У неосяжних просторах Арктики, невидимий для людського ока, у надрах землі прихований вагомий чинник майбутніх кліматичних змін. Мікроорганізми, що мешкають у шарах ґрунту над вічною мерзлотою, невпинно перетворюють органічний вуглець на вуглекислий газ та метан – потужніший парниковий газ. Із потеплінням цих ґрунтів вивільняється все більше вуглецю, що потенційно може запустити загрозливий цикл потепління, який іноді називають “метановою бомбою”. Проте, нове дослідження дрібних мешканців арктичних ґрунтів вказує на те, що такий безжальний сценарій, можливо, не є неминучим.
Група вчених, каталогізуючи види мікроорганізмів, виявлених у ґрунтах вічної мерзлоти по всій Арктиці, а також у нещодавно відталій мерзлоті, змогла надати чіткішу картину мікробного розмаїття в арктичних ґрунтах. Це дослідження, опубліковане у виданні «Communications Earth and Environment», показує, як саме змінюються мікробні спільноти в міру нагрівання довкілля. Одне з вирішальних відкриттів полягає в тому, що за певних умов в Арктиці може бути більше метанопожираючих мікроорганізмів, ніж метаноутворюючих, що означає, що ґрунт може стати поглиначем вуглецю. Поглинач вуглецю – це природна або штучна система, що здатна накопичувати та зберігати вуглець, вилучаючи його з атмосфери.
«Цілком можливо, що ці системи з різних причин насправді не виробляють стільки метану, скільки ми вважаємо», – зазначила Джессіка Б’юзер-Янг, мікробіолог Університету Аляски в Анкориджі, яка не брала участі в цьому дослідженні, але є визнаним фахівцем у цій галузі. Університет Аляски в Анкориджі є найбільшим вищим навчальним закладом на Алясці і активно залучений до вивчення полярних регіонів та їхніх екосистем.
Мікроорганізми та метан: розкриваючи таємниці
Починаючи з 2010 року, консорціум науковців з Європи збирає зразки вічної мерзлоти в Арктиці – відбираючи проби верхнього шару ґрунту, підґрунтя і доходячи до вічно замерзлого шару. Збір цих зразків є надзвичайно складним завданням у величезних, віддалених та замерзлих північних регіонах світу. Проте, незважаючи на труднощі, група змогла отримати зразки з Канади, Гренландії та Сибіру – величезних територій, що охоплюють значну частину Арктики, регіону, який простягається навколо Північного полюса і славиться своїми екстремальними кліматичними умовами та унікальною природою.
У новому дослідженні вчені провели геномний аналіз мікробіому восьми пан-арктичних зразків вічної мерзлоти та ґрунту, а також зразків як непорушеної, так і деградованої вічної мерзлоти поблизу Фербанкса, Аляска. Фербанкс – це місто у внутрішніх районах Аляски, відоме своїм субарктичним кліматом та стратегічним розташуванням для вивчення вічної мерзлоти. Вони зосередилися саме на мікроорганізмах – бактеріях та археях, які або виділяють, або споживають метан – парниковий газ, що може бути у 30 разів потужнішим за вуглекислий газ за певний період.
Тім Уріх, мікробіолог з Грайфсвальдського університету в Німеччині та співавтор дослідження, зазначив, що перша несподіванка, яку виявили дослідники, дивлячись на дані, полягала у невеликій різноманітності як метаноутворюючих мікроорганізмів, або метаногенів, так і метаноспоживаючих мікроорганізмів, або метанотрофів. Грайфсвальдський університет, розташований у місті Грайфсвальд на північному сході Німеччини, має давню історію та є одним із найстаріших університетів Європи, відомим своїми науковими розробками, зокрема у сфері мікробіології.
Серед метанотрофів, єдиний рід – _Methylobacter_ – домінував у зразках з усіх локацій. Ці бактерії поширені по всій Арктиці, часто мешкаючи у шарах ґрунту, розташованих над їхніми метаногенними “побратимами”, поглинаючи метан, що піднімається знизу. Причини такого надзвичайного успіху цього єдиного роду досі залишаються загадкою, зауважив Уріх. За його словами, аналіз «дійсно закликає до більш детального вивчення представників цієї конкретної групи, щоб зрозуміти їхню екофізіологію та реакцію на зміну умов у ґрунті».
Можливе знешкодження “метанової бомби”
Уріх та його колеги також досліджували ділянки, де вічна мерзлота вже відтала, порівнюючи вологі та сухі місця. На ділянках із насиченими вологою ґрунтами виявилося більше метаногенних мікроорганізмів, які процвітали в умовах дефіциту кисню. На сухих же ділянках, навпаки, переважали метанотрофні мікроорганізми, особливо різновиди з унікальною здатністю поглинати метан з повітря та перетворювати його на менш потужний вуглекислий газ. Хоча ці факультативні метанотрофи мають здатність метаболізувати атмосферний метан, дослідники зазначають, що вони не обов’язково роблять це на практиці.
“Це дійсно залежить від гідрологічної долі цих ґрунтів.”
Тім Уріх, Грайфсвальдський університет
Незважаючи на ці нюанси, Уріх стверджує, що в кінцевому результаті тепліша і сухіша Арктика може стати корисною для зміни клімату. “Це дійсно залежить від гідрологічної долі цих ґрунтів”, – підкреслив він. Якщо Арктика опиниться в більш сухому кліматичному спектрі, її ґрунти можуть стати чистим поглиначем метану – хоча і не надто великим – оскільки мікроорганізми почнуть витягувати газ з повітря. Механізм, описаний Уріхом та його колегами, є не єдиним потенційним негативним зворотним зв’язком щодо метану. У нещодавній науковій праці, опублікованій у виданні «AGU Advances», Джессіка Б’юзер-Янг та її співавтори виявили, що мікроорганізми в дельті річки Коппер на Алясці, які використовують залізо для свого метаболізму, почали витісняти ті, що виробляють метан, потенційно зменшуючи викиди метану. Дельта річки Коппер – це величезна заболочена територія на півдні центральної Аляски, відома своєю багатою біорізноманітністю та динамічною екосистемою.
«Ми вважаємо, що це може відбуватися потенційно скрізь, де є льодовики у світі», – додала Б’юзер-Янг. Дослідження, подібні до праці Уріха, прояснюють, що хоча танення арктичної вічної мерзлоти є очевидним проявом кліматичних змін, її внесок у потепління виявляється менш однозначним. Крістіан Кноблаух, біогеохімік з Гамбурзького університету – провідного наукового центру в Німеччині, який має сильні позиції у дослідженнях природничих наук – не залучений до цього дослідження, зазначив: «Ми мали так багато публікацій про цю «метанову бомбу». Я думаю, це було надмірне спрощення або переоцінка викидів метану».
Майбутнє метану залишається невизначеним
Дослідники все ще стикаються з браком даних щодо мінливої Арктики. Уріх високо цінує потенційну цінність досліджень екофізіології мікроорганізмів, пов’язаних з метаном, які він та його колеги виявили в арктичних ґрунтах. Такі дослідження могли б надати більше інформації про те, як метаболізм мікроорганізмів змінюється у відповідь на підвищення температури та різні рівні кисню, серед іншого.
Уріх також застеріг, що його дослідження не вимірювало рівні викидів або поглинання метану з арктичних ґрунтів, залишаючи без відповіді питання про реальний вплив мікроорганізмів на навколишнє середовище. Кноблаух підкреслив необхідність отримання додаткових даних, зауваживши, що ми все ще не можемо з упевненістю сказати, чи буде майбутня Арктика більш вологою, чи більш сухою, а отже, яким буде виділення метану.
«Ми маємо багато моделей та багато симуляцій, але у нас не так багато даних на місцях», – сказав він. – «Я вважаю, що визначальні питання полягають у тому, наскільки швидко розкладається матеріал, скільки його відтане і за який час він розкладеться, а потім виділиться, а також як система буде під впливом змін рослинності».
