Topnienie lodowców na Arktyce: bakterie odpowiedzialne za efekt cieplarniany

Topnienie wiecznej zmarzliny, czyli tych gleb zamrożonych na wysokich wysokościach, budzi strach, z powodu uwalniania metanu, jakie się z tym wiąże. Czy powinniśmy się obawiać przyśpieszenia efektu cieplarnianego? Aby lepiej to zrozumieć i aby znaleźć odpowiedź, biolodzy poprosili o współpracę ekosytem mikrobowy, który jest głównym czynnikiem tego zjawiska, wraz z potężnym narzędziem genetycznym, czyli metagenomiką.

Odpowiedź: bakterie modyfikują swoje funkcjonowanie tak, aby absorbować metan, ale wyrzucają dwutlenek węgla oraz podtlenek azotu.

Skąd się biorą te gazy?

Topnienie wiecznej zmarzliny, znanej również pod angielską nazwą permafrost, może uwolnić wielkie ilości węgla, który, trawiony przez bakterie również uwięzione w sercu lodowca, doprowadzi do powstawania wielu silnych gazów cieplarnianych. Tak przynajmniej ujawnia badanie opublikowane w naukowym Nature.

Według wielu obliczeń, wieczna zmarzlina ma zawierać około 1 672 petagramów (Pg) węgla (1 petagram to 10 do potęgi 12 kilograma, co się równa milardowi ton), co ma być ekwiwalentem węgla zawartego w atmosferze i na łonie roślin lądowych.

W miarę tego, jak zmarzlina ta się topi, pod wpływem ocieplenia klimatycznego, bakterie, które są w niej uwięzione, uwalniają do atmosfery związki węgla przez swój metabolizm. Produkty te dodają się do tych, które już zostały syntezowane przez bakterie, ale które zostały zablokowane wewnątrz lodu. Chodzi tutaj o gazy cieplarniane: metan (CH4) i dwutlenek węgla (CO2).

Aby więc zaobserwować w momencie, kiedy ziemia rozmarza, naukowcy z Kalifornii przeprowadzili tak zwane rdzeniowanie (rdzeniowanie to proces, który ma na celu uzyskanie i wydobycie rdzeni wiertniczych, które są zazwyczaj fragmentem przewiercanego profilu geologicznego), a następnie pozostawili je do stopnienia w laboratorium, mierząc jednocześnie ilość gazu uwalnianego w miarę topnienia.

Uwalnianie gazu cieplarnianego

W czasie pierwszych dni, została uwolniona wielka objętość metanu: tego, który był uwięziony w lodzie. Następnie, mikroorganizmy same z siebie uwolniły i syntezowały dwutlenek węgla, który jest owocem konsumpcji metanu, którego ilości uwalniane do atmosfery się zmniejszają.

To właśnie metagenomika pozwoliła naukowcom opracować scenariusz oraz określić jego autorów. Proces ten polega na sekwencjonowaniu DNA nie jednego organizmu, ale całego środowiska, aby przeprowadzić rodzaj syntezy genomu tego miejsca. Przeprowadzając analizy w różnych okresach (przed odmrożeniem, dwa dni później, siedem dni później), możliwe było zrekonstruowanie również dynamiki populacji, albo jeszcze ewolucji ekspresji genów organizmów tam obecnych, z biegiem czasu, na łonie tego ekosystemu.

Analizując metagenom ekosystemu uwięzionego w sercu zamrożonej ziemi, badacze mogli udowodnić obecność wielu bakterii (między innymi mikroorganizmami), z których niektóre są zdolne do transformowania metanu w dwutlenek węgla, podczas gdy inne są odpowiedzialne za syntezę metanu (prawdopodobnie nowy gatunek).

A to wyjaśnia uwalnianie tych dwóch gazów w momencie topnienia lodu (CO2 et CH4). Metan jest gazem, który prowokuje efekt cieplarniany o wiele większy niż efekt prowokowany przez dwutlenek węgla (nawet 25 razy większy). Ta transformacja więc w CO2 prowadzi do mniejszego efektu cieplarnianego. Ale bilans jest sprawą bardzo delikatną.

Gaz rozweselający: problem średnio śmieszny

W rzeczywistości, bakterie metanogenne, po rozmrożeniu, modyfikują ekspresję swoich genów. Denitryfikacja jest procesem, który składa się z wielu etapów: redukcja azotanu, która powoduje powstawanie podtlenku azotu (N2O), który następnie przetwarzany jest w azot (N2).

Ale po rozmrożeniu, więcej azotanów jest zredukowanych, podczas gdy tyle samo podtlenku azotu jest przetwarzane w azot. Podtlenek azotu (gaz rozweselający) jest gazem o ekstremalnie silnym efekcie cieplarnianym. Poza tym, niszczy on warstwę ozonową.

Analiza metagenomiczna wiecznej zmarzliny oraz jej powierzchni dostarcza wielu informacji, które naukowcy mogą użyć, aby opracować bardziej kompleksowe scenariusze. A w tym przypadku, można również przewidzieć ilości gazu uwalnianego w momencie topnienia wiecznej zmarzliny. Technika ta pozwala również określić biorące w tym udział czynniki, a także udowodnić ich umiejętność adaptacji do środowiska.

W przypadku tego badania, metagenomika oferuje również wizję katastrofy, ktora nas czeka, jeżeli wieczna zmarzlina naprawdę się roztopi. A jeśli nawet ilość wyrzucanego metanu zdaje się być mniejsza, niż to przewidywano, to kompensuje ją ilość innych gazów, o bardzo silnym efekcie cieplarnianym.