古老微生物为何与当下息息相关
在北极各地的冻土中，数万年前以古老动植物为食的微生物正重新苏醒。对阿拉斯加内陆永久冻土样本进行的实验室实验显示，只要环境持续温暖湿润，一些沉睡了长达4万年的微生物群落几个月内就能恢复活跃。苏醒后，它们会分解长期冻结的有机物，释放二氧化碳和甲烷这两种温室气体。这一过程会进一步推动气候变暖，并加大永久冻土融化加速、形成自我强化循环的风险。
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永久冻土是指连续至少两年保持冻结的地层，厚度从一米到数百米不等，其中封存着来自早已消失的苔原和北方森林生态系统的古老碳。其表层通常在夏季融化，但更深的地层自上一个冰河时代以来一直封存于地下。最新研究表明，如果夏季延长、活动季节向春季和秋季延伸，即使是深处永久冻土中的微生物，也可能成为现代碳循环中的季节性参与者。
时机至关重要。北极升温速度约为全球平均水平的两倍，冻融季节也在延长。科学家测得，北方地区秋季、冬季和春季的温室气体排放正在增加，而这些时段植物大多处于休眠状态。将非生长季节的排放计算在内后，近些年许多年份的北极地区似乎都成了向大气净排放碳的源头。古老微生物苏醒后，还会加重这一负担。
阿拉斯加永久冻土隧道揭示了什么
为研究微生物恢复活跃的速度，研究人员从阿拉斯加费尔班克斯附近的永久冻土研究隧道采集了冻土岩芯。隧道位于地表以下约50英尺，向冻结地层内部延伸超过350英尺，保存着晚更新世地貌的详细记录。科学家可以在这里采集完整的古老土壤和冰层样本，它们已冻结数千年，这样的地方十分罕见。
阿拉斯加是理想的研究区域，因为该州大片地区的地下都有永久冻土。隧道的冻结壁面呈现出粉砂、沙土和富含有机质的层位，以及土壤冻结时形成的地冰。许多层位都含有埋藏的动植物物质，至今仍基本未经微生物分解。一旦融化带来液态水，温度升至冰点以上，这些长期休眠的微生物群落就具备了恢复代谢所需的条件。
科学家如何唤醒冰河时代的微生物
在实验室中，研究人员将小块古老永久冻土润湿，并在模拟阿拉斯加当前及未来夏季的温度下进行培养。他们使用富含氘的水进行实验。氘是一种较重的氢，只要微生物出现新的生长，就会吸收可检测到的原子标记。一个月后，只有一小部分细胞显示出活跃迹象，表明恢复过程缓慢。在较高温度下培养六个月后，情况发生了明显变化。微生物群落重新组建，出现了肉眼可见的生物膜，复苏后的微生物表现得与现代微生物十分相似。
以冷启动，逐个原子追踪
氘标记法让科学家能够追踪微生物的生长，而不必靠猜测。微生物构建新的细胞膜或其他分子时，会加入氢原子。如果这些原子是氘，仪器就能检测到较重的标记，证实生长来自实验，而非污染。阿拉斯加的数据表明，微生物并不会立刻复苏。许多微生物似乎需要数周时间适应，随后才会重新组建并扩增，而且通常要经过长时间的温暖环境才会发生。这种延迟说明，延长融冻季节可能比短暂的高温天气影响更大。
持续温暖数月后会发生什么
这项研究的关键发现是微生物苏醒所需的时间。实验表明，一些古老微生物群落从融化到完全活跃，可能要滞后约一至六个月。在当前气候条件下，北极部分地区每年气温高于冰点的时间已经达到这一长度。气候预测显示，未来融冻季节还会延长。较长的温暖期能让微生物有足够时间重建细胞膜、修复冻结造成的损伤，并启动消化复杂碳所需的酶。一旦这些机制就位，微生物就能迅速将冻结的有机物转化为碳气体。
这一时间尺度也有助于解释实地测量中观察到的一种更广泛的规律。在夏季短暂的生长季里，植物活跃，许多苔原地点会吸收二氧化碳。但随着微生物在一年其他时段持续呼吸，这些吸收量正日益被抵消。新苏醒的微生物开始分解深层古老碳后，非生长季节的碳排放会进一步增加，甚至可能让这些地区转为净排放源。
从冻结的碳库到温室气体排放
永久冻土常被形容为巨大的碳库。寒冷环境阻止动植物残骸完全分解，使其不断积累并冻结。融化会打开这个碳库。在富氧土壤中，微生物主要释放二氧化碳（CO2）。在泥炭地、湿地和融化湖泊底部等积水或缺氧环境中，称为产甲烷菌的特殊微生物会产生甲烷（CH4）。
二氧化碳与甲烷
在几十年时间尺度上，甲烷的吸热能力远强于二氧化碳，不过它在大气中的分解速度也更快。二氧化碳单个分子的增温效应较弱，但能在大气中停留数百年。冻土融化后，二氧化碳与甲烷的排放比例取决于当地环境。较干燥、排水较好的土壤会使排放偏向二氧化碳；土壤饱水、出现融化湖泊时，排放则会偏向甲烷。阿拉斯加和加拿大西部的近期研究表明，在生产力旺盛的时期，森林吸收的二氧化碳可能略多于排放量，但这些净吸收会被湿地和湖泊排放的甲烷、野火以及寒冷季节的呼吸作用抵消。该地区合计的温室气体收支仍指向未来几十年气候将进一步变暖。
碳排放规模可能有多大
北方永久冻土地区的土壤储存着大量有机碳，约为1.46万亿至1.6万亿吨，相当于目前大气中碳储量的约两倍。这些碳大多位于地表以下三米之内，但很大一部分深埋在富冰沉积物和被称为尤多马的古老黄土沉积层中。对这些深层尤多马沉积物的估算显示，其碳储量为3270亿至4660亿吨。北极河流三角洲还额外储存约960亿吨碳。随着表层逐渐向下融化，许多近地表碳储量会逐步暴露。突发性融化则发生在富冰地层塌陷、形成热融洼地和湖泊的地方，可在一个季节内使深层地层中的碳释放出来。
碳通量测量结果表明，这一巨大碳库已经开始向大气释放碳。新的区域观测和冬季观测显示，若将寒冷季节的损失计算在内，永久冻土地区的生态系统每年净释放约3亿至6亿吨碳，形式为二氧化碳。阿拉斯加的飞机观测表明，苔原持续充当碳源，而北方森林则会因野火和天气情况不同，在接近碳收支平衡与小幅碳汇之间变化。随着更多传感器捕捉到植物停止活动、微生物却仍在活动的漫长寒冷季节，一些分析将冬季排放量上调至原估算的两至三倍。这些结果与一种观点相符：永久冻土融化引发的反馈已经开始。
植物和寒冷季节能抵消这些排放吗
每年夏季，苔原和北方森林中的植物通过光合作用吸收二氧化碳，并将其中一部分储存在生物量和新形成的土壤有机质中。在生长良好的林地和湿地，这种吸收可能十分可观。问题在于，北极的寒冷季节非常漫长。即使积雪覆盖地面，微生物全年大部分时间仍会以较低速率呼吸。持续250天甚至更久后，这些每天看似微小的损失就可能抵消夏季的大部分甚至全部碳吸收。
微生物的适应能力也让情况更为复杂。斯瓦尔巴群岛及其他北极地区的研究显示，季节性解冻层表层中的微生物已很好地适应了寒冷环境。它们产生的酶能在低温下高效工作，也能利用多种碳化合物。在某些条件下，一些微生物甚至可以直接吸收二氧化碳，但与分解作用释放的碳相比，这条途径的规模很小。按重量计算，湿地和泥炭地可以长期充当净碳汇，数百年间不断积累泥炭，但它们仍会排放具有强烈增温效应的甲烷。综合来看，近期数据表明，该地区植物吸收的碳不足以完全抵消呼吸作用造成的损失，以及冻土融化释放的甲烷。
为何影响风险的不只是温度，还有时间
最新实验室发现凸显了季节长度的重要性。沉睡数千年的微生物可能需要数周至数月才能完成修复和重新组织，进而生长。融冻季节延长，就能为它们提供所需时间。相比单独几天的高温，春季更早解冻、秋季更晚封冻的影响更大。气候记录已显示，许多北极地区正在出现这种变化。
永久冻土受到扰动后，阳光也会加快碳释放。融化可能将土壤中的碳冲入溪流和湖泊，使其暴露在阳光下。光化学反应会削弱复杂有机分子，使微生物更容易分解。实验表明，微生物群落会调整代谢机制，利用被阳光削弱的碳，将其中更多部分转化为二氧化碳。融化开始后，水文条件、光照和生物过程会共同推动古老碳在生态系统中迁移。
其他因素也很重要。土壤升温往往伴随着湿度变化，有时还会增加来自大气沉降或当地来源的氮。对永久冻土泥炭地土壤的实验显示，升温会增加二氧化碳排放，并可能提高产甲烷菌和其他微生物类群的活跃程度。氮的增加还会进一步改变微生物群落和气体通量，其中包括另一种强效温室气体一氧化二氮。这些相互作用表明，冻土融化的反应并非单一过程，而是一系列彼此关联、因地貌而异的过程。
科学家仍有哪些未知之处
微生物是将永久冻土中的碳转化为气体的引擎，但要在大范围内预测它们未来的活动仍很困难。永久冻土覆盖着广阔而多样的地貌，从干燥高地到积水泥炭地，从矿质土壤到厚厚的有机质层，各地情况可能相隔几米就大不相同。过去十年的分子研究揭示了惊人的多样性，但如何将基因目录转化为可靠的气体排放预测，仍是研究前沿。研究人员正建立综合热量传递、土壤湿度、水文条件和微生物代谢的模型，以呈现从融化到排放的完整过程。许多模型仍难以模拟突发性融化、水和碳的横向迁移，以及最新复苏实验所显示的时间滞后。
在难以抵达的季节和地点，观测数据仍然稀少。自下而上的方法会将当地通量塔的数据推算至区域尺度，结果可能与利用卫星和飞机开展的自上而下估算不一致。差异往往源于冬季数据不足、对湿地和湖泊认识不确定，以及野火影响不断变化。不同方法的整合正在改善整体认识，但排放预测仍存在很大范围的不确定性。
还有一个与气候收支无关的担忧：让古老微生物复苏，自然会引发安全方面的问题。唤醒微生物的研究使用少量受控样本，并遵循标准实验室防护措施。与每年夏季自行融化的广阔永久冻土相比，实验室研究的规模微不足道。气候风险来自这些微生物在自然环境中产生的温室气体，而不是实验室菌株。这也意味着关注重点应放在监测和减少升温上，让更少的冻结地层跨过进入季节性融化的临界点。
要点
- 北极古老微生物在温暖湿润环境中经过一至六个月便可能苏醒，随后分解长期冻结的有机物并释放二氧化碳和甲烷。
- 永久冻土地区的土壤储存着约1.46万亿至1.6万亿吨有机碳，约为大气中碳储量的两倍。
- 阿拉斯加费尔班克斯附近的永久冻土研究隧道提供了古老样本；这些样本在温暖环境中培养六个月后，微生物出现显著复苏。
- 北极升温正在延长冻融季节；与短暂的高温天气相比，这对微生物复苏更为重要。
- 近期观测表明，将寒冷季节的损失计算在内后，北方永久冻土地区已经是向大气净排放碳的源头。
- 湖泊和湿地更容易排放甲烷，较干燥的土壤则倾向于排放更多二氧化碳；两种气体都以不同时间尺度推动变暖。
- 较新的研究上调了冬季碳损失估算，显示其抵消了植物在夏季吸收的许多碳。
- 阳光会使融化永久冻土中的碳更容易被微生物分解，加快溪流和湖泊中的二氧化碳释放。
- 由于微生物群落和土壤条件差异很大，且模型仍难以模拟突发性融化和季节动态，相关结果仍存在较大不确定性。
- 主要的公共风险是温室气体增加导致气候变暖，而不是对古老微生物的实验室操作；相关实验受到严格控制，规模也很小。
