Микробы в вечной мерзлоте оттаивают и пробуждаются. Какова реальная скорость и есть ли угрозы для климата?

Вечная мерзлота — это огромный запас органического углерода, который накапливался тысячи лет. Его количество превышает углерод в атмосфере в два раза. Пока этот углерод заморожен, он остается неподвижным. Но Арктика теплеет, и мерзлота оттаивает.

Это активирует биологические процессы. Внутри этой старой почвы спят микроорганизмы — бактерии и археи, которые оказались в ледяной ловушке много тысяч лет назад. Таяние дает им доступ к воде и питательным веществам. Можно было думать, что они оживут, начнут потреблять органику и выделять в атмосферу метан и углекислый газ.

Но было неизвестно, с какой скоростью все это случится. Ответ на этот вопрос помогает оценить климатические угрозы.

Как измерить скорость пробуждения?

Чтобы понять, насколько деятельны микробы, простого наблюдения будет мало. Нужно было измерить скорость их роста. Ученые из Университета Колорадо в Боулдере и Инженерного корпуса армии США применили для этого метод изотопного зондирования липидов.

Работает он так: микроорганизмы строят свои клеточные оболочки из жиров, или липидов, для этого им требуется вода. Ученые подготовили образцы мерзлоты и добавили в них «тяжелую воду». Это такая вода, в которой атомы водорода заменены его тяжелым изотопом, дейтерием.

Когда микроб растет и создает новые липиды, он включает этот тяжелый водород в их состав. Чем быстрее рост, тем тяжелее становятся его клеточные оболочки за отрезок времени. Измерение этого увеличения веса позволяет точно вычислить скорость роста.

Невероятно медленное пробуждение

Первый и самый главный результат: микробы из глубокой и древней мерзлоты (ей около 40 000 лет) оживают очень медленно.

В первый месяц после таяния их деятельность почти не видна. Подсчеты показывают, что в день оживает только одна клетка из десятков или сотен тысяч. Время, нужное для удвоения их численности, составляет от 3 до 57 лет.

Для сравнения, микробы из верхнего, более молодого слоя мерзлоты работают быстрее. Их численность удваивается примерно за 90 дней. Это все еще не быстро в сравнении с почвенными организмами, но намного быстрее, чем у микробов из глубоких слоев.

Температура — это фильтр, а не ускоритель

Можно подумать, что чем теплее, тем быстрее должны расти микробы. Опыты провели при разных температурах: -4°C, +4°C и +12°C.

Оказалось, что более высокая температура не ускоряет общий рост сообщества в первые 30 дней. Вместо этого она определяет, какие виды микробов начинают действовать. В мерзлоте существует много организмов с разными температурными предпочтениями. При +4°C активны одни виды, а при +12°C — другие. Но общее количество новой биомассы остается на таком же низком уровне.

Температура в этом случае действует как фильтр, который отбирает деятельные группы организмов. Но общая скорость их начального роста остается низкой.

Долгий процесс: появление «возрожденного» сообщества

Что будет, если дать микробам больше времени? Через полгода (180 дней) ситуация сильно меняется. Медленное оживление заканчивается, и начинается полная перестройка.

Микробные сообщества в оттаявших образцах полностью меняют свой состав. Виды, которых раньше было очень мало, вдруг начинают преобладать. Например, главными становятся хорошо приспособленные к холоду бактерии рода Cryobacterium и спорообразующие Clostridium.

Важно, что это новое сообщество не похоже ни на исходное замороженное, ни на современные сообщества с поверхности. Появляется третий тип — «возрожденное» сообщество. Оно было сформировано тысячелетиями отбора в тяжелых условиях и пересобрано заново. Предсказать поведение такой системы очень трудно.

Откуда появляются первые газы?

Если микробы оживают так медленно, почему при таянии мерзлоты выделяются метан и CO₂? Исследование дает ответ и на этот вопрос.

Газ, выходящий в первые недели, — это не продукт деятельности новых микробов. Это старый газ, который образовался тысячи лет назад. Он был заперт в пузырьках льда и теперь просто выходит наружу, когда лед тает.

Это означает две вещи. С одной стороны, есть запас времени до того, как биологическая «фабрика» газов начнет работать в полную силу. С другой стороны, выбросы все равно происходят из-за физического освобождения старого газа.

Эта работа впервые показала, что происходит с микробной жизнью в тающей мерзлоте. Она демонстрирует, что оживление древних существ — это долгий и поэтапный процесс. А его конечный результат, с появлением новых микробных систем, еще предстоит изучить.