Российские ученые считают, что потеплению климата могут помешать микробы

Российские ученые из Центра научных исследований и разработок (ЦНИР), Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПбГУПТД) и Института проблем машиноведения РАН вместе с зарубежными коллегами из Калифорнийского и Говардского университетов (США) пришли к выводу, что высокое разнообразие микроорганизмов, населяющих зону вечной мерзлоты, может значительно снизить скорость потепления атмосферы у поверхности Земли.

С 1750 по 2020 год средняя температура у поверхности Земли выросла примерно на один градус, однако в зонах вечной мерзлоты только за последние 70 лет территории прогрелись в среднем на целых четыре градуса. Это объясняется тем, что, когда мерзлота тает, в почве создаются благоприятные условия для развития микробных сообществ, которые перерабатывают оттаивающий древний углерод в метан. Этот парниковый газ, в свою очередь, попадает в атмосферу и способствует дальнейшему потеплению.

При этом метан опаснее углекислого газа с точки зрения потепления, поскольку для того, чтобы температура поднялась, условно, на один градус, его требуется в 17 раз меньше. Таким образом, микробная активность в зоне вечной мерзлоты может влиять на темпы потепления, однако она до сих пор не учитывается в существующих прогнозах.

Член научного коллектива проекта, поддержанного грантом РНФ, профессор СПбГУПТД, доктор химических наук Елена Сашина проанализировала, что объем выделяемого с поверхности болот вечной мерзлоты метана определяется двумя процессами: скоростью его синтеза и окисления. «На эти процессы влияет множество факторов: климатических — температуры воздуха и почвы, эдафических — уровня болотных вод и содержания в них органического углерода. Но прежде всего за появление метана ответственно сообщество микроорганизмов, деятельность которых определяется биохимическими процессами. В частности, из отложений вечной мерзлоты выделены бактерии, микроводоросли, дрожжи и мицелиальные грибы, которые используют различные стратегии выживания и адаптируются к экстремально низким температурам. Оттаивание вечной мерзлоты запускает деятельность метаногенов по генерированию метана, выделение тепла при этом еще больше способствует разогреву вечной мерзлоты и ускоряет биохимический процесс. Однако для каждого вида бактерий существует своя оптимальная температура жизнедеятельности, и, как удалось доказать строго математически, при количестве видов бактерий более трех опасность резкого выброса парникового газа снижается», — рассказывает профессор.

Член научного коллектива проекта, поддержанного грантом РНФ, профессор Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна, доктор химических наук Елена Сашина

Исследователи проанализировали, как число видов почвенных микроорганизмов влияет на скорость таяния вечной мерзлоты и темпы потепления. Авторы использовали так называемую математическую модель Гуди, имитирующую динамику атмосферы планеты.

В этой модели атмосфера рассматривается как набор отдельных ячеек, в которых циркулирует воздух: внизу, у поверхности Земли, он нагревается, после чего поднимается вверх, далее охлаждается и вновь возвращается к Земле. Чтобы понять, как на эту систему влияет метан, выделяемый микроорганизмами вечной мерзлоты, авторы расширили модель Гуди, введя в нее математические функции, которые описывают поступление синтезированного бактериями парникового газа.

Ученые рассмотрели два случая: когда разнообразие микробов вечной мерзлоты низкое и когда оно, напротив, высокое. При этом авторы учитывали, что для каждого вида микроорганизмов характерна своя температура, оптимальная для жизнедеятельности. То есть, когда вечная мерзлота тает и температура грунта достигает оптимального значения, бактерии начинают активно расти и выделять большое количество метана.

Расчеты показали, что, если разнообразие микроорганизмов не превышает трех видов (а это значит, что оптимальная для них температура примерно одна та же), система оказывается очень неустойчивой. Именно в этом случае следует ожидать начала массового выброса метана в атмосферу и, следовательно, резкого потепления. Когда же видов бактерий много, оптимальные для них температуры различаются, и резкого выделения парникового газа не будет.

Кроме того, как отмечают авторы, при высоком микробном разнообразии рассматриваемая система оказывается стабильна еще и потому, что разные виды конкурируют между собой и частично подавляют рост друг друга. Это также препятствует интенсивному росту отдельных популяций и массовому выбросу метана.

«Нам удалось доказать, что момент, в который может произойти резкий скачок температуры у поверхности Земли, зависит от микробного разнообразия. Оно определяется влажностью, температурой, содержанием питательных веществ и кислотностью почвы. И, хотя на микробное разнообразие мы не можем повлиять, обнаруженную нами зависимость нужно учитывать при разработке прогнозов потепления», — отметила участник проекта, поддержанного грантом РНФ, старший научный сотрудник ЦНИР Елена Савенкова.