Microben die begraven zijn in de diepe permafrost, grond die minstens twee jaar bevroren blijft, kunnen weer actief worden na ontdooiing bij opwarming. Experimenten met monsters uit Alaska tonen aan dat ze binnen enkele maanden na ontdooiing beginnen met het uitstoten van kooldioxide, zelfs vanuit lagen die ooit als inert werden beschouwd.
Sommige van deze organismen hebben ongeveer 40.000 jaar ‘geslapen’. Het onderzoek is uitgevoerd met monsters genomen in een onderzoeks tunnel nabij Fairbanks, Alaska, waar de bevroren grond oude klimaten en ecosystemen vastlegt.
Het werk werd geleid door Tristan Caro, een postdoctoraal onderzoeker in geobiologie aan het California Institute of Technology (CIT). Zijn onderzoek richt zich op hoe slapende microben overleven in bevroren, zuurstofarme omstandigheden en weer actief kunnen worden.
Noordelijke bodems slaan een enorme hoeveelheid organische koolstof op, ongeveer tweemaal de hoeveelheid die momenteel in de atmosfeer is. Het ontsluiten van zelfs een fractie daarvan kan leiden tot meer broeikasgassen in de lucht, vooral in seizoenen waarin de grond langer warm blijft.
Permafrost ligt onder bijna 85 procent van Alaska, een bereik dat wegen, rivieren en ecosystemen gevormd heeft. Deze omvang helpt verklaren waarom een diepe tunnel daar een ongebruikelijk venster biedt in het oude leven, en waarom de bevindingen verder reiken dan alleen Alaska.
Het grootste deel van de bevroren grond ligt diep onder de zomer ontdooi zone en is al duizenden jaren afgesloten van daglicht en zuurstof. Deze isolatie betekent dat de biologie die daar ontwaken, niet overeenkomt met de gemeenschappen nabij het oppervlak.
Onderzoekers verzamelden monsters uit een ondergrondse faciliteit ten noorden van Fairbanks en bewaarden ze in zorgvuldig afgesloten, zuurstofarme kamers om contaminatie te voorkomen. Ze incubeerden monsters bij temperaturen van 4 en 12 graden Celsius gedurende maximaal zes maanden.
Om verse celonderdelen te volgen, voegde het team deuterium, een zware vorm van waterstof, toe aan het water. Dit merk toont aan hoe microben nieuwe vetmembranen opbouwen terwijl ze ontdooien en weer ontwaken, wat een direct teken van groei is.
Ze gebruikten ook lipide stabiele isotopenproeven, een laboratoriummethode die nieuwe celmembranen volgt. Deze aanpak koppelt biochemische activiteit aan verschuivingen in de samenstelling van gemeenschappen in de loop van de tijd, en onthult welke overlevenden als eerste de kans grijpen.
Het zware waterstoflabel stelde het team in staat om actief groeiende cellen van ‘overlevenden’ te onderscheiden naarmate de weken vorderden. Veel cellen gaven de voorkeur aan glycolipiden, suikerbevatte vetten die helpen om membranen in koude omstandigheden te stijven, wat hint naar hoe ze lange vorstperiodes overleefden.
De eerste maand verliep traag, met slechts 0,001 tot 0,01 procent van de cellen die elke dag vervangen werden. Deze vertraging suggereert een buffer wanneer korte warme periodes voorbijgaan, vooral op plaatsen die elke winter opnieuw bevriezen.
Na zes maanden reorganiseerden de microbiale gemeenschappen, verloren ze diversiteit en produceerden ze plakkerige biofilms, slijmerige lagen die microben opbouwen om bij elkaar te blijven.
Deze activiteit leek op moderne oppervlaktelagen, hoewel de soortenmix verschilde, wat een herinnering is dat functie kan aanhouden terwijl lidmaatschap verandert.
De onderzoekers benadrukten dat de monsters verre van levenloos waren en duidelijke tekenen van microbiele activiteit en herstel vertoonden.
In de loop van de tijd ontdooiden de ooit slapende microben, en begonnen ze hun gemeenschappen weer op te bouwen en zichtbare biofilms te vormen, bewijs dat oud leven snel weer kracht kan krijgen wanneer de voorwaarden gunstig worden.
Vroege gaspulsen kunnen ook afkomstig zijn van oude luchtbellen die in het ijs zijn gevangen, en niet van verse ademhaling. Deze nuance is belangrijk wanneer veldteams koolstofstromen meten in de eerste weken na ontdooiing.
Volgens een rapport van NOAA worden de arctische seizoenen langer naarmate de regio sneller opwarmt dan het wereldwijde gemiddelde. Een langer warm seizoen betekent dat diepere lagen lang genoeg ontdooien voor de langzame ontwaking om te voltooien.
Als de opwarming aanhoudt, kan meer ontdooiing een gevaarlijke feedbacklus creëren, een proces waarbij opwarming nog meer opwarming aanjaagt. Onderzoekers waarschuwden dat dit een van de grootste onzekerheden blijft bij het voorspellen hoe klimaatsystemen zullen reageren op snelle veranderingen in het Arctische gebied.
Wetenschappers legden uit dat een enkele hete dag in de Alaskaanse zomer veel minder belangrijk is dan de constante verlenging van het warme seizoen. Naarmate de zomers zich naar de lente en de herfst uitstrekken, kunnen microbiele gemeenschappen die vroeger slapend bleven tijdens korte ontdooiingen, veel langer actief blijven, wat de koolstofafgifte versnelt.
Het experiment gebruikte één faciliteit en een handvol monsters, dus andere regio’s kunnen anders reageren. Koude bodems in Siberië of het Canadese Arctische gebied herbergen verschillende gemeenschappen met hun eigen tempo van ontwaking en groei.
Toch wijst het werk op een cruciaal timingprobleem voor klimaatmodellen. Opwarming die weken van de herfst omzet in ontdooitijd kan diepe microben voorbij hun vertraging duwen en in volledige activiteit brengen in een enkel seizoen.
Veldtests die ontdooidiepte, gasflux en lipidemarkers naast elkaar volgen, zouden de voorspellingen voor kortetermijn- en langetermijnplanning kunnen verbeteren.
Ingenieurs willen ook betere kaarten van ijzige lagen maken om wegen, pijpleidingen en gebouwen te plannen die langere ontdooiingen en een hoger risico op verzakking kunnen weerstaan.
Teams moeten ook oude gasbellen scheiden van nieuwe microbiele emissies tijdens veldmetingen om de verschillende signalen niet te mengen. Dit onderscheid helpt instanties om de kortetermijnrisico’s voor klimaatdoelen in te schatten en te beslissen waar de mitigatie-uitgaven als eerste naartoe gaan.
De studie is gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research.
