Ученые выяснили, что высокое разнообразие микроорганизмов, населяющих зону вечной мерзлоты, может значительно снизить скорость потепления атмосферы у поверхности Земли. По мере таяния многолетнемерзлых грунтов микробы начинают выделять метан и, если видов бактерий мало, в определенный момент произойдет массовый выброс этого парникового газа. Высокое же видовое богатство приведет к меньшему — в масштабе нескольких градусов — нагреву воздуха планеты. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chaos, Solitons & Fractals.
Схема модели. Источник: Елена Савенкова
С 1750 по 2020 год средняя температура у поверхности Земли возросла примерно на 1°C, однако в зонах вечной мерзлоты только за последние 70 лет территории в среднем прогрелись на целых 4°C. 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 1°C, его нужно 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.
Исследователи из ООО «Центр научных исследований и разработок» (Великий Новгород), Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (Санкт-Петербург), Института проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург) с коллегами из Калифорнийского университета (США) и Говардского университета (США) проанализировали, как число видов почвенных микроорганизмов влияет на скорость таяния вечной мерзлоты и темпы потепления. Авторы использовали математическую модель Гуди, имитирующую динамику атмосферы планеты. Согласно ей, 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, 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 массового начала 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, авторы отмечают, что 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.
Елена Савенкова, участник научного проекта, старший научный сотрудник ООО «ЦНИР». Источник: Елена Савенкова
«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. Существующие модели не учитывают деятельность микроорганизмов вечной мерзлоты, но, если включить в них этот фактор, то он может скорректировать прогнозируемые к 2100 году температуры на несколько градусов, что довольно значимо. В дальнейшем мы планируем учесть больше различий, существующих между разными видами микроорганизмов, чтобы можно было уже количественно оценить вклад, который вносит в потепление низкое и высокое микробное разнообразие», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Савенкова, старший научный сотрудник ООО «ЦНИР».
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда