Nagigising ang Sinaunang mga Mikrobyo sa Arctic at Maaari Nilang Pabilisin ang Pag-init ng Daigdig

Bakit mahalaga ngayon ang mga sinaunang mikrobyo

Sa nagyelong lupa sa buong Arctic, muling nagigising ang mga mikrobyong huling nabuhay sa mga sinaunang halaman at hayop sampu-sampung libong taon na ang nakalipas. Ipinakikita ng mga eksperimento sa laboratoryo gamit ang mga sample ng permafrost mula sa loob ng Alaska na maaaring muling mabuhay sa loob lamang ng ilang buwan ang mga natutulog na komunidad, na ang ilan ay 40,000 taon na ang tanda, kung mananatiling mainit at basa ang mga kondisyon. Kapag naging aktibo na, binabaklas nila ang organikong materyal na matagal nang nagyelo at naglalabas ng carbon dioxide at methane, dalawang gas na kumukulong ng init. Nagdaragdag ang prosesong ito ng panibagong tulak sa umiinit na klima at nagpapataas ng panganib na lalo pang bumilis ang pagkatunaw ng permafrost sa isang siklong kusang nagpapalakas sa sarili.

Ang permafrost ay lupang nananatiling nagyelo nang hindi bababa sa dalawang magkasunod na taon. Maaari itong may lalim na isang metro lamang o umabot sa daan-daang metro, at nakakulong dito ang sinaunang carbon mula sa mga ekosistemang tundra at boreal na matagal nang naglaho. Madalas matunaw tuwing tag-araw ang pinakaitaas na suson, ngunit nanatiling selyado ang mas malalalim na suson mula pa noong huling Panahon ng Yelo. Ipinahihiwatig ng bagong pananaliksik na kung hahaba ang tag-araw at aabot sa tagsibol at taglagas ang aktibong panahon, maaaring maging pana-panahong bahagi ng makabagong siklo ng carbon kahit ang mga mikrobyong nasa kailaliman ng permafrost.

Mahalaga ang tiyempo nito. Humigit-kumulang dalawang beses na mas mabilis uminit ang Arctic kaysa sa pandaigdigang katamtaman, at humahaba ang panahon ng pagkatunaw. Nagsukat ang mga siyentista ng tumataas na greenhouse gas emissions mula sa mga hilagang tanawin tuwing taglagas, taglamig, at tagsibol, panahong halos natutulog ang mga halaman. Kapag isinama sa bilang ang mga emisyong nagaganap sa labas ng panahon ng paglaki ng mga halaman, lumilitaw na netong pinagmumulan ng carbon sa atmospera ang rehiyon sa maraming nakaraang taon. Dagdag pa sa bigat na ito ang paggising ng mga sinaunang mikrobyo.

Ang ipinakikita ng permafrost tunnel sa Alaska

Upang pag-aralan kung gaano kabilis muling nagigising ang mga mikrobyo, kumuha ang mga mananaliksik ng nagyelong mga core mula sa Permafrost Research Tunnel malapit sa Fairbanks, Alaska. Nasa lalim itong humigit-kumulang 50 talampakan mula sa ibabaw at umaabot nang mahigit 350 talampakan papasok sa nagyelong lupa na nag-iingat ng detalyadong rekord ng mga tanawin noong huling Pleistocene. Bihira ang lugar na ito dahil nakapagsa-sample rito ang mga siyentista ng buo at sinaunang mga lupa at yelong nanatiling nagyelo sa loob ng libu-libong taon.

Mainam na lugar ang Alaska para sa pag-aaral dahil nakalatag ang permafrost sa malaking bahagi ng estado. Makikita sa nagyelong mga pader ng tunnel ang mga suson ng banlik, buhangin, at mga patong na mayaman sa organikong materyal, kasama ang yelong nabuo habang nagyeyelo ang lupa. Marami sa mga patong na ito ang naglalaman ng nakabaong materyal mula sa mga halaman at hayop na halos hindi pa nababaklas ng mga mikrobyo. Kapag nagbigay ang pagkatunaw ng likidong tubig at temperaturang lampas sa lamig, nasa mga komunidad na matagal nang hindi aktibo ang mga sangkap na kailangan upang muling simulan ang metabolismo.

Paano muling pinamulat ng mga siyentista ang mga mikrobyo mula sa Panahon ng Yelo

Sa laboratoryo, binasa ang maliliit na piraso ng sinaunang permafrost at pinalago sa mga temperaturang pinili upang kumatawan sa mga tag-araw sa Alaska sa kasalukuyan at sa hinaharap. Gumamit ang mga mananaliksik ng tubig na pinayaman ng deuterium, isang mabigat na uri ng hydrogen, upang magkaroon ng matutukoy na atomikong palatandaan ang anumang bagong paglaki ng mga mikrobyo. Pagkaraan ng isang buwan, maliit na bahagi pa lamang ng mga selula ang nagpakita ng palatandaan ng aktibidad, na nagpapahiwatig ng mabagal na muling pagsisimula. Nagbago nang malaki ang sitwasyon matapos ang anim na buwan sa mas maiinit na temperatura. Nagbago ang pagkakabuo ng mga komunidad ng mikrobyo, lumitaw ang mga biofilm na nakikita, at kumilos ang mga nagising na mikrobyo na halos katulad ng mga makabagong kauri nila.

Mabagal na pagsisimula sa lamig, sinusubaybayan atom kada atom

Sa paraang gumagamit ng deuterium bilang pananda, nasusubaybayan ng mga siyentista ang paglaki nang hindi nanghuhula. Kapag bumubuo ang mga mikrobyo ng bagong lamad ng selula o iba pang molekula, nagdaragdag sila ng mga atom ng hydrogen. Kung deuterium ang mga atom na iyon, matutukoy ng mga instrumento ang mas mabigat na palatandaan at mapatutunayang sa eksperimento nagmula ang paglaki, hindi sa kontaminasyon. Ipinakikita ng datos mula sa Alaska na hindi agad nagaganap ang muling paggising. Tila nag-aangkop muna sa loob ng ilang linggo ang maraming mikrobyo, saka lamang muling bumubuo at dumarami matapos ang matagal na pag-init. Binibigyang-diin ng pagkaantalang ito kung bakit maaaring mas mahalaga ang mas mahabang panahon ng pagkatunaw kaysa sa isang bugso ng matinding init.

Ano ang nangyayari matapos ang ilang buwang pag-init

Ang mahalagang natuklasan ay ang tagal bago magising ang mga mikrobyo. Ipinahihiwatig ng mga eksperimento na maaaring umabot nang humigit-kumulang isa hanggang anim na buwan mula sa pagkatunaw bago maging ganap na aktibo ang ilang sinaunang komunidad. Sa kasalukuyang klima, may mga bahagi na ng Arctic na nananatiling lampas sa lamig nang ganito katagal bawat taon. Inaasahan sa mga projeksyon sa klima na lalo pang hahaba ang panahon ng pagkatunaw. Nagbibigay ang mas mahabang panahon ng init ng sapat na oras para muling buuin ng mga mikrobyo ang mga lamad, kumpunihin ang pinsalang dulot ng pagyeyelo, at paandarin ang mga enzyme na kailangan upang tunawin ang masalimuot na carbon. Kapag nabuo na ang mga kagamitang ito, mabilis nang makapagpapalit ang mga mikrobyo ng nagyelong organikong materyal tungo sa mga gas na carbon.

Nakatutulong din ang tiyempong ito upang ipaliwanag ang mas malawak na padron na nakita sa mga sukat sa lugar. Sumisipsip ng carbon dioxide ang maraming lugar sa tundra sa maikling panahon ng paglago tuwing tag-araw, kapag aktibo ang mga halaman. Lalong nababawi ang mga pakinabang na ito dahil sa mga pagkalugi sa natitirang bahagi ng taon habang patuloy na humihinga ang mga mikrobyo. Kapag idinagdag ang mga bagong nagising na mikrobyong kumikilos sa sinaunang carbon, mas lumalaki ang mga pagkalugi sa labas ng panahon ng paglago at maaaring maging netong naglalabas ng emisyon ang mga tanawin.

Mula sa imbakan ng nagyelong carbon tungo sa mga greenhouse gas emission

Madalas ilarawan ang permafrost bilang isang dambuhalang imbakan ng carbon. Nabuo ito dahil hindi naganap ang ganap na pagkabulok ng mga labi ng halaman at hayop sa malamig na mga kondisyon; naipon ang mga ito at nagyelo. Binubuksan ng pagkatunaw ang imbakan. Sa mga lupang mayaman sa oxygen, pangunahing naglalabas ang mga mikrobyo ng carbon bilang carbon dioxide (CO2). Sa mga lugar na puno ng tubig o kulang sa oxygen, gaya ng mga latian, basang lupa, at ilalim ng mga lawa na nabuo dahil sa pagkatunaw, gumagawa ng methane (CH4) ang mga espesyalisadong mikrobyong tinatawag na methanogens.

CO2 laban sa methane

Mas maraming init ang naiipon ng methane kaysa sa carbon dioxide sa loob ng ilang dekada, bagaman mas mabilis itong nasisira sa atmospera. Hindi gaanong malakas ang epekto ng carbon dioxide sa bawat molekula, pero nananatili ito sa loob ng maraming siglo. Nakadepende sa mga lokal na kondisyon ang balanse ng CO2 at methane mula sa natutunaw na lupa. Mas maraming CO2 ang inilalabas ng mas tuyo at mas maayos ang daluyan ng tubig na mga lupa. Mas maraming methane naman ang inilalabas ng mga lupang puspos ng tubig at mga lawa na nabuo sa pagkatunaw. Ipinakikita ng kamakailang pananaliksik sa Alaska at kanlurang Canada na maaaring sumipsip ng bahagyang mas maraming CO2 kaysa inilalabas ng mga kagubatan sa panahon ng aktibong paglago, ngunit nababawi ang mga pakinabang na ito ng methane mula sa mga basang lupa at lawa, mga sunog, at paghinga ng mga organismo sa malamig na panahon. Sa kabuuan, ipinahihiwatig pa rin ng greenhouse gas budget ng rehiyon na lalo nitong paiinitin ang klima sa mga darating na dekada.

Gaano kalaki ang maaaring ilabas na carbon

Napakalaking dami ng organikong carbon ang nakaimbak sa mga lupa sa hilagang rehiyong may permafrost, humigit-kumulang 1,460 hanggang 1,600 bilyong metriko tonelada. Halos doble ito ng carbon na kasalukuyang nasa atmospera. Karamihan sa imbakan ay nasa loob ng tatlong metrong pinakamalapit sa ibabaw, ngunit malaking bahagi nito ang mas malalim, nakakulong sa mga sedimentong mayaman sa yelo at sa sinaunang mga deposito ng loess na tinatawag na Yedoma. Tinatayang 327 hanggang 466 bilyong tonelada ng carbon ang nasa malalalim na deposito ng Yedoma. Nagdaragdag pa ng humigit-kumulang 96 bilyong tonelada ang mga delta ng mga ilog sa Arctic. Unti-unting ilalantad ng pagkatunaw mula sa ibabaw pababa ang malaking bahagi ng carbon na malapit sa ibabaw. Sa biglaang pagkatunaw, gumuho ang lupang mayaman sa yelo at nabubuo ang mga hukay at lawa ng thermokarst, kaya maaaring mailantad ang mas malalalim na suson sa loob lamang ng isang panahon.

Ipinahihiwatig ng mga sukat ng daloy ng carbon na nagsimula nang magdagdag sa carbon ng atmospera ang dambuhalang imbakan na ito. Ipinakikita ng mga bagong obserbasyon sa rehiyon at sa panahon ng taglamig na netong 0.3 hanggang 0.6 bilyong tonelada ng carbon bawat taon ang inilalabas ng mga ekosistem sa mga rehiyong may permafrost bilang carbon dioxide kapag isinama ang mga pagkalugi sa malamig na panahon. Tinatayang palagiang pinagmumulan ng carbon ang tundra batay sa mga kampanyang gumamit ng sasakyang panghimpapawid sa Alaska, samantalang nag-iiba naman ang mga kagubatang boreal mula sa halos neutral hanggang sa bahagyang sumisipsip ng carbon, depende sa mga sunog at lagay ng panahon. Dinoble hanggang itinriple sa ilang pagsusuri ang mga pagtataya sa emisyon sa taglamig nang makapagtala ang mas maraming sensor sa mahaba at malamig na panahong hindi aktibo ang mga halaman ngunit aktibo pa rin ang mga mikrobyo. Kaayon ng mga resultang ito ang ideyang nagsimula na ang feedback mula sa natutunaw na permafrost.

Kaya bang tumbasan ng mga halaman at malamig na panahon ang mga emisyong ito

Tuwing tag-araw, sumisipsip ng carbon dioxide ang mga halaman sa tundra at kagubatang boreal sa pamamagitan ng potosintesis at iniimbak ang bahagi nito bilang biomass at bagong organikong materyal sa lupa. Malakas ang pagsipsip na ito sa malulusog na kakahuyan at mga basang lugar. Ang suliranin ay napakahaba ng malamig na panahon sa Arctic. Patuloy ang paghinga ng mga mikrobyo sa mababang antas sa malaking bahagi ng taon, kahit natatabunan ng niyebe. Sa loob ng 250 araw o higit pa, maaaring tumbasan ng maliliit na pang-araw-araw na pagkaluging ito ang karamihan o lahat ng pakinabang sa tag-araw.

Lalo pang nagpapahirap sa sitwasyon ang kakayahang umangkop ng mga mikrobyo. Ipinakikita ng mga pag-aaral sa Svalbard at iba pang lugar sa Arctic na mahusay na nakaaangkop sa malamig na kondisyon ang mga mikrobyo sa pinakaitaas na suson na natutunaw pana-panahon. Gumagawa ang mga ito ng mga enzyme na mahusay kumilos sa mababang temperatura at kayang gumamit ng samu't saring sangkap na carbon. Maaari pa ngang direktang sumipsip ng CO2 ang ilan sa ilang partikular na kondisyon, bagaman maliit ang ambag ng paraang ito kung ihahambing sa dami ng carbon na inilalabas sa pagkabulok. Maaaring manatiling netong sumisipsip ng carbon ang mga basang lupa at peatland batay sa timbang, habang nag-iipon ng pit sa loob ng maraming siglo, ngunit naglalabas pa rin ang mga ito ng methane na malakas magpainit ng klima. Sa kabuuan, ipinakikita ng kamakailang datos na hindi lubos na napipigil ng pagsipsip ng mga halaman sa buong rehiyon ang lumalaking pagkalugi mula sa paghinga ng mga organismo at ang methane mula sa natutunaw na lupa.

Bakit binabago ng haba ng panahon, hindi lang ng temperatura, ang panganib

Itinatampok ng mga bagong natuklasan sa laboratoryo ang kahalagahan ng haba ng panahon. Maaaring kailanganin ng mga mikrobyong natulog nang libu-libong taon ang ilang linggo hanggang ilang buwan upang magkumpuni at muling mag-ayos bago dumami. Nagbibigay sa kanila ng panahong iyon ang mas mahabang panahon ng pagkatunaw. Hindi kasinghalaga ng mga mainit na araw lamang ang mas maagang pagkatunaw sa tagsibol at mas huling pagyeyelo sa taglagas. Ipinakikita na ng mga rekord ng klima na nagaganap na ang pagbabagong ito sa maraming lugar sa Arctic.

May papel din ang sikat ng araw sa pagpapabilis ng paglabas ng carbon kapag nagambala ang permafrost. Maaaring matangay ng pagkatunaw ang carbon mula sa lupa papunta sa mga sapa at lawa, kung saan nasisikatan ito ng araw. Pinahihina ng mga reaksiyong dulot ng liwanag ang masasalimuot na organikong molekula kaya mas madali itong makonsumo ng mga mikrobyo. Ipinakikita ng mga eksperimento na binabago ng mga komunidad ng mikrobyo ang kanilang mga prosesong metaboliko upang mapakinabangan ang carbon na pinahina ng sikat ng araw at gawing mas maraming CO2 ang bahagi nito. Nagtutulungan ang hydrology, liwanag, at biyolohiya upang mailipat sa sistema ang sinaunang carbon kapag nagsimula na ang pagkatunaw.

Mahalaga rin ang iba pang salik. Madalas na may kasabay na pagbabago sa halumigmig ng lupa ang pag-init nito, at kung minsan ay nadaragdagan din ito ng nitrogen mula sa atmospera o mga lokal na pinagmumulan. Ipinakita ng mga eksperimento sa mga lupa ng peatland na may permafrost na nagpapataas ng emisyon ng CO2 ang pag-init at maaari nitong palakasin ang aktibidad ng mga methanogen at iba pang grupo ng mikrobyo. Maaari pang baguhin ng dagdag na nitrogen ang mga komunidad ng mikrobyo at daloy ng gas, kabilang ang nitrous oxide, isa pang malakas na greenhouse gas. Ipinakikita ng mga ugnayang ito na hindi iisang proseso lamang ang tugon ng natutunaw na lupa, kundi magkakaugnay na mga prosesong nag-iiba depende sa tanawin.

Ano pa ang hindi alam ng mga siyentista

Ang mga mikrobyo ang nagtutulak sa pagbabago ng carbon sa permafrost tungo sa mga gas, ngunit mahirap pa ring hulaan ang magiging kilos ng mga ito sa malawakang saklaw. Saklaw ng permafrost ang napakalawak at sari-saring mga lupain, mula sa tuyong matataas na lugar hanggang sa mga peatland na puno ng tubig, at mula sa mga lupang mineral hanggang sa makakapal na organikong suson. Nagkakaiba ang mga kondisyon kahit sa pagitan ng mga lugar na ilang metro lamang ang layo. Inilahad ng isang dekada ng mga molekular na pag-aaral ang kamangha-manghang pagkakaiba-iba ng mga mikrobyo, ngunit hamon pa rin ang paggamit ng mga talaan ng gene upang makagawa ng maaasahang pagtataya sa emisyon ng gas. Bumubuo ang mga mananaliksik ng mga modelong pinagsasama ang daloy ng init, halumigmig ng lupa, hydrology, at metabolismo ng mga mikrobyo upang mailarawan ang buong proseso mula pagkatunaw hanggang paglabas ng emisyon. Hirap pa rin ang maraming modelo na gayahin ang biglaang pagkatunaw, pahalang na paggalaw ng tubig at carbon, at mga pagkaantalang ipinakita sa mga bagong eksperimento sa muling paggising ng mga mikrobyo.

Kulang din ang mga sukat sa mga panahong mahirap marating at sa mga lugar na mahirap puntahan. Maaaring magkaiba ang mga paraang nagsisimula sa mga lokal na sukat ng daloy ng carbon at pinalalawak ito sa rehiyon gamit ang mga tore kumpara sa mga pagtatayang mula sa itaas na gumagamit ng mga satellite at sasakyang panghimpapawid. Kadalasang nagmumula ang mga pagkakaiba sa kakulangan ng datos sa taglamig, kawalang-katiyakan tungkol sa mga basang lupa at lawa, at nagbabagong epekto ng mga sunog sa kagubatan. Pinabubuti ng mas mahusay na pagsasama-sama ng mga pamamaraan ang pag-unawa sa larawan, ngunit malawak pa rin ang saklaw ng mga pagtataya sa emisyon.

May isa pang alalahaning hiwalay sa usapin ng klima. Natural na nagbubunsod ng mga tanong tungkol sa kaligtasan ang ideya ng muling pagpapagising sa mga sinaunang mikrobyo. Gumagamit ang pananaliksik na nagpapagising sa mga mikrobyo ng maliliit at kontroladong sample, kasabay ng mga karaniwang pag-iingat sa laboratoryo. Napakaliit ng saklaw ng gawaing laboratoryo kumpara sa napakalawak na bahagi ng permafrost na kusang natutunaw tuwing tag-araw. Ang panganib sa klima ay nagmumula sa mga greenhouse gas na inilalabas ng mga mikrobyong iyon sa kalikasan, hindi sa mga mikrobyong ginagamit sa laboratoryo. Dahil dito, dapat pagtuunan ang pagsubaybay at pagbabawas ng pag-init upang mas kaunting nagyelong lupa ang umabot sa puntong natutunaw pana-panahon.

Mga Dapat Malaman

• Maaaring magising ang mga sinaunang mikrobyo sa Arctic matapos ang isa hanggang anim na buwang init at halumigmig, saka maglabas ng CO2 at methane habang tinutunaw ang organikong materyal na matagal nang nagyelo.
• Naglalaman ang mga lupa sa mga rehiyong may permafrost ng humigit-kumulang 1,460 hanggang 1,600 bilyong tonelada ng organikong carbon, halos doble ng dami sa atmospera.
• Nagmula sa Permafrost Research Tunnel malapit sa Fairbanks, Alaska, ang mga sinaunang sample na nagpakita ng malaking muling pagdami ng mga mikrobyo matapos ang anim na buwang pagpapainit.
• Pinahahaba ng pag-init sa Arctic ang panahon ng pagkatunaw, na mas mahalaga sa muling paggising ng mga mikrobyo kaysa sa maiikling bugso ng init.
• Ipinahihiwatig ng mga kamakailang obserbasyon na netong pinagmumulan na ng carbon sa atmospera ang hilagang rehiyong may permafrost kapag isinama ang mga pagkalugi sa malamig na panahon.
• Pinapaboran ng mga lawa at basang lupa ang paglabas ng methane, samantalang mas maraming CO2 ang karaniwang inilalabas ng mas tuyong lupa; kapwa nagpapainit ang mga gas na ito sa magkakaibang tagal.
• Itinaas sa mga bagong pag-aaral ang mga pagtataya sa pagkalugi ng carbon sa taglamig, na bumabawi sa malaking bahagi ng carbon na sinisipsip ng mga halaman tuwing tag-araw.
• Pinadadali ng sikat ng araw para sa mga mikrobyo na tunawin ang carbon mula sa natunaw na permafrost, kaya bumibilis ang paglabas ng CO2 sa mga sapa at lawa.
• Malaki pa rin ang kawalang-katiyakan dahil malaki ang pagkakaiba-iba ng mga komunidad ng mikrobyo at kondisyon ng lupa, at hirap pa rin ang mga modelo sa biglaang pagkatunaw at pana-panahong pagbabago.
• Ang pangunahing panganib sa publiko ay ang pag-init ng klima dahil sa pagdami ng greenhouse gas, hindi ang paghawak sa mga sinaunang mikrobyo sa laboratoryo, na mahigpit na kinokontrol at maliit ang saklaw.