Micróbios antigos do Ártico estão despertando e podem acelerar o aquecimento

Por que os micróbios antigos importam agora

No solo congelado de todo o Ártico, micróbios que se alimentaram de plantas e animais antigos há dezenas de milhares de anos estão voltando à vida. Experimentos de laboratório com amostras de permafrost do interior do Alasca mostram que comunidades dormentes, algumas com até 40 mil anos, podem despertar em poucos meses se as condições permanecerem quentes e úmidas. Uma vez ativos, eles decompõem matéria orgânica congelada há muito tempo e liberam dióxido de carbono e metano, dois gases que retêm calor. Esse processo dá um novo impulso ao aquecimento do clima e aumenta o risco de que o degelo do permafrost se acelere em um ciclo de retroalimentação.

Permafrost é o solo que permanece congelado por pelo menos dois anos consecutivos. Ele pode ter apenas um metro de profundidade ou centenas de metros de espessura, armazenando carbono antigo de ecossistemas de tundra e boreais desaparecidos há muito tempo. A camada superior costuma descongelar no verão, mas as camadas mais profundas permaneceram seladas desde a última era glacial. A nova pesquisa indica que, se os verões se prolongarem e a estação ativa avançar pela primavera e pelo outono, até micróbios nas profundezas do permafrost poderão se tornar participantes sazonais do ciclo moderno do carbono.

Esse momento é crucial. O Ártico está aquecendo cerca de duas vezes mais rápido que a média global, e a temporada de degelo está se expandindo. Cientistas mediram o aumento das emissões de gases de efeito estufa em paisagens do norte durante o outono, o inverno e a primavera, período em que as plantas estão em grande parte dormentes. Quando essas emissões fora de temporada são contabilizadas, a região aparece como fonte líquida de carbono para a atmosfera em muitos dos últimos anos. O despertar de micróbios antigos aumentaria essa carga.

O que revela o túnel de permafrost do Alasca

Para estudar o ritmo da reativação microbiana, pesquisadores coletaram amostras cilíndricas congeladas no Túnel de Pesquisa do Permafrost, perto de Fairbanks, no Alasca. O túnel fica a cerca de 50 pés abaixo da superfície e avança por mais de 350 pés em solo congelado que preserva um registro detalhado das paisagens do Pleistoceno Superior. É um local raro onde cientistas podem coletar amostras intactas de solos e gelo antigos que permaneceram congelados por milênios.

O Alasca é uma área ideal para o estudo porque o permafrost cobre grande parte do estado. As paredes congeladas do túnel revelam camadas de silte, areia e horizontes ricos em matéria orgânica, além de gelo no solo formado durante o congelamento. Muitos desses horizontes contêm material vegetal e animal enterrado que ainda não foi muito decomposto pelos micróbios. Quando o degelo fornece água líquida e temperaturas acima de zero, essas comunidades há muito inativas têm os ingredientes necessários para retomar o metabolismo.

Como os cientistas despertaram micróbios da era glacial

No laboratório, pequenos fragmentos do permafrost antigo foram umedecidos e incubados em temperaturas escolhidas para representar os verões atuais e futuros do Alasca. Os pesquisadores usaram água enriquecida com deutério, uma forma pesada de hidrogênio, para que qualquer novo crescimento microbiano incorporasse uma assinatura atômica detectável. Após um mês, apenas uma pequena fração das células apresentou sinais de atividade, sugerindo uma retomada lenta. Depois de seis meses em temperaturas mais altas, o quadro mudou drasticamente. As comunidades microbianas se reorganizaram, surgiram biofilmes visíveis e os micróbios reativados passaram a se comportar de modo muito semelhante aos atuais.

Uma retomada a frio, acompanhada átomo por átomo

O método de marcação com deutério permite que os cientistas acompanhem o crescimento sem depender de suposições. Quando os micróbios produzem novas membranas celulares ou outras moléculas, eles incorporam átomos de hidrogênio. Se esses átomos forem de deutério, os instrumentos detectam a assinatura mais pesada e confirmam que o crescimento veio do experimento, e não de uma contaminação. Os dados do Alasca mostram que a reativação não é imediata. Muitos micróbios parecem passar semanas se adaptando e só depois se reorganizam e se multiplicam, após um período prolongado de calor. Essa demora ressalta por que uma temporada de degelo mais longa pode importar mais do que um único período de calor intenso.

O que acontece após meses de calor

A principal descoberta é o tempo necessário para o despertar. Os experimentos apontam para um intervalo de aproximadamente um a seis meses entre o degelo e a atividade plena de algumas comunidades antigas. No clima atual, partes do Ártico já passam esse mesmo período acima de zero todos os anos. As projeções climáticas indicam que as temporadas de degelo devem ficar mais longas. Um período quente prolongado dá aos micróbios tempo suficiente para reconstruir membranas, reparar danos causados pelo congelamento e ativar as enzimas necessárias para digerir carbono complexo. Quando essa maquinaria está pronta, os micróbios podem converter rapidamente matéria orgânica congelada em gases de carbono.

Esse intervalo também ajuda a explicar um padrão mais amplo observado em medições de campo. Muitos locais de tundra absorvem dióxido de carbono durante a curta estação de crescimento do verão, quando as plantas estão ativas. Esses ganhos são cada vez mais compensados pelas perdas no restante do ano, à medida que os micróbios continuam respirando. A atividade de micróbios recém-despertados que consomem carbono antigo aprofunda as perdas fora de temporada e pode levar as paisagens a emitir mais carbono do que absorvem.

De reserva de carbono congelada a emissões de gases de efeito estufa

O permafrost é frequentemente descrito como uma imensa reserva de carbono. Ele se formou porque as condições frias impediram a decomposição completa de restos de plantas e animais, que então se acumularam e congelaram. O degelo abre essa reserva. Em solos ricos em oxigênio, os micróbios liberam carbono principalmente na forma de dióxido de carbono (CO2). Em ambientes alagados ou pobres em oxigênio, como turfeiras, áreas úmidas e o fundo de lagos formados pelo degelo, micróbios especializados chamados metanogênicos produzem metano (CH4).

CO2 ou metano

O metano retém muito mais calor que o dióxido de carbono ao longo de algumas décadas, embora se decomponha mais rápido na atmosfera. O dióxido de carbono é menos potente molécula por molécula, mas permanece por séculos. O equilíbrio entre as emissões de CO2 e metano do solo em degelo depende das condições locais. Solos mais secos e bem drenados favorecem as emissões de CO2. Solos saturados e lagos formados pelo degelo favorecem as emissões de metano. Pesquisas recentes no Alasca e no oeste do Canadá indicam que as florestas podem absorver um pouco mais de CO2 do que emitem durante períodos de alta produtividade. No entanto, esses ganhos são compensados pelo metano de áreas úmidas e lagos, pelos incêndios e pela respiração na estação fria. O balanço combinado de gases de efeito estufa da região ainda aponta para um aquecimento adicional nas próximas décadas.

Qual pode ser a dimensão da liberação de carbono

Os solos da região norte de permafrost armazenam uma enorme quantidade de carbono orgânico: cerca de 1.460 a 1.600 bilhões de toneladas métricas. Isso equivale a aproximadamente o dobro do carbono atualmente presente na atmosfera. A maior parte desse estoque está nos três metros superiores do solo, mas uma parcela considerável fica em camadas mais profundas, retida em sedimentos ricos em gelo e em antigos depósitos de loess conhecidos como Yedoma. As estimativas para esses depósitos profundos de Yedoma variam de 327 a 466 bilhões de toneladas de carbono. Os deltas dos rios árticos acrescentam cerca de 96 bilhões de toneladas. O degelo gradual, que avança da superfície para baixo, exporá ao longo do tempo boa parte do estoque próximo à superfície. O degelo abrupto, que ocorre quando o solo rico em gelo desmorona e forma depressões e lagos de termocarste, pode mobilizar camadas mais profundas em uma única estação.

As medições de fluxo indicam que esse enorme estoque já começou a contribuir para o carbono na atmosfera. Novas observações regionais e da estação fria indicam que os ecossistemas das regiões de permafrost liberam, em termos líquidos, de 0,3 a 0,6 bilhão de toneladas de carbono por ano na forma de dióxido de carbono, quando as perdas na estação fria são incluídas. Campanhas aéreas sobre o Alasca estimaram que a tundra é uma fonte constante de carbono, enquanto as florestas boreais variam entre um balanço próximo da neutralidade e a absorção moderada de carbono, dependendo dos incêndios e do clima. Em algumas análises, as estimativas das emissões de inverno foram revisadas para cima, em um fator de duas a três vezes, à medida que mais sensores registram o longo período frio em que as plantas estão inativas, mas os micróbios não. Esses resultados são compatíveis com a ideia de que a retroalimentação causada pelo degelo do permafrost já está em curso.

As plantas e as estações frias podem compensar essas emissões?

Todo verão, as plantas da tundra e das florestas boreais absorvem dióxido de carbono pela fotossíntese e armazenam parte dele na biomassa e em nova matéria orgânica do solo. Em áreas úmidas e em formações vegetais saudáveis, essa absorção pode ser intensa. O problema é que a estação fria no Ártico é muito longa. A respiração microbiana continua em ritmo baixo durante boa parte do ano, mesmo sob a neve. Ao longo de 250 dias ou mais, essas pequenas perdas diárias podem anular grande parte ou todos os ganhos do verão.

A flexibilidade dos micróbios agrava o desafio. Estudos em Svalbard e em outros locais do Ártico mostram que os micróbios da camada superficial, que descongela sazonalmente, estão bem adaptados ao frio. Eles produzem enzimas que funcionam com eficiência em baixas temperaturas e conseguem utilizar uma ampla variedade de compostos de carbono. Alguns podem até absorver CO2 diretamente em certas condições, embora esse processo seja pequeno em comparação com a escala de liberação de carbono resultante da decomposição. Áreas úmidas e turfeiras podem continuar sendo sumidouros líquidos de carbono em massa, acumulando turfa ao longo dos séculos, mas ainda emitem metano, que tem forte efeito de aquecimento. No conjunto, os dados recentes indicam que a absorção pelas plantas em toda a região não compensa totalmente as crescentes perdas pela respiração e as emissões de metano do solo em degelo.

Por que o momento, e não apenas a temperatura, muda o risco

As novas descobertas de laboratório destacam a duração da estação. Micróbios que permaneceram dormentes por milênios podem precisar de semanas ou meses para se reparar e se reorganizar antes de crescer. Uma temporada de degelo mais longa lhes dá esse tempo. Mais importantes que dias quentes isolados são uma primavera em que o degelo começa mais cedo e um outono em que o congelamento chega mais tarde. Os registros climáticos já mostram que essa mudança está em curso em muitos locais do Ártico.

A luz solar também contribui para acelerar a liberação de carbono depois que o permafrost é perturbado. O degelo pode levar carbono do solo para riachos e lagos, onde fica exposto à luz solar. Reações fotoquímicas enfraquecem moléculas orgânicas complexas, facilitando seu consumo pelos micróbios. Experimentos mostram que as comunidades microbianas alteram sua maquinaria metabólica para aproveitar o carbono enfraquecido pelo sol e converter uma parcela maior dele em CO2. A hidrologia, a luz e a biologia atuam em conjunto para mobilizar o carbono antigo pelo sistema quando o degelo começa.

Outros fatores também importam. Solos mais quentes costumam vir acompanhados de mudanças na umidade e, às vezes, de nitrogênio adicional proveniente da deposição atmosférica ou de fontes locais. Experimentos em solos de turfeiras de permafrost mostraram que o aquecimento aumenta as emissões de CO2 e pode intensificar a atividade de metanogênicos e de outros grupos microbianos. O nitrogênio adicional pode alterar ainda mais as comunidades microbianas e os fluxos de gases, inclusive os de óxido nitroso, outro potente gás de efeito estufa. Essas interações mostram que a resposta do solo em degelo não é um processo único, mas um conjunto de processos interligados que varia conforme a paisagem.

O que os cientistas ainda não sabem

Os micróbios são os motores que transformam o carbono do permafrost em gases, mas seu comportamento futuro ainda é difícil de prever em grande escala. O permafrost cobre terrenos vastos e diversos, de áreas elevadas e secas a turfeiras alagadas, de solos minerais a espessas camadas orgânicas, com condições que variam a cada poucos metros. Uma década de estudos moleculares revelou uma diversidade impressionante, mas transformar catálogos de genes em previsões confiáveis das emissões de gases continua sendo um desafio. Pesquisadores estão desenvolvendo modelos que combinam fluxo de calor, umidade do solo, hidrologia e metabolismo microbiano para representar toda a sequência, do degelo às emissões. Muitos modelos ainda têm dificuldade para simular o degelo abrupto, o deslocamento lateral de água e carbono e os intervalos de tempo observados nos novos experimentos sobre o despertar dos micróbios.

As medições também continuam escassas em estações do ano e lugares de difícil acesso. Métodos ascendentes, que extrapolam medições locais de torres de fluxo para regiões inteiras, podem divergir de estimativas descendentes baseadas em satélites e aeronaves. As diferenças geralmente se devem à falta de dados de inverno, à incerteza sobre áreas úmidas e lagos e aos impactos variáveis dos incêndios florestais. Uma integração melhor das abordagens está aprimorando o quadro, mas as projeções de emissões ainda apresentam uma ampla variação.

Há ainda uma preocupação que não faz parte do balanço climático. A possibilidade de reativar micróbios antigos naturalmente levanta questões de segurança. As pesquisas que despertam micróbios utilizam pequenas amostras controladas e precauções laboratoriais padrão. A escala do trabalho em laboratório é minúscula em comparação com a enorme área de permafrost que descongela por conta própria todo verão. O risco climático está nos gases de efeito estufa que esses micróbios produzem na natureza, não nas linhagens usadas em laboratório. Essa realidade reforça a importância do monitoramento e da redução do aquecimento, para que menos solo congelado ultrapasse o limiar do degelo sazonal.

O que você precisa saber

• Micróbios antigos do Ártico podem despertar após um a seis meses de calor e umidade e, em seguida, liberar CO2 e metano ao digerir matéria orgânica congelada há muito tempo.
• Os solos das regiões de permafrost armazenam cerca de 1.460 a 1.600 bilhões de toneladas de carbono orgânico, aproximadamente o dobro da quantidade presente na atmosfera.
• O Túnel de Pesquisa do Permafrost, perto de Fairbanks, no Alasca, forneceu amostras antigas que revelaram uma reativação microbiana expressiva após seis meses de incubação em ambiente quente.
• O aquecimento do Ártico está prolongando a temporada de degelo, o que é mais importante para a reativação microbiana do que breves picos de calor.
• Observações recentes sugerem que a região norte de permafrost já é uma fonte líquida de carbono para a atmosfera quando as perdas na estação fria são incluídas.
• Lagos e áreas úmidas favorecem as emissões de metano, enquanto solos mais secos tendem a emitir mais CO2; ambos os gases contribuem para o aquecimento em escalas de tempo diferentes.
• Estudos mais recentes revisaram para cima as perdas de carbono no inverno, que anulam grande parte da absorção de carbono pelas plantas no verão.
• A luz solar torna o carbono do permafrost em degelo mais fácil de ser consumido pelos micróbios, acelerando a liberação de CO2 em riachos e lagos.
• Persistem grandes incertezas porque as comunidades microbianas e as condições do solo variam muito, e os modelos ainda têm dificuldade para representar o degelo abrupto e a dinâmica sazonal.
• O principal risco para a população é o aquecimento do clima causado pelo aumento dos gases de efeito estufa, não o manuseio de micróbios antigos em laboratório, que é rigorosamente controlado e ocorre em pequena escala.