Mikrob Purba Artik Kembali Aktif dan Boleh Mempercepat Pemanasan

Mengapa mikrob purba penting sekarang

Di dalam tanah beku di seluruh Artik, mikrob yang terakhir memakan tumbuhan dan haiwan purba puluhan ribu tahun lalu kini kembali aktif. Eksperimen makmal menggunakan sampel permafrost dari kawasan pedalaman Alaska menunjukkan bahawa komuniti mikrob dorman, sesetengahnya berusia sehingga 40,000 tahun, boleh kembali aktif dalam tempoh beberapa bulan jika keadaan kekal panas dan lembap. Setelah aktif, mikrob ini menguraikan bahan organik yang lama membeku lalu membebaskan karbon dioksida dan metana, dua gas yang memerangkap haba. Proses ini menambah dorongan baharu kepada pemanasan iklim dan meningkatkan risiko pencairan permafrost menjadi semakin pantas dalam kitaran yang saling memperkuat.

Permafrost ialah tanah yang kekal beku sekurang-kurangnya dua tahun berturut-turut. Ketebalannya boleh jadi hanya satu meter atau mencecah ratusan meter, memerangkap karbon purba daripada ekosistem tundra dan boreal yang telah lama lenyap. Lapisan atasnya sering mencair pada musim panas, tetapi lapisan yang lebih dalam kekal tertutup sejak zaman ais terakhir. Penyelidikan baharu menunjukkan bahawa jika musim panas menjadi lebih panjang dan musim aktif berlanjutan hingga musim bunga dan luruh, mikrob jauh di dalam permafrost juga boleh menjadi penghuni sementara kitaran karbon moden.

Tempoh ini amat penting. Artik memanas kira-kira dua kali lebih pantas berbanding purata global, dan musim pencairan semakin panjang. Para saintis mengukur peningkatan pelepasan gas rumah hijau dari landskap utara pada musim luruh, sejuk dan bunga, iaitu tempoh ketika tumbuhan sebahagian besarnya dorman. Apabila pelepasan di luar musim ini diambil kira, rantau itu kelihatan menjadi sumber karbon bersih kepada atmosfera dalam banyak tahun kebelakangan ini. Kebangkitan mikrob purba akan menambah beban tersebut.

Penemuan daripada terowong permafrost Alaska

Bagi mengkaji kadar mikrob kembali aktif, penyelidik mengumpulkan teras tanah beku dari Terowong Penyelidikan Permafrost berhampiran Fairbanks, Alaska. Terowong itu terletak kira-kira 50 kaki di bawah permukaan dan memanjang lebih 350 kaki ke dalam tanah beku yang menyimpan rekod terperinci landskap Pleistosen Akhir. Tempat ini jarang ditemui kerana membolehkan para saintis mengambil sampel tanah dan ais purba yang utuh, yang kekal beku selama beribu-ribu tahun.

Alaska merupakan kawasan kajian yang ideal kerana permafrost meliputi sebahagian besar negeri itu. Dinding beku terowong tersebut memperlihatkan lapisan kelodak, pasir dan tanah kaya bahan organik, bersama ais tanah yang terbentuk ketika tanah membeku. Banyak lapisan ini mengandungi bahan tumbuhan dan haiwan tertimbus yang sebahagian besarnya masih belum diuraikan oleh mikrob. Apabila pencairan membekalkan air dalam bentuk cecair dan suhu melebihi takat beku, komuniti mikrob yang lama tidak aktif itu mendapat bahan yang diperlukan untuk memulakan semula metabolisme.

Bagaimana saintis menghidupkan semula mikrob zaman ais

Di makmal, cebisan kecil permafrost purba dilembapkan dan dieram pada suhu yang dipilih untuk mewakili musim panas Alaska masa kini dan masa depan. Penyelidik menggunakan air yang diperkaya dengan deuterium, bentuk hidrogen yang lebih berat, supaya sebarang pertumbuhan mikrob baharu akan menunjukkan tanda atom yang dapat dikesan. Selepas sebulan, hanya sebilangan kecil sel menunjukkan tanda aktiviti, menandakan proses pengaktifan semula berlaku secara perlahan. Selepas enam bulan pada suhu yang lebih panas, keadaannya berubah dengan ketara. Komuniti mikrob berubah susunannya, lapisan biofilem yang dapat dilihat terbentuk, dan mikrob yang kembali aktif berkelakuan hampir sama seperti mikrob moden.

Pengaktifan semula dalam keadaan sejuk, dijejak atom demi atom

Kaedah pelabelan deuterium membolehkan saintis mengesan pertumbuhan tanpa membuat andaian. Apabila mikrob membina membran sel baharu atau molekul lain, mereka menambah atom hidrogen. Jika atom itu ialah deuterium, alat pengukur dapat mengesan tanda yang lebih berat itu dan mengesahkan bahawa pertumbuhan berlaku hasil eksperimen, bukannya pencemaran. Data dari Alaska menunjukkan bahawa mikrob tidak kembali aktif serta-merta. Banyak mikrob kelihatan mengambil masa berminggu-minggu untuk menyesuaikan diri, kemudian menyusun semula komuniti dan membiak hanya selepas tempoh panas yang berpanjangan. Kelewatan ini menunjukkan mengapa musim pencairan yang lebih panjang mungkin lebih bererti berbanding satu episod cuaca panas.

Perubahan selepas berbulan-bulan dalam keadaan panas

Penemuan utama kajian ini ialah tempoh yang diperlukan untuk mikrob kembali aktif. Eksperimen menunjukkan bahawa sesetengah komuniti purba mengambil masa kira-kira satu hingga enam bulan dari saat pencairan untuk mencapai aktiviti penuh. Dalam iklim semasa, sesetengah kawasan Artik sudah berada di atas takat beku untuk tempoh yang sama setiap tahun. Unjuran iklim menunjukkan musim pencairan akan menjadi lebih panjang. Tempoh panas yang lebih lama memberikan mikrob masa yang cukup untuk membina semula membran, membaiki kerosakan akibat pembekuan dan mengaktifkan enzim yang diperlukan untuk menguraikan karbon kompleks. Setelah mekanisme itu berfungsi, mikrob boleh dengan cepat menukarkan bahan organik beku kepada gas karbon.

Tempoh ini juga membantu menjelaskan corak lebih luas yang dikesan melalui pengukuran lapangan. Banyak kawasan tundra menyerap karbon dioksida semasa musim pertumbuhan musim panas yang singkat, ketika tumbuhan aktif. Keuntungan itu semakin diimbangi oleh kehilangan karbon sepanjang baki tahun apabila mikrob terus berespirasi. Kehadiran mikrob yang baru kembali aktif dan menguraikan karbon purba menambah kehilangan di luar musim, lalu boleh menyebabkan landskap itu menjadi sumber pelepasan bersih.

Daripada simpanan karbon beku kepada pelepasan gas rumah hijau

Permafrost sering digambarkan sebagai simpanan karbon gergasi. Ia terbentuk apabila keadaan sejuk menghalang penguraian lengkap sisa tumbuhan dan haiwan, yang kemudiannya terkumpul lalu membeku. Pencairan membuka simpanan itu. Dalam tanah yang kaya dengan oksigen, mikrob membebaskan karbon terutamanya sebagai karbon dioksida (CO2). Dalam persekitaran bertakung air atau kurang oksigen seperti tanah gambut, tanah lembap dan dasar tasik cair, mikrob khusus yang dipanggil metanogen menghasilkan metana (CH4).

CO2 berbanding metana

Metana memerangkap jauh lebih banyak haba berbanding karbon dioksida dalam tempoh beberapa dekad, walaupun ia terurai lebih cepat di atmosfera. Karbon dioksida kurang kuat kesannya bagi setiap molekul, tetapi kekal selama berabad-abad. Imbangan CO2 dan metana daripada tanah yang mencair bergantung pada keadaan setempat. Tanah yang lebih kering dan mempunyai saliran lebih baik menghasilkan lebih banyak pelepasan CO2. Tanah tepu air dan tasik cair pula menghasilkan lebih banyak metana. Penyelidikan terkini di Alaska dan barat Kanada menunjukkan bahawa hutan boleh menyerap sedikit lebih banyak CO2 daripada yang dilepaskan semasa tempoh pertumbuhan aktif. Namun, keuntungan itu diimbangi oleh metana daripada tanah lembap dan tasik, kebakaran serta respirasi pada musim sejuk. Imbangan keseluruhan gas rumah hijau rantau itu masih menunjukkan sumbangan kepada pemanasan dalam beberapa dekad akan datang.

Berapakah jumlah karbon yang mungkin dilepaskan

Tanah di kawasan permafrost utara menyimpan jumlah karbon organik yang amat besar, kira-kira 1,460 hingga 1,600 bilion tan metrik. Jumlah itu kira-kira dua kali ganda karbon yang kini berada di atmosfera. Kebanyakan simpanan itu terletak dalam lapisan tiga meter teratas, tetapi sebahagian besarnya berada lebih dalam, terperangkap dalam mendapan kaya ais dan mendapan loes purba yang dikenali sebagai Yedoma. Anggaran karbon dalam mendapan Yedoma dalam ini berkisar antara 327 hingga 466 bilion tan. Delta sungai Artik menambah kira-kira 96 bilion tan lagi. Pencairan beransur-ansur dari permukaan ke bawah akan mendedahkan sebahagian besar simpanan yang hampir dengan permukaan dari semasa ke semasa. Pencairan mendadak berlaku apabila tanah kaya ais runtuh lalu membentuk lekukan dan tasik termokarst, dan boleh menggerakkan lapisan yang lebih dalam dalam satu musim sahaja.

Pengukuran fluks menunjukkan bahawa kumpulan karbon gergasi ini sudah mula menambah kandungan karbon di atmosfera. Pemerhatian baharu di peringkat rantau dan pada musim sejuk menunjukkan bahawa ekosistem kawasan permafrost melepaskan secara bersih 0.3 hingga 0.6 bilion tan karbon setahun sebagai karbon dioksida apabila kehilangan pada musim sejuk diambil kira. Kempen pengukuran menggunakan pesawat di Alaska menganggarkan bahawa tundra secara konsisten menjadi sumber karbon, manakala hutan boreal berubah-ubah antara hampir neutral dengan serapan sederhana bergantung pada kebakaran dan cuaca. Dalam sesetengah analisis, anggaran pelepasan musim sejuk telah dinaikkan dua hingga tiga kali ganda apabila lebih banyak penderia digunakan untuk mengukur tempoh sejuk yang panjang, ketika tumbuhan tidak aktif tetapi mikrob terus bekerja. Hasil ini selaras dengan kemungkinan bahawa maklum balas daripada pencairan permafrost sudah pun berlaku.

Bolehkah tumbuhan dan musim sejuk mengimbangi pelepasan ini

Setiap musim panas, tumbuhan di tundra dan hutan boreal menyerap karbon dioksida melalui fotosintesis dan menyimpan sebahagiannya sebagai biojisim serta bahan organik tanah yang baharu. Di kawasan hutan yang sihat dan tanah lembap, kadar serapan itu boleh jadi tinggi. Masalahnya, musim sejuk di Artik amat panjang. Respirasi mikrob berterusan pada kadar rendah sepanjang sebahagian besar tahun, termasuk di bawah salji. Selama 250 hari atau lebih, kehilangan kecil setiap hari itu boleh mengimbangi sebahagian besar atau semua keuntungan pada musim panas.

Keupayaan mikrob menyesuaikan diri menambah cabaran. Kajian di Svalbard dan kawasan Artik lain menunjukkan bahawa mikrob dalam lapisan atas yang mencair secara bermusim telah menyesuaikan diri dengan baik kepada keadaan sejuk. Mikrob ini menghasilkan enzim yang berfungsi dengan cekap pada suhu rendah dan boleh menggunakan pelbagai sebatian karbon. Sesetengahnya juga boleh menyerap CO2 secara langsung dalam keadaan tertentu, walaupun laluan itu kecil berbanding jumlah karbon yang dilepaskan melalui penguraian. Tanah lembap dan tanah gambut boleh kekal sebagai penyerap karbon bersih dari segi berat, dengan mengumpulkan gambut selama berabad-abad, namun kawasan itu tetap melepaskan metana yang kuat kesan pemanasannya. Secara keseluruhan, data terkini menunjukkan serapan tumbuhan di seluruh rantau itu tidak dapat mengimbangi sepenuhnya peningkatan kehilangan melalui respirasi dan metana daripada tanah yang mencair.

Mengapa tempoh, bukan sekadar suhu, mengubah risiko

Penemuan makmal baharu ini menyoroti kepentingan panjang musim. Mikrob yang dorman selama beribu-ribu tahun mungkin memerlukan masa berminggu-minggu hingga berbulan-bulan untuk membaiki diri dan menyusun semula sebelum membiak. Musim pencairan yang lebih panjang memberi mereka masa itu. Hari-hari panas semata-mata kurang penting berbanding pencairan musim bunga yang bermula lebih awal dan pembekuan musim luruh yang berlaku lebih lewat. Rekod iklim sudah menunjukkan perubahan itu sedang berlaku di banyak lokasi Artik.

Cahaya matahari juga berperanan mempercepat pelepasan karbon sebaik sahaja permafrost terganggu. Pencairan boleh membawa karbon tanah ke dalam sungai dan tasik, lalu mendedahkannya kepada cahaya matahari. Tindak balas fotokimia melemahkan molekul organik yang kompleks, menjadikannya lebih mudah dimakan oleh mikrob. Eksperimen menunjukkan bahawa komuniti mikrob mengubah mekanisme metabolisme mereka untuk memanfaatkan karbon yang dilemahkan cahaya matahari, lalu menukarkan lebih banyak karbon itu kepada CO2. Hidrologi, cahaya dan biologi bekerjasama untuk menggerakkan karbon purba melalui sistem sebaik sahaja pencairan bermula.

Faktor lain turut penting. Tanah yang lebih panas sering mengalami perubahan kelembapan, dan kadangkala menerima tambahan nitrogen daripada pemendapan atmosfera atau sumber setempat. Eksperimen terhadap tanah gambut permafrost menunjukkan bahawa pemanasan meningkatkan pelepasan CO2 dan boleh meningkatkan aktiviti metanogen serta kumpulan mikrob lain. Nitrogen tambahan boleh mengubah komuniti mikrob dan fluks gas dengan lebih lanjut, termasuk nitrus oksida, iaitu satu lagi gas rumah hijau yang kuat. Interaksi ini menunjukkan tindak balas tanah yang mencair bukan satu proses tunggal, tetapi beberapa proses yang saling berkaitan dan berbeza mengikut landskap.

Perkara yang masih belum diketahui saintis

Mikrob ialah penggerak yang menukarkan karbon permafrost kepada gas, namun tingkah laku masa depan mikrob ini masih sukar diramal pada skala besar. Permafrost meliputi kawasan yang luas dan beraneka, daripada tanah tinggi yang kering hingga tanah gambut yang bertakung air, serta daripada tanah mineral hingga lapisan organik tebal, dengan keadaan yang boleh berbeza dalam jarak beberapa meter. Penyelidikan molekul selama sedekad telah mendedahkan kepelbagaian yang luar biasa, namun penggunaan katalog gen untuk menghasilkan ramalan pelepasan gas yang boleh dipercayai masih merupakan cabaran. Para penyelidik sedang membina model yang menggabungkan aliran haba, kelembapan tanah, hidrologi dan metabolisme mikrob bagi menggambarkan keseluruhan proses daripada pencairan hingga pelepasan. Banyak model masih sukar mensimulasikan pencairan mendadak, pergerakan sisi air dan karbon, serta tempoh kelewatan yang ditunjukkan dalam eksperimen kebangkitan mikrob baharu ini.

Pengukuran juga masih terhad pada musim dan di tempat yang sukar dikunjungi. Kaedah dari bawah ke atas yang mengunjurkan fluks setempat yang diukur menara ke seluruh rantau boleh berbeza daripada anggaran dari atas ke bawah menggunakan satelit dan pesawat. Perbezaan itu sering berpunca daripada kekurangan data musim sejuk, ketidakpastian tentang tanah lembap dan tasik, serta perubahan kesan kebakaran hutan. Penyepaduan pendekatan yang lebih baik sedang memperjelas gambaran keseluruhan, namun anggaran pelepasan masih mempunyai julat yang luas.

Satu lagi kebimbangan berada di luar imbangan iklim. Kemungkinan mikrob purba kembali aktif secara semula jadi menimbulkan persoalan tentang keselamatan. Penyelidikan yang mengaktifkan mikrob menggunakan sampel kecil yang dikawal rapi serta langkah keselamatan makmal standard. Skala kerja makmal amat kecil berbanding kawasan permafrost yang sangat luas dan mencair sendiri setiap musim panas. Risiko iklim berpunca daripada gas rumah hijau yang dihasilkan mikrob tersebut di alam liar, bukannya strain di makmal. Hakikat ini menumpukan perhatian kepada pemantauan dan usaha mengurangkan pemanasan supaya kurang tanah beku mencapai ambang pencairan bermusim.

Perkara Penting

• Mikrob purba Artik boleh kembali aktif selepas satu hingga enam bulan dalam keadaan panas dan lembap, kemudian melepaskan CO2 dan metana ketika menguraikan bahan organik yang lama membeku.
• Tanah di kawasan permafrost menyimpan kira-kira 1,460 hingga 1,600 bilion tan karbon organik, iaitu lebih kurang dua kali ganda jumlah karbon di atmosfera.
• Terowong Penyelidikan Permafrost berhampiran Fairbanks, Alaska, membekalkan sampel purba yang menunjukkan kebangkitan mikrob yang ketara selepas enam bulan dieram dalam keadaan panas.
• Pemanasan Artik memanjangkan musim pencairan, yang lebih penting kepada pengaktifan semula mikrob berbanding lonjakan suhu tinggi yang singkat.
• Pemerhatian terkini menunjukkan kawasan permafrost utara sudah menjadi sumber karbon bersih kepada atmosfera apabila kehilangan pada musim sejuk diambil kira.
• Tasik dan tanah lembap menggalakkan pelepasan metana, manakala tanah yang lebih kering cenderung melepaskan lebih banyak CO2. Kedua-dua gas menyumbang kepada pemanasan dalam tempoh yang berbeza.
• Anggaran kehilangan karbon pada musim sejuk telah dinaikkan dalam kajian baharu, sekali gus mengimbangi sebahagian besar serapan karbon musim panas oleh tumbuhan.
• Cahaya matahari menjadikan karbon daripada permafrost yang mencair lebih mudah digunakan oleh mikrob, lalu mempercepat pelepasan CO2 di sungai dan tasik.
• Ketidakpastian masih tinggi kerana komuniti mikrob dan keadaan tanah sangat berbeza-beza, manakala model masih sukar menggambarkan pencairan mendadak dan dinamik bermusim.
• Risiko utama kepada orang ramai ialah pemanasan iklim akibat peningkatan gas rumah hijau, bukannya pengendalian mikrob purba di makmal yang dikawal ketat dan berskala kecil.