Microbios Antigos do Ártico Estão a Acordar e Poderão Acelerar o Aquecimento

Porque é que os microbios antigos importam agora

No solo congelado em todo o Ártico, microbios que se alimentaram pela última vez de plantas e animais antigos há dezenas de milhares de anos estão a despertar para a vida. Experimentos laboratoriais que utilizam amostras de permafrost do interior do Alasca mostram que comunidades dormentes, algumas com até 40.000 anos, podem reativar-se em questão de meses desde que as condições se mantenham quentes e húmidas. Uma vez ativas, decompõem matéria orgânica congelada há muito tempo e libertam dióxido de carbono e metano, dois gases que retêm o calor. Este processo acrescenta um novo impulso a um clima em aquecimento e aumenta o risco de que o degelo do permafrost se acelere num ciclo de reforço mútuo.

Permafrost é solo que permanece congelado durante pelo menos dois anos consecutivos. Pode ter apenas um metro de profundidade ou centenas de metros de espessura, aprisionando carbono antigo de ecossistemas de tundra e boreais há muito desaparecidos. A camada superior frequentemente descongele no verão, mas as camadas mais profundas mantêm-se seladas desde a última era glacial. A nova investigação indica que, se os verões se prolongarem e a estação ativa se estender à primavera e ao outono, até microbios profundos no permafrost podem tornar-se residentes de parte do tempo no ciclo moderno do carbono.

Esse momento é crucial. O Ártico está a aquecer aproximadamente a um ritmo duplo da média global, e a época de degelo está a expandir-se. Os cientistas mediram emissões crescentes de gases com efeito de estufa das paisagens setentrionais no outono, inverno e primavera, um período em que as plantas estão largely dormentes. Quando essas emissações fora de época são contabilizadas, a região aparenta ser uma fonte líquida de carbono para a atmosfera em muitos anos recentes. O despertar dos microbios antigos acrescentaria esse fardo.

O que o túnel de permafrost do Alasca revela

Para estudar o ritmo da revivência microbiana, os investigadores recolheram núcleos congelados no Túnel de Investigação de Permafrost perto de Fairbanks, Alasca. O túnel situa-se a cerca de 15 metros abaixo da superfície e estende-se por mais de 107 metros dentro do solo congelado, que preserva um registo pormenorizado das paisagens do final do Pleistoceno. É um local raro onde os cientistas podem amostrar solos e gelo antigos e intactos que se mantiveram congelados durante milénios.

O Alasca é uma área de estudo ideal porque o permafrost subjaz a uma grande parte do estado. As paredes congeladas do túnel revelam camadas de silte, areia e horizontes ricos em matéria orgânica, juntamente com gelo subterrâneo que se formou quando o solo congelou. Muitos desses horizontes contêm material vegetal e animal enterrado que ainda não foi largamente processado pelos microbios. Assim que o degelo fornece água líquida e temperaturas acima do ponto de congelamento, essas comunidades há muito inativas têm os ingredientes necessários para reiniciar o metabolismo.

Como os cientistas reativaram microbios da era glacial

No laboratório, pequenos pedaços do permafrost antigo foram humedecidos e incubados a temperaturas escolhidas para representar verões presentes e futuros do Alasca. Os investigadores utilizaram água enriquecida com deutério, uma forma pesada de hidrogénio, de modo que qualquer novo crescimento microbiano incorporasse uma assinatura atómica detetável. Após um mês, apenas uma pequena fracção das células mostrou sinais de atividade, sugerindo um reinício lento. Após seis meses a temperaturas mais elevadas, a situação mudou drasticamente. As comunidades microbianas reestruturaram-se, apareceram biofilmes visíveis, e os microbios revividos comportaram-se de forma muito semelhante aos seus equivalentes modernos.

Um reinício a frio, rastreado átomo a átomo

O método de marcagem com deutério permite aos cientistas acompanhar o crescimento sem fazer suposições. Quando os microbios constroem novas membranas celulares ou outras moléculas, acrescentam átomos de hidrogénio. Se esses átomos forem deutério, os instrumentos podem detetar a assinatura mais pesada e confirmar que o crescimento provém do experimento e não de contaminação. Os dados do Alasca mostram que a revivência não é imediata. Muitos microbios parecem ajustar-se durante semanas e só depois reorganizam-se e expandem-se após um período prolongado de calor. Esse atraso sublinha porque é que uma época de degelo mais longa pode importar mais do que um surto isolado de calor.

O que acontece após meses de calor

A descoberta fundamental diz respeito à escala temporal do despertar. Os experimentos apontam para um intervalo de cerca de um a seis meses entre o degelo e a plena atividade em algumas comunidades antigas. No clima atual, partes do Ártico já passam esse tempo acima do ponto de congelamento todos os anos. As projeções climáticas apontam para épocas de degelo mais longas no futuro. Um período quente mais longo dá aos microbios tempo suficiente para reconstruir membranas, reparar danos causados pelo congelamento e ativar enzimas necessárias para digerir carbono complexo. Uma vez que esse mecanismo está em funcionamento, os microbios podem converter rapidamente matéria orgânica congelada em gases com carbono.

Este momento também ajuda a explicar um padrão mais alargado observado em medições de campo. Muitos locais de tundra absorvem dióxido de carbono durante a curta época de crescimento estival, quando as plantas estão ativas. Esses ganhos são cada vez mais compensados por perdas durante o resto do ano, à medida que os microbios continuam a respirar. A incorporação de microbios recém-despertos a trabalhar sobre carbono antigo aprofunda as perdas fora de época e pode empurrar as paisagens para emissões líquidas.

Do cofre de carbono congelado às emissões de gases com efeito de estufa

O permafrost é frequentemente descrito como um cofre de carbono gigante. Formou-se porque as condições frias impediram a decomposição total dos restos de plantas e animais, que depois se acumularam e congelaram. O degelo abre esse cofre. Em solos ricos em oxigénio, os microbios libertam carbono principalmente como dióxido de carbono (CO2). Em ambientes encharcados ou pobres em oxigénio, como turfeiras, zonas húmidas e fundos de lagos de degelo, microbios especializados chamados metanogénicos produzem metano (CH4).

CO2 versus metano

O metano retém muito mais calor do que o dióxido de carbono ao longo de algumas décadas, embora se degrade mais rapidamente na atmosfera. O dióxido de carbono é menos potente molécula a molécula, mas persiste durante séculos. O equilíbrio entre o CO2 e o metano proveniente do solo em degelo depende das condições locais. Solos mais secos e com melhor drenagem inclinam as emissões para o CO2. Solos saturados e lagos de degelo inclinam as emissões para o metano. Investigação recente em todo o Alasca e o oeste do Canadá indica que as florestas podem absorver ligeiramente mais CO2 do que emitem durante períodos produtivos, contudo esses ganhos são compensados pelo metano de zonas húmidas e lagos, incêndios e respiração na estação fria. O orçamento combinado de gases com efeito de estufa da região continua a apontar para aquecimento adicional nas próximas décadas.

Quão grande pode ser a libertação de carbono

Os solos da região de permafrost setentrional armazenam uma quantidade enorme de carbono orgânico, cerca de 1.460 a 1.600 mil milhões de toneladas métricas. Isso é aproximadamente o dobro do carbono atualmente presente na atmosfera. A maior parte desse armazenamento situa-se nos primeiros três metros, mas uma grande fracção está mais profundamente, aprisionada em sedimentos ricos em gelo e depósitos antigos de loess conhecidos como Yedoma. As estimativas para esses depósitos profundos de Yedoma variam entre 327 e 466 mil milhões de toneladas de carbono. Os deltas dos rios árticos acrescentam cerca de mais 96 mil milhões de toneladas. O degelo gradual da superfície para baixo irá expor grande parte do inventário quase superficial ao longo do tempo. O degelo abrupto, que ocorre onde o solo rico em gelo colapsa e cria depressões e lagos termocársicos, pode mobilizar camadas mais profundas numa única estação.

Medições de fluxo sugerem que este enorme reservório já começou a acrescentar carbono à atmosfera. Novas observações regionais e de época hibernal indicam que os ecossistemas da região de permafrost estão a libertar uma quantidade líquida de 0,3 a 0,6 mil milhões de toneladas de carbono por ano como dióxido de carbono, quando se incluem as perdas da estação fria. Campanhas aéreas sobre o Alasca estimaram que a tundra atua como uma fonte constante de carbono, enquanto as florestas boreais variam entre quase neutras e sumidouros modestos, em função dos incêndios e do clima. As emissões de inverno foram revistas em sentido ascendente por um fator de dois a três em algumas análises, à medida que mais sensores captam o longo período frio em que as plantas estão inativas mas os microbios não. Estes resultados são consistentes com a ideia de que uma retroalimentação proveniente do degelo do permafrost já está em curso.

Podem as plantas e as estações frias compensar estas emissões

Todos os verões, as plantas na tundra e nas florestas boreais absorvem dióxido de carbono através da fotossíntese e armazenam parte dele como biomassa e nova matéria orgânica do solo. Em povoamentos saudáveis e em zonas húmidas, essa captação pode ser forte. O problema é que a estação fria do Ártico é muito longa. A respiração microbiana continua a taxas baixas durante boa parte do ano, mesmo sob a neve. Ao longo de 250 ou mais dias, essas pequenas perdas diárias podem compensar a maior parte ou a totalidade dos ganhos estivais.

A flexibilidade dos microbios acrescenta dificuldade ao desafio. Estudos em Svalbard e outros locais árticos mostram que os microbios na camada superior, sazonalmente descongelada, estão bem adaptados a condições frias. Produzem enzimas que funcionam eficientemente a baixas temperaturas e podem utilizar uma grande variedade de compostos de carbono. Alguns conseguem mesmo absorver diretamente CO2 sob certas condições, embora essa via seja pequena em comparação com a escala da libertação de carbono proveniente da decomposição. As zonas húmidas e as turfeiras podem manter-se como sumidouros líquidos de carbono em termos de massa, acumulando turfa ao longo de séculos, contudo ainda emitem metano que tem um forte efeito de aquecimento. Em suma, os dados recentes indicam que a captação por parte das plantas em toda a região não contrabalança totalmente as crescentes perdas respiratórias e o metano do solo em degelo.

Porque é que o momento, e não apenas a temperatura, altera o risco

As novas conclusões laboratoriais colocam foco na duração da estação. Microbios que dormiram durante milénios podem precisar de semanas a meses para se repararem e reorganizarem antes de crescerem. Uma época de degelo mais longa dá-lhes esse tempo. Dias quentes isolados são menos importantes do que um degelo primaveril que chega mais cedo e um congelamento outonal que chega mais tarde. Os registos climáticos já mostram essa mudança em curso em muitas localidades árticas.

A luz solar também desempenha um papel na aceleração da libertação de carbono uma vez que o permafrost é perturbado. O degelo pode arrastar carbono do solo para ribeiras e lagos, onde fica exposto à luz solar. Reações fotoquímicas enfraquecem moléculas orgânicas complexas, tornando-as mais fáceis de consumir pelos microbios. Experimentos mostram que as comunidades microbianas alteram o seu mecanismo metabólico para aproveitar o carbono enfraquecido pelo sol, convertendo mais dele em CO2. Hidrologia, luz e biologia trabalham em conjunto para transportar o carbono antigo pelo sistema assim que o degelo começa.

Outros fatores também importam. Solos mais quentes frequentemente vêm acompanhados de alterações na humidade e, por vezes, de azoto adicional proveniente da deposição atmosférica ou de fontes locais. Experimentos em solos de turfeira de permafrost demonstraram que o aquecimento aumenta as emissões de CO2 e pode potenciar a atividade dos metanogénicos e de outros grupos microbianos. O azoto acrescentado pode alterar ainda mais as comunidades microbianas e os fluxos de gases, incluindo o óxido nitroso, outro forte gases com efeito de estufa. Estas interações mostram que a resposta do solo em degelo não é um processo único, mas um conjunto de processos interligados que variam de paisagem para paisagem.

O que os cientistas ainda não sabem

Os microbios são os motores que convertem o carbono do permafrost em gases, contudo o seu comportamento futuro continua difícil de prever em grandes escalas. O permafrost cobre um território vasto e diversificado, desde terras altas e secas a turfeiras encharcadas, desde solos minerais a espessas camadas orgânicas, com condições que variam ao longo de metros. Uma década de estudos moleculares revelou uma diversidade assombrosa, mas transformar catálogos de genes em previsões fiáveis de emissões de gases continua a ser uma fronteira. Os investigadores estão a construir modelos que combinam fluxo de calor, humidade do solo, hidrologia e metabolismo microbiano para captar toda a cadeia desde o degelo até à emissão. Muitos modelos ainda têm dificuldade em simular o degelo abrupto, o movimento lateral de água e carbono e os atrasos demonstrados nos novos experimentos de despertar.

As medições também permanecem escassas em estações e locais difíceis de alcançar. Métodos de base ascendente que escalonam torres de fluxo locais para regiões podem divergir das estimativas de base descendente provenientes de satélites e aeronaves. As diferenças reduzem-se frequentemente a uma escassez de dados de inverno, incerteza sobre zonas húmidas e lagos e impactos em mudança dos incêndios florestais. Uma melhor integração de abordagens está a melhorar o quadro, contudo continua a haver uma amplitude considerável nas emissões projetadas.

Uma preocupação adicional situa-se fora do orçamento climático. A ideia de reviver microbios antigos levanta naturalmente questões de segurança. A investigação que desperta microbios utiliza pequenas amostras controladas e precauções laboratoriais padrão. A escala do trabalho laboratorial é minúscula em comparação com a vasta área de permafrost que se descongela sozinha todos os verões. O risco climático reside nos gases com efeito de estufa que esses microbios produzem no meio selvagem, e não nas cepas de laboratório. Essa realidade coloca o foco na monitorização e na redução do aquecimento, de modo que menos solo congelado atravese o limiar para o degelo sazonal.

O que é preciso saber

• Microbios árticos antigos podem acordar após um a seis meses de calor e humidade e depois libertar CO2 e metano enquanto digerem matéria orgânica congelada há muito tempo.
• Os solos da região de permafrost armazenam cerca de 1.460 a 1.600 mil milhões de toneladas de carbono orgânico, aproximadamente o dobro da quantidade presente na atmosfera.
• O Túnel de Investigação de Permafrost perto de Fairbanks, Alasca, forneceu amostras antigas que demonstraram uma revivência microbiana dramática após seis meses em incubações quentes.
• O aquecimento do Ártico está a prolongar a época de degelo, o que é mais importante para a revivência microbiana do que os picos curtos de calor.
• Observações recentes sugerem que a região setentrional de permafrost já é uma fonte líquida de carbono para a atmosfera quando se incluem as perdas da estação fria.
• Lagos e zonas húmidas favorecem as emissões de metano, enquanto solos mais secos tendem a emitir mais CO2, e ambos os gases contribuem para o aquecimento em escalas temporais diferentes.
• As perdas de carbono no inverno foram revistas em sentido ascendente em estudos mais recentes, compensando grande parte da captação de carbono pelas plantas no verão.
• A luz solar torna o carbono do permafrost descongelado mais fácil de consumir pelos microbios, acelerando a libertação de CO2 em ribeiras e lagos.
• Continuam a existir grandes incertezas porque as comunidades microbianas e as condições do solo variam amplamente, e os modelos ainda têm dificuldade com o degelo abrupto e as dinâmicas sazonais.
• O risco público principal é o aquecimento climático decorrente do aumento dos gases com efeito de estufa, e não a manipulação laboratorial de microbios antigos, que é estritamente controlada e de pequena escala.