Dr Paweł Wąsowicz, absolwent WBiOŚ UŚ, niedługo po tym, jak rozpoczął pracę w Islandzkim Instytucie Historii Naturalnej i został kuratorem zielników w Reykjaviku i w Akureyri, odkrył istnienie bogatej bazy danych florystycznych będącej wirtualnym odzwierciedleniem zgromadzonych przez lata zbiorów. Niezwykle precyzyjnie określone stanowiska gatunków roślin oraz ich charakterystyka to zjawisko unikatowe na skalę światową – przed oczami naukowca ukazał się bowiem pełny obraz roślinności wyspy zapisany w zbiorze ponad 500 tys. bazodanowych rekordów. Okazało się również, że nikt wcześniej nie podjął się analizy zgromadzonego materiału. Dr Wąsowicz postanowił zanalizować przestrzenne wzorce rozmieszczenia gatunków roślinnych na Islandii i zaprosił do współpracy m.in. dr. Andrzeja Pasierbińskiego, adiunkta w Zakładzie Botaniki Systematycznej (WBiOŚ UŚ).

Dr Andrzej Pasierbiński z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ

Fitogeografia

Kiedy myślimy o najlepszych miejscach do rozwoju roślinności w Europie, zapewne na jednym z ostatnich miejsc wymienilibyśmy Islandię. Większość gatunków flory występuje na południu Europy ze względu na sprzyjające warunki klimatyczno-topograficzne. Ich intensywne współwystępowanie pociąga jednak za sobą konieczność walki o dostępną przestrzeń.

– Jest niewiele gatunków roślin, które są w stanie tolerować mniej sprzyjające warunki klimatyczne, panujące na przykład w pobliżu koła podbiegunowego. Z tego powodu konkurencja między gatunkami na tym obszarze ma marginalne znaczenie, a znacznie wzrasta w strefach klimatu umiarkowanego i tropikalnego – wyjaśnia dr Andrzej Pasierbiński. – Duże znaczenie, oprócz wspomnianych sprzyjających warunków siedliskowych, mają również zmiany klimatu zachodzące na Ziemi w ciągu milionów lat, przyczyniające się do niezwykle interesujących migracji roślin. Analiza przyczyn i charakterystyka roślinnych wędrówek jest jednym z moich głównych zainteresowań naukowych i właśnie taka botanika mnie fascynuje – dodaje biolog.

Dyscypliną naukową, której celem jest identyfikacja i próba zrozumienia wzorców rozmieszczenia roślin w przestrzeni geograficznej Ziemi, jest fitogeografia. – Aby scharakteryzować owe wzorce, posługujemy się pojęciem biomów. Są to rozległe obszary, na których występują zbiorowiska roślinne i gatunki o podobnych preferencjach klimatycznych – wyjaśnia naukowiec.

Tundra, tajga, lasy liściaste zrzucające liście na zimę, pustynie czy sawanny – to tylko kilka przykładów biomów wydzielonych w obrębie kuli ziemskiej. Stepy Mongolii mogą się znacznie różnić pod względem składu gatunkowego występujących tam roślin od stepów Ameryki Północnej, nadal jednak będą należeć do tego samego biomu.

– Na przykład na północnych obszarach występuje tundra arktyczna. Na południu z kolei, na obrzeżach Morza Śródziemnego, występują makia czy chaparral tworzące biom lasów i zarośli twardolistnych. A wszystko to „sterowane” jest warunkami klimatycznymi – wyjaśnia dr Pasierbiński.

Fitogeografia zatem nie tylko umożliwia grupowanie różnych gatunków roślin ze względu na ich aktualny zasięg występowania, lecz także pozwala szukać klucza, zgodnie z którym możemy obserwować rozmieszczenie flory na różnych obszarach kuli ziemskiej. Obu tych działań podjął się zespół badawczy dr. Pawła Wąsowicza, w którym pracowali dr Ewa Przedpełska-Wąsowicz z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, dr Hordur Kristinnsson z Islandzkiego Instytutu Historii Naturalnej oraz dr Andrzej Pasierbiński reprezentujący Uniwersytet Śląski.

Krajobraz z Półwyspu Trolli (północna Islandia)

Tajemnicza wyspa

W IV w. p.n.e. grecki geograf i żeglarz Pyteasz z Massalii wyruszył w rejs na otwarty ocean, kierując się na północ od Brytanii. W szóstym dniu żeglugi dopłynął do brzegów tajemniczej wyspy, gdzie Słońce świeci przez całą noc. Uznając, iż dotarł do krańca świata, nadał wyspie nazwę Ultima Thule i chociaż nie ma wśród badaczy zgody co do jej ówczesnego położenia, wielu uważa, że chodziło właśnie o Islandię.

Wbrew temu, co sugeruje nazwa tej europejskiej wyspy (isl. ís – lód), zaledwie 11% jej obszaru pokrywa lodowiec, a klimat jest zaskakująco łagodny. Leżąca na granicy płyt kontynentalnych – eurazjatyckiej oraz północnoamerykańskiej – wyspa wyłoniła się z morza prawdopodobnie ok. 16–18 milionów lat temu. Gdyby nie sprzyjający układ ciepłych prądów oceanicznych w obrębie północnego Atlantyku, przypominałaby ona bardziej pokrytą lodową czapą Grenlandię.

Niebagatelną rolę w „ocieplaniu” Islandii odgrywa Golfsztrom obmywający południowo- zachodnie brzegi wyspy. Na rozległych wyżynach oraz terenach górskich warunki ekologiczne są jednak bardzo trudne. Jest to interesująca podstawa do kształtowania się bioróżnorodności. Mimo nasuwających się pierwszych skojarzeń Islandia nie jest lodową pustynią pozbawioną roślinności: występuje tam nieco ponad 400 gatunków roślin głównie arktyczno-górskich, nie brakuje również gatunków obcych, przywiezionych na wyspę przez ludzi.

Jak wyjaśnia naukowiec, prawdopodobnie podróżujący po całym kontynencie wikingowie doprowadzili do pierwszej fali migracji roślin europejskich i azjatyckich na terytorium wyspy. – Nie znamy potencjału wszystkich roślin, ale ich elastyczność z pewnością pozwoliła im przetrwać w chłodniejszym klimacie północy. Jednak wnioskowanie o preferencjach siedliskowych roślin na podstawie tego, gdzie aktualnie występują, może nas łatwo wprowadzić w błąd – dodaje botanik. Granice tolerancji poszczególnych gatunków roślin względem warunków środowiskowych określa tak zwana potencjalna nisza ekologiczna, wyznaczona fizjologicznymi możliwościami organizmu. W odróżnieniu od potencjalnej nisza realizowana przez gatunki jest znacznie okrojona, np. przez interakcje z innymi organizmami współwystępującymi na danym obszarze (wspomniany już problem konkurencji). Występują ponadto ograniczenia geograficzne, takie jak brak ciągłości między obszarami o podobnych warunkach siedliskowych (np. łańcuchami górskimi rozdzielonymi obszarami nizinnymi), które uniemożliwiają migrację określonego gatunku, o ile do tego nie przyczyni się człowiek.

– Rośliny nie wędrują tak jak my podczas spaceru, tylko co pokolenie muszą pokonywać pewien dystans, oczywiście wyłącznie w środowisku, które gwarantuje im dogodne warunki do przetrwania. To tylko kilka przykładowych czynników, które biorę pod uwagę w swoich badaniach – mówi botanik.

Im więcej elementów zostanie zanalizowanych, tym lepsze zrozumienie procesów decydujących o rozmieszczeniu grup gatunków na danym obszarze, w tym przypadku – w obrębie badanej wyspy.

Loiseleuria procumbens – piękny arktyczny element flory Islandii

Badania

Dzięki współpracy udało się przygotować pierwszy opis biogeograficznego zróżnicowania flory Islandii, przy czym pod uwagę brana była jedynie rodzima flora wyspy (w sumie 438 gatunków).

Pierwszy etap badań opierał się na analizie skupień metodą k-średnich, służącej wykryciu grup roślin o wspólnych cechach w obrębie dużego zbioru danych. Jedyną cechą braną pod uwagę na tym etapie analiz były podobieństwa przestrzennego rozmieszczenia gatunków. Naukowcy wyodrębnili 10 grup (tzw. klastrów) wyraźnie różniących się ze względu na zajmowany areał wyspy.

Drugi etap badań koncentrował się na odpowiedzi na pytanie, jakie czynniki środowiskowe wyznaczają gradienty, których manifestacją są zidentyfikowane wzorce przestrzennego rozmieszczenia gatunków. Inaczej mówiąc, dlaczego wyróżnione grupy gatunków są związane z określonymi obszarami wyspy. Badaniem zależności zajął się właśnie dr Pasierbiński. – Mój udział w projekcie wynikał z wcześniejszej współpracy z dr. Wąsowiczem, którego poznałem w Katowicach. Paweł skończył studia doktoranckie na Uniwersytecie Śląskim. Wiedział, że zajmuję się modelowaniem zasięgu gatunków i analizami przestrzennymi, dlatego zaproponował mi udział w badaniach. Moim zadaniem było opracowanie zestawu zmiennych środowiskowych dla całej wyspy, a następnie przypisanie ich wartości każdemu analizowanemu rekordowi bazy danych – mówi botanik.

Ze względu na rozmiary wyspy konieczne było uwzględnienie w analizie czynników decydujących o rozmieszczeniu roślin w różnych skalach przestrzennych. Głównym czynnikiem kształtującym zasięgi roślin w małej skali (np. obejmującej kontynent lub cały glob) jest klimat, w większej skali (np. regionu) jest on jednak silnie modyfikowany przez warunki topograficzne. W skali lokalnej rozmieszczenie gatunków roślin zależy od dostępności takich zasobów, jak światło, ciepło i wilgotność podłoża, wynikających właśnie z modyfikującego wpływu topografii, a także właściwości chemicznych podłoża i rodzaju gleby, które zależą od budowy geologicznej.

W praktyce analiza ta polegała na osadzeniu wyróżnionych klastrów w wielowymiarowej przestrzeni zmiennych środowiskowych, a następnie identyfikacji czynników, które je najbardziej różnicują. Do tego celu wykorzystano analizę głównych składowych (PCA – ang. principal component analysis), dzięki czemu udało się stworzyć ekologiczną charakterystykę poszczególnych klastrów. Najważniejsze okazały się czynniki topograficzne oraz klimatyczne, natomiast typ podłoża skalnego, względnie jednorodny na terenie całej wyspy, był najmniej istotny.

– Wyjątkowość prowadzonych przez nas badań polega przede wszystkim na tym, że nikt do tej pory nie pokusił się o tak dokładną analizę fitogeograficzną Islandii. Z tego powodu stanowią one ważny wkład w badania biogeograficzne i stają się punktem wyjścia do prowadzenia dalszych analiz – podsumowuje dr Pasierbiński.