosystémový ekolog na Univerzitě ve Stirlingu. Zajímá se o interakce rostlin, půdy a prostředí. Snaží se objasnit otázky způsobu, jakým může být uhlík získaný rostlinami z atmosféry stabilizovaný v půdách, čímž může být snížena koncentrace CO₂ v atmosféře.

TRANSLATOR

SARKA ANGST

FUNDING (TRANSLATION)

The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).