Kluczową rolę w tym procesie odgrywa azot, podstawowy składnik odżywczy dla roślin. Dotychczas panowało przekonanie, że w miarę ocieplania się klimatu roślinność arktyczna, dzięki lepszym warunkom, będzie bujniej rosła i pochłaniała więcej dwutlenku węgla. Nowe badanie opublikowane w Global Change Biology podważa ten optymistyczny scenariusz. Mikroby, zamiast uwalniać azot dla roślin, zaczynają go zatrzymywać i gromadzić na własny użytek.
Islandzkie trzęsienia ziemi stworzyły unikalne laboratorium do badania ocieplenia gleb
Niezwykłego odkrycia dokonano na Islandii, gdzie natura sama przygotowała idealny eksperyment. W 2008 roku seria wstrząsów sejsmicznych w rejonie Hveragerði zmieniła przepływy wód gruntowych na obszarze aktywności geotermalnej. W efekcie powstały fragmenty subarktycznych łąk, gdzie gleba naturalnie nagrzała się od 0,5 do nawet 40 stopni Celsjusza powyżej lokalnej normy. To stworzyło rzadką okazję do obserwowania długoterminowych skutków ocieplenia w warunkach terenowych.
To jest jeden z tych przypadków, gdy środowisko robi badaczom przysługę w sposób, którego nie da się etycznie ani logistycznie odtworzyć na dużą skalę. Zamiast sztucznego podgrzewania małych poletek grzałkami, mamy realny krajobraz z naturalnym gradientem temperatur i to przez lata, a nie przez jeden sezon. Dzięki temu łatwiej odróżnić krótkotrwały efekt szoku cieplnego od tego, co rzeczywiście staje się nową normą ekosystemu.
Naukowcy, wykorzystując izotop azotu-15 jako znacznik, mogli precyzyjnie śledzić obieg tego pierwiastka w ekosystemie. Wyniki były zaskakujące. Mikroorganizmy, które normalnie w procesie metabolizmu uwalniają amon – bogatą w azot pożywkę dla roślin – nagle przestały to robić. Zamiast tego zaczęły prowadzić wewnętrzny recykling, zatrzymując azot w obrębie swoich społeczności. To zupełnie nowa, nieprzewidziana strategia przetrwania.
Konkurencja między mikroorganizmami a roślinami o kluczowe składniki odżywcze
Reakcja mikroorganizmów na wzrost temperatury nie jest jednorazowa, ale przebiega dwuetapowo. W pierwszej fazie, gdy rośliny są nieaktywne, drobnoustroje gwałtownie przyspieszają swoją aktywność. Prowadzi to do znaczących strat azotu z gleby, który jest wypłukiwany do wód lub uwalniany do atmosfery jako podtlenek azotu, gaz cieplarniany o potężnym efekcie. Następnie mikroby przechodzą do drugiej fazy, w której stają się nadzwyczaj oszczędne. Przestają dzielić się azotem z innymi organizmami, zatrzymując go dla siebie.
To prowadzi do bezpośredniej rywalizacji między roślinami a mikroorganizmami o ten sam, ograniczony zasób. Delikatna symbioza, w której rośliny dostarczają węgiel, a mikroby uwalniają azot, zostaje zakłócona. Co ciekawe, proces ten zachodzi stosunkowo szybko. Gleby ogrzewane przez pięć lat traciły składniki odżywcze w podobnym stopniu, co te poddane wyższym temperaturom przez całą dekadę, co sugeruje, że największe zmiany następują w początkowym okresie.
Tu robi się szczególnie ciekawie, bo ten dwutakt jest bardzo intuicyjny z perspektywy biologii: najpierw przyspieszenie (więcej ciepła = szybsze reakcje), a potem przestawienie na tryb oszczędny, gdy system orientuje się, że zasób nie jest nieskończony. I jeśli taki mechanizm jest powszechniejszy, niż sądziliśmy, to wiele wcześniejszych wniosków o zazielenianiu się Arktyki może być przeszacowanych.
W dodatku w realnym świecie rośliny nie konkurują o azot wyłącznie z jednym mikroorganizmem, tylko z całymi społecznościami glebowymi, grzybami, bakteriami i archeonami, które potrafią błyskawicznie zmieniać skład gatunkowy i strategię działania. To oznacza, że ocieplenie może nie tyle podkręcić istniejący układ, co przestawić go na nową konfigurację, w której dotychczasowe reguły przestają obowiązywać.
Jak zmiany w arktycznych glebach mogą przyspieszyć globalne ocieplenie?
Arktyczne gleby to jeden z największych lądowych magazynów węgla organicznego na Ziemi. Przez milenia w zimnych warunkach gromadziły się w nich ogromne ilości słabo rozłożonej materii roślinnej. Ocieplenie powinno teoretycznie przyspieszyć jej rozkład i uwolnić masy dwutlenku węgla. Do tej pory sądzono, że intensywniejszy wzrost nowej roślinności częściowo zrównoważy te emisje. Opisywane odkrycie stawia ten scenariusz pod dużym znakiem zapytania.
Jeśli rośliny nie otrzymają wystarczającej ilości azotu, nie wyrosną dostatecznie, by pochłonąć uwolniony węgiel. Zubożałe gleby prowadzą do powstania błędnego koła: słabsze rośliny wprowadzają mniej materii organicznej, co osłabia mikroorganizmy, a te z kolei udostępniają jeszcze mniej azotu. To może oznaczać, że obecne modele klimatyczne, które nie uwzględniają w pełni tej konkurencji, niedoszacowują tempa przyszłego ocieplenia.
Oczywiście, badania mają swoje ograniczenia. Eksperyment islandzki opierał się na geotermalnym ogrzewaniu gleby od dołu, podczas gdy globalne ocieplenie ogrzewa również powietrze. Ponadto, gleby wulkaniczne Islandii różnią się od rozległych torfowisk północnej Skandynawii czy Syberii, które magazynują najwięcej węgla. Dlatego autorzy podkreślają potrzebę podobnych, długoterminowych obserwacji w różnych regionach Arktyki.
Mimo tych zastrzeżeń, badania z Islandii są wyraźnym sygnałem, że odpowiedź ekosystemów na zmiany klimatu jest niezwykle złożona. Decyzje podejmowane przez niewidoczne gołym okiem mikroorganizmy w arktycznej glebie mogą mieć wpływ na klimat całej planety. To przypomina nam, że w przyrodzie wszystko jest połączone, a rozwiązania muszą uwzględniać te skomplikowane zależności, a nie opierać się na zbyt uproszczonych, optymistycznych założeniach.