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气候变暖,北极冰封的细菌解冻将会如何影响地球?

2021-3月-19 周五 10:49 +0800

气候变暖,北极冰封的细菌解冻将会如何影响地球?

一条横穿瑞典斯托达伦沼泽的木板路,已经被融水覆盖

新浪科技讯 北京时间9月19日消息,北极地区的冻土层是地球上最大的碳储存库之一。在基因组学研究的帮助下,科学家正逐步揭示细菌和古菌在这些冻土层解冻时产生的影响。

到今年5月时,瑞典北部的气温将升高至零上几度,届时科学家们将再次前往斯托达伦沼泽(Stordalen Mire)松软的泥炭地。他们会步行穿过下沉的木板路,经过一个个放置在羊胡子草丛中的透明有机玻璃箱。

在沼泽短暂的植物生长季节,每隔三小时,玻璃箱的盖子就会合上,使其内部充满了从下方土壤中渗出的甲烷。这是一种强大的温室气体。15分钟后,甲烷气体将通过迷宫般的管道进入附近的拖车,供科学家进行分析。

与此同时,科学家们还有着更为复杂的工作。他们将金属芯打入粘稠的泥浆中,取出样品带回实验室。在实验室里,他们将通过基因测序来研究产生甲烷的微生物。在有关永久冻土微生物的各项研究中,这个被称为“IsoGenie”的项目是规模最大、运行时间最长的实地研究之一。该项目联合创始人、美国亚利桑那大学的生态学家斯科特・塞尔斯卡说:“我们把地球化学和微生物生态学的测量结果放在一起,这是两个完全不同的领域,希望能以此发现新的东西。”

几十年前,斯托达伦沼泽被永久冻土覆盖,但如今,由于全球气温上升,其大部分已经退化为沼泽和长满青草的湿地,并形成了被称为“泥炭丘”(palsa)的冻胀隆起土丘。泥炭丘中的永久冻土仍有部分被干燥的泥炭隔绝。随着泥炭丘的持续融化,科学家们急切地想要记录其内部微生物群落的变化。

在人类历史的大部分时间里,永久冻土层一直是地球上最大的陆地碳汇,许多世纪以来一直将植物和动物物质冻结其中。目前永久冻土层储存了大约16000亿吨碳,是大气中碳含量的两倍以上。然而,由于气温上升,永久冻土层正逐渐破裂和消失,导致地貌发生巨大的变化。

科学家们越来越担心永久冻土层的融化将为细菌和古菌的活动提供极大的有利条件,进而产生大量的二氧化碳和甲烷。尽管长期以来,研究者提出的气候模型一直都将北极永久冻土和北极湖泊的碳排放能力考虑在内,但其中的微生物活动很大程度上仍不为人知。科学家认为,这些活动会与生态系统的物理特性同步变化,包括温度和湿度等。

随着科学家的研究逐渐深入,相关的发现开始浮出水面。例如,过渡性永久冻土环境中主要微生物的种类会影响其排放的温室气体类型;北极湖泊对气候变化的反应可能比预期的更加敏感,这也取决于生活其中的微生物类型;在某些地区,土壤中铁和其他营养成分的可得性也会加速温室气体的产生。

尽管气候变暖对地貌改变的具体影响机制尚不清楚,很多重要问题也仍未得到解答(如土壤中病毒的作用),但对于微生物数据的收集使人们对永久冻土层中发生的一切有了更全面的看法,这使我们看到了永久冻土层的内部情况,在永久冻土层系统中,(对微生物的研究)是一项紧迫的需求,因为这些系统正在我们眼前融化。

漫长的历史

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科学家通过卫星数据监测永久冻土层的丧失情况。活跃层的土壤会发生季节性的融解和冻结,在2007年至2016年,北半球永冻土的活跃层平均加深了2.5厘米。在大约5%的区域,活跃层深度增加了超过30厘米

目前有若干研究项目正在研究融化的永久冻土层中的微生物。其中一些,例如“阿拉斯加泥炭地实验”(Alaska Peatland Experiment)项目,所研究的微生物群落环境类似于斯托达伦的富碳土壤。另一个大型项目是“下一代生态系统实验――北极”(Next-Generation Ecosystem Experiment ― Arctic),正在对矿物丰富的阿拉斯加北坡区域进行研究。还有一个称为“永久冻土层隧道”(Permafrost Tunnel)的项目,主要研究该“隧道”――在费尔班克斯附近冰冻山坡上凿出的长达110米的洞穴――中的微生物群落如何变化。

其他一些国家也展开了有关北极永久冻土层的大规模研究。例如,丹麦哥本哈根大学的永久冻土研究中心正在对格陵兰岛、俄罗斯、瑞典和斯瓦尔巴群岛不同地点的土壤进行宏基因组学分析。俄罗斯和美国科学家在西伯利亚东北部展开了一项联合研究,对不同年代(从几千年前到几百万年前)永冻土样品中的微生物群落进行分析。研究人员发现了完整的含有蓝藻和微藻的永久冻土,这些藻类在冻土融化后会迅速变得活跃起来。

斯托达伦沼泽是北极地区最受关注的研究地点之一,一个多世纪以来,研究者收集了有关其温度、土壤含量和植物群落的详细信息。博・斯文森是瑞典林雪平大学的微生物学家,也是20世纪70年代开始测量斯托达伦沼泽土壤中甲烷排放的首批研究者之一。他用水桶和咖啡罐收集甲烷。由于经常要在沼泽中待上数个小时,他不得不从当地萨米人社区买来厚厚的焦油作为驱蚊剂,驱赶蚊子和黑蝇。那时候,该地区的基础设施尚未建立,也没有通电,斯文森往往需要背着甲烷样品和其他设备徒步10公里以上,往返于瑞典的阿比斯库科学研究站。

如今,斯托达伦沼泽的研究设施已经焕然一新。在诸多新设备中间,放着一个生锈的咖啡罐,这是斯文森曾用来收集甲烷的工具。这也是一个令人印象深刻的纪念物,提醒着我们近几十年来的科学进步。斯托达伦沼泽已经成为一个国际研究中心,该地区处于永久冻土层融化的前沿,在对气候变化感兴趣的科学家看来,这是一个非常有吸引力的研究地点。电力的接入和20世纪80年代修建的一条道路也为研究提供了有利条件。

2010年,IsoGenie项目的启动为斯托达伦沼泽的研究者提供了一套新的分子生物学工具。该项目由美国能源部资助,由维吉尼亚・里奇和斯科特・塞尔斯卡发起。里奇开发了用于研究海洋微生物的环境DNA取样技术,塞尔斯卡则开发了基于激光的痕量气体浓度测量系统。IsoGenie项目汇集了来自不同学科的科学家,在过去十年中积累了大量的数据。

就在不久前,科学家还必须通过实验室培养的方式来进行微生物研究,但现在,他们越来越多地从环境中取样并对其DNA进行测序,在利用宏基因组学拼凑出土壤、海洋、湖泊等环境中微生物群落的全貌。他们不仅能识别出其中存在的物种,还可以了解哪些基因是活跃的,这为了解微生物的有效代谢策略和微生物之间的关系提供了强有力的证据。

研究团队已经从该地区的土壤微生物中收集了13000个基因组。这无疑是一个庞大的群落,跨越了整个微生物的生命树。其中包括一种新发现的能释放甲烷的古菌,以及1.5万种土壤病毒。科学家认为,这些病毒可以感染沼泽土壤里的微生物。可以说,研究人员发现了一个宝库,为了解甲烷的产生机制提供了新的视角。

甲烷制造者

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用于测量斯托达伦沼泽甲烷排放的自动玻璃箱系统

第一个重大发现出现在2014年。研究团队发现,沼泽中不同的景观特征都具有不同的微生物群落,它们产生甲烷的速度快慢不一。例如,在部分融解的泥泞沼泽中,大多数微生物通过一个名为“氢营养型甲烷生成”(hydrogenotrophic methanogenesis)的过程产生甲烷,并在这一过程中消耗二氧化碳和氢。但在完全融解的沼泽中,微生物群落变得更加复杂,它们进入了一个名为“乙酸发酵型甲烷生成”(acetoclastic methanogenesis)的过程。在这个过程中,微生物利用乙酸盐和二氧化碳来产生甲烷。里奇指出,这一点很重要,因为这两种过程对温度和pH等环境条件有不同的反应。

这一发现给科学家们敲响了警钟,因为这意味着处于融解后期阶段的沼泽地区可能因不同的环境条件,而产生或多或少的甲烷。在对未来进行预测时,将这些环境条件纳入模型十分重要。不同地方产生的甲烷并不相同,这取决于融解的程度和土壤中的微生物。

深入北极湖泊

接下来,研究小组将注意力转向了北极的湖泊。目前预测气候变化的研究很少关注一个湖泊不同区域在甲烷排放上的差异。长期以来,研究者一直认为浅水层在温暖的月份中升温更快,因此产生的甲烷比深水层更多,但这一观点从未被验证过。

通过对斯托达伦沼泽两个湖泊进行宏基因组学分析和气体排放测量发现,上述假设可能需要做一番修正。在一项尚未得到同行评议的研究中,湖泊深层的微生物群比浅层的微生物群含有更多的产甲烷微生物;这些微生物对气温的升高也更加敏感。这意味着,温度的轻微上升可能会导致甲烷从湖水中部不成比例地释放。这意味着,如果全球气温继续上升,北极湖泊释放出的甲烷数量将超过我们的预期。

2020年9月,EMERGE项目诞生,全称为“应对变化的紧急生态系统反应”(emergent ecosystem response to change)。该项目得到了美国国家科学基金会1250万美元的资助,聚集了来自15个学科的33名研究人员,其主要工作是继续IsoGenie项目开始的宏基因组学研究。他们的目标是深入了解微生物在气候变化影响的进化过程,甚至更进一步,了解病毒在其中所发挥的作用。

接下来的工作一方面是寻找不同微生物群落与景观特征之间的联系。研究人员可以通过植被等情况遥感监测这些景观特征。当这些联系建立之后,研究人员就可以利用卫星技术绘制出整个北极的产甲烷微生物分布图。

将斯托达伦沼泽和北极圈其他几个研究地点的观测结果,与其他地方的永久冻土层碳储存情况联系起来并不容易。这些景观的面积、类型和偏远程度都给科学家们带来了挑战。事实上,据研究人员估计,几乎三分之一的北极研究都是在两个地点――北坡地区的阿比斯库和图里克湖――的50公里范围内进行的。了解微生物在局部和区域尺度上的运作机制将提供许多有价值的信息,不过,对于北极地区不同永冻土栖息地在融解时会发生什么,目前的了解还十分有限。为了克服取样的偏差,研究人员与美国国家航空航天局(NASA)合作,着手建立一个泛北极永久冻土微生物样品的大型数据库。利用这个数据库,科学家可以对北极未充分采样的地区进行研究,对这一前景科学家们十分兴奋。

建模的重要性

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2018年,IsoGenie项目的科学家在斯托达伦沼泽采集土壤样品

另一个挑战是了解永久冻土层融解时陆地环境会如何变化。对于一个特定的地点,是排水并变得干燥或多岩石,还是被水淹没,都将对微生物群落及其气体排放产生重大影响,在这些多样化的生态系统中识别微生物的独特特征具有重要的意义。关于这些微生物的知识将有助于建立未来碳排放的模型,它们是生产温室气体的小型工厂。因此,理所当然地,我们必须了解这是如何发生的。

一个研究小组一直在北坡地区一个遍布低洼湖泊的区域研究微生物群落。那里的永久冻土层在冻结和融化的过程中开裂和弯曲,形成了一种混合了冰、沼泽和湖泊的冰楔多边形。这种复杂的景观覆盖了阿拉斯加北坡地区20%的面积。

2015年,宏基因组学方面的工作使科学家对微生物如何能在贫营养和永久冻土条件下长期生存有了新的认识。研究团队发现了编码铁代谢蛋白质的基因,表明微生物在恶劣的条件下生存时会利用矿物质作为能量来源。这一发现为后来阐明永久冻土层微生物的主要生存策略提供了线索。2020年12月,阿比斯库研究站的研究人员发现,随着微生物解冻和苏醒,土壤中铁的存在实际上会加速二氧化碳的释放。

一些科学家未来的研究兴趣的是感染这些土壤微生物的病毒,以及它们在碳处理中的作用。有些病毒会杀死宿主,改变群落微生物的平衡。另一些病毒则含有辅助代谢基因,能够编码蛋白质,释放植物物质中固定的碳。一般情况下,病毒的作用并不会很明显,而有很多未发表的数据表明,它们能做到的可能远不止这些。

随着北半球气温上升,许多科学家正准备重返北极的研究地点。斯托达伦沼泽的地面上仍然覆盖着积雪,温度停留在冰点以下。但对于研究人员来说,冻土层的融解即将来临,他们期待着继续揭开永久冻土层内部微生物的神秘面纱。(任天)

(责任编辑:董云龙 )
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