气候变暖，北极冰封的细菌解冻将会怎样危害地球上

中国北京时间 9 月 19 日信息，北极地区的冻土层是地球上较大的碳储藏库之一。在分子生物学研究的协助下，生物学家正逐渐表明病菌和古菌在这种冻土层解除冻结时造成的危害。

到2020年 5 月时，德国北边的温度将上升至零上多次，到时候专家将再度前去斯托达伦沼泽（Stordalen Mire）绵软的泥炭地。她们会徒步越过下移的木工板路，历经一个个置放在羊胡子草丛里的全透明有机玻璃板箱。

在沼泽短暂性的植物的生长时节，每过三小时，夹层玻璃箱的外盖就汇合上，使其內部充满了从下边土壤层中外渗的甲烷。它是一种强劲的空气污染物。15 分鐘后，甲烷汽体将根据迷宫般的管路进到周边的托车，供生物学家开展剖析。

此外，专家也有着更加繁杂的工作中。她们将金属材料芯打进浓稠的沙浆中，取下试品带到试验室。在试验室里，她们将根据高通量测序来研究造成甲烷的微生物。在相关永久冻土微生物的各类研究中，这一被称作 “IsoGenie”的新项目是经营规模较大、运作時间最多的现场研究之一。该新项目创始人、美国亚利桑那大学的生物学家斯金斯 · 鲁普斯卡说：“大家把生态学和微生物生物学的精确测量結果放到一起，它是2个彻底不一样的行业，期待能为此发觉新的物品。”

几十年前，斯托达伦沼泽被永久冻土遮盖，但现如今，因为全球气温升高，其绝大多数早已衰退为沼泽和爬满草青的湿地公园，并产生了被称作 “泥炭土丘”（palsa）的膨胀土突起土丘。泥炭土丘中的永久冻土仍有一部分被干躁的泥炭土阻隔。伴随着泥炭土丘的不断溶化，专家迫不及待地要想纪录其內部微生物生态系统的转变。

在人类的历史的绝大多数時间里，永久性冻土层一直是地球上较大的陆上碳汇，很多新世纪至今一直将绿色植物和小动物化学物质锁定在其中。现阶段永久性冻土层存储了大概 16000 亿多吨碳，是空气中碳成分的二倍之上。殊不知，因为温度升高，永久性冻土层正慢慢裂开和消退，造成 地形地貌产生极大的转变。

专家愈来愈担忧永久性冻土层的溶化将为病菌和古菌的主题活动出示巨大的资源优势，从而造成很多的二氧化碳和甲烷。虽然长期以来，研究者明确提出的气侯实体模型一直都将北极圈永久冻土和北极圈湖水的碳排放量工作能力考虑到以内，但在其中的微生物主题活动非常大水平上仍鲜为人知。生物学家觉得，这种活动会与生态体系的物理学特点同歩转变，包含溫度和环境湿度等。

伴随着生物学家的研究慢慢深层次，有关的发觉逐渐露出水面。比如，过渡永久冻土自然环境中关键微生物的类型会危害其排出的空气污染物种类；北极圈湖水对气候问题的反映很有可能比预估的更为比较敏感，这也在于日常生活在其中的微生物种类；在一些地域，土壤层中铁集团和别的营养元素的可得性也会加快空气污染物的造成。

虽然全球气候变暖对地形地貌更改的实际危害体制尚不清楚，许多关键难题也并未获得解释（如土壤层中病毒的作用），但针对微生物数据信息的搜集使大家对永久性冻土层中产生的一切拥有更全方位的观点，这使大家看到了永久性冻土层的內部状况，在永久性冻土层系统软件中，（对微生物的研究）是一项急迫的要求，由于这种系统软件已经大家眼下溶化。

悠长的历史时间

现阶段有多个研究新项目已经研究溶化的永久性冻土层中的微生物。在其中一些，比如 “阿拉斯加犬泥炭地试验”（Alaska Peatland Experiment）新项目，所研究的微生物生态系统自然环境类似斯托达伦的富碳土壤层。另一个工程项目是 “下一代生态体系试验——北极圈”（Next-Generation Ecosystem Experiment — Arctic），已经对矿物质丰富多彩的阿拉斯加犬北坡地区开展研究。还有一个称之为 “永久性冻土层隧道施工”（Permafrost Tunnel）的新项目，关键研究该 “隧道施工”——在费尔班克斯周边冷冻山坡上凿出的将近 110 米的洞窟——中的微生物生态系统怎样转变。

别的一些我国也进行了相关北极圈永久性冻土层的规模性研究。比如，荷兰哥本哈根大学的永久冻土研究管理中心已经对格陵兰岛、乌克兰、德国和斯瓦尔巴海岛不一样地址的土壤层开展宏基因组学剖析。乌克兰和美国科学家在西西伯利亚东北部地区进行了一项协同研究，对不一样时代（从数千年前到几千万年前）永冻土试品中的微生物生态系统开展剖析。研究工作人员发觉了详细的带有蓝藻和微藻的永久冻土，这种藻类植物在冻土层溶化后会快速越来越活跃性起來。

斯托达伦沼泽是北极地区最受关心的研究地址之一，一个多新世纪至今，研究者搜集了相关其溫度、土壤层成分和植物种类的详细资料。博 · 斯文森是德国林雪平大学的微生物学者，也是 20 新世纪 70 时代逐渐精确测量斯托达伦沼泽土壤层中甲烷排出的第一批研究者之一。它用纯净水桶和现磨咖啡罐搜集甲烷。因为常常要在沼泽中待上多个钟头，他迫不得已从本地萨米人小区买回来很厚尼古丁做为驱蚊剂，驱逐蚊虫和黑蝇。那时，该地域的基础设施建设并未创建，都没有插电，斯文森通常必须身背甲烷试品和别的机器设备步行 10 千米之上，来回于德国的阿比斯库科学研究研究站。

现如今，斯托达伦沼泽的研究设备早已焕然一新。在众多新机器设备正中间，放着一个锈蚀的现磨咖啡罐，它是斯文森曾用于搜集甲烷的专用工具。这也是一个让人印象深刻的纪念品，提示着大家近几十年来的科学研究发展。斯托达伦沼泽早已变成一个国际性研究管理中心，该地域处在永久性冻土层溶化的最前沿，在对气候问题很感兴趣的生物学家来看，这是一个十分有诱惑力的研究地址。电力工程的连接和 20 新世纪 80 时代建造的一条路面也为研究出示了资源优势。

2010 年，IsoGenie 新项目的运行为斯托达伦沼泽的研究者出示了一套新的生物学专用工具。该新项目由美国能源部支助，由维吉尼亚 · 赫伯特和斯金斯 · 鲁普斯卡进行。赫伯特开发设计了用以研究深海微生物的自然环境 DNA 抽样技术性，鲁普斯卡则开发设计了根据激光器的痕量元素汽体浓度值检测系统。IsoGenie 新项目汇聚了来源于不一样课程的生物学家，过去十年中累积了很多的数据信息。

就在前不久，生物学家还务必根据试验室塑造的方法来开展微生物研究，但如今，她们愈来愈多地从自然环境中抽样并对其 DNA 开展转录组测序，在运用宏基因组学拼奏土壤层、深海、湖水等自然环境中微生物生态系统的全景。她们不但能鉴别出在其中存有的种群，还能够掌握什么遗传基因是活跃性的，这为掌握微生物的合理新陈代谢对策和微生物中间的关联出示了强大的直接证据。

研究精英团队早已从该地域的土壤层微生物中搜集了 13000 个基因。这毫无疑问是一个巨大的生态系统，超越了全部微生物的生命树。在其中包含一种探索与发现的能释放出来甲烷的古菌，及其 1.5 千万种土壤层病毒感染。生物学家觉得，这种病毒感染能够感柒沼泽土壤层里的微生物。可以说，研究工作人员发觉了一个宝藏，为掌握甲烷的造成体制出示了新的角度。

甲烷制作者

▲ 用以精确测量斯托达伦沼泽甲烷排出的全自动夹层玻璃箱系统软件

第一个重大发现发生在 2014 年。研究精英团队发觉，沼泽中不一样的园林景观特点都具备不一样的微生物生态系统，他们造成甲烷的速率速度不一。比如，在一部分溶化的泥泞不堪沼泽中，大部分微生物根据一个名叫 “氢营养型甲烷转化成”（hydrogenotrophic methanogenesis）的全过程造成甲烷，并在这里一全过程中耗费二氧化碳和氢。但在彻底溶化的沼泽中，微生物生态系统越来越更为繁杂，他们进入了一个名叫 “甲酸发醇型甲烷转化成”（acetoclastic methanogenesis）的全过程。在这个全过程中，微生物运用甲酸盐和二氧化碳来造成甲烷。赫伯特强调，这一点很重要，由于这二种全过程对溫度和 pH 等自然环境标准有不一样的反映。

这一发觉给专家打响了敲警钟，由于这代表着处在溶化中后期环节的沼泽地域很有可能因不一样的自然环境标准，而造成多多少少的甲烷。在对将来开展预测分析时，将这种自然环境标准列入实体模型十分关键。不一样地区造成的甲烷并不相同，这在于溶化的水平和土壤层中的微生物。

深层次北极圈湖水

下面，研究工作组将专注力转为了北极圈的湖水。现阶段预测分析气候问题的研究非常少关心一个湖水不一样地区在甲烷排出上的差别。长期以来，研究者一直觉得浅水区层在溫暖的月份中提温更快，因而造成的甲烷比水深层大量，但这一见解从没被认证过。

根据对斯托达伦沼泽2个湖水开展宏基因组学剖析和汽体排出精确测量发觉，所述假定很有可能必须做一番调整。在一项并未获得同行评议的研究中，湖水深层次的微生物群比浅部的微生物群带有大量的产甲烷微生物；这种微生物对温度的上升也更为比较敏感。这代表着，溫度的轻度升高很有可能会造成 甲烷从湖泊中间相差太大地释放出来。这代表着，假如全球气温再次升高，北极圈湖水释放出来的甲烷总数将超出大家的预估。

2020 年 9 月，EMERGE 新项目问世，全称之为 “解决转变的应急生态体系反映”（emergent ecosystem response to change）。该新项目获得了英国我国科学研究慈善基金会 1250 万美金的支助，集聚了来源于 15 个课程的 33 名研究工作人员，其关键工作中是再次 IsoGenie 新项目逐渐的宏基因组学研究。她们的总体目标是深入了解微生物在气候问题危害的演变全过程，乃至更进一步，掌握病毒感染在这其中所充分发挥的功效。

下面的工作中一方面是找寻不一样微生物生态系统与园林景观特点中间的联络。研究工作人员能够根据植物群落等状况遥感技术检测这种园林景观特点。当这种联络创建以后，研究工作人员就可以运用通讯卫星技术性绘图出全部北极圈的产甲烷微生物布局图。

将斯托达伦沼泽和北极点别的好多个研究地址的观察結果，与别的地区的永久性冻土层碳存储状况联络起來并不易。这种园林景观的总面积、种类和偏僻水平都给专家产生了挑戰。实际上，据研究工作人员可能，基本上三分之一的北极圈研究全是在2个地址——北坡地域的阿比斯库和图里克湖——的 50 千米范畴内开展的。掌握微生物在部分和地区限度上的运行体制将出示很多有使用价值的信息内容，但是，针对北极地区不一样永冻土栖息的地方在溶化的时候会产生哪些，现阶段的掌握还十分比较有限。为了更好地摆脱抽样的误差，研究工作人员与美国国家航空航天局（NASA）协作，下手创建一个泛北极永久冻土微生物试品的大中型数据库查询。运用这一数据库查询，生物学家能够对北极圈未充足取样的地域开展研究，对这一市场前景专家十分激动。

模型的必要性

▲ 2018 年，IsoGenie 新项目的生物学家在斯托达伦沼泽收集土壤层试品

另一个挑戰是掌握永久性冻土层溶化时陆上自然环境会怎样转变。针对一个特殊的地址，是排水管道并越来越干躁或多岩层，還是被水吞没，都将对微生物生态系统以及汽体排出造成重特大危害，在这种多元化的生态体系中鉴别微生物的与众不同特点具备关键的实际意义。有关这种微生物的专业知识将有利于创建将来碳排放量的实体模型，他们是生产制造空气污染物的小型工厂。因而，理所应当地，大家务必掌握它是怎样产生的。

一个研究工作组一直在北坡地域一个遍及低洼地湖水的地区研究微生物生态系统。那边的永久性冻土层在锁定和溶化的全过程中裂开和弯折，产生了一种混和了冰、沼泽和湖水的冰楔不规则图形。这类繁杂的园林景观遮盖了阿拉斯加犬北坡地域 20% 的总面积。

2015 年，宏基因组学层面的工作中使生物学家对微生物怎样能在贫营养成分和永久冻土标准下长期性存活拥有新的了解。研究精英团队发现了编号铁新陈代谢蛋白的遗传基因，说明微生物在极端的标准下存活的时候会运用矿物做为动能来源于。这一发现为之后表明永久性冻土层微生物的关键存活对策出示了案件线索。2020 年 12 月，阿比斯库研究站的研究工作人员发现，伴随着微生物解除冻结和清醒，土壤层中铁集团的存有事实上会加快二氧化碳的释放出来。

一些生物学家将来的研究兴趣爱好的是感柒这种土壤层微生物的病毒，及其他们在碳解决中的功效。有一些病毒会杀掉寄主，更改生态系统微生物的均衡。另一些病毒则带有輔助新陈代谢遗传基因，可以编号蛋白，释放出来绿色植物化学物质中固定不动的碳。一般状况下，病毒的功效并不会很显著，而有很多未发布的数据信息说明，他们能保证的很有可能远远不止这种。

伴随着北半球地图温度升高，很多生物学家正提前准备重回北极圈的研究地址。斯托达伦沼泽地的路面上依然遮盖着降雪，温度滞留在冰度下列。但针对研究工作人员而言，冻土层的溶化即将到来，她们希望着再次解开永久性冻土层內部微生物的神密面具。