Vi sinh vật cổ đại ở Bắc Cực đang thức giấc và có thể khiến Trái Đất nóng lên nhanh hơn

Vì sao vi sinh vật cổ đại quan trọng vào lúc này

Trong lớp đất đóng băng khắp Bắc Cực, những vi sinh vật từng phân hủy thực vật và động vật cổ đại hàng chục nghìn năm trước đang dần sống lại. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với mẫu đất đóng băng vĩnh cửu ở vùng nội địa Alaska cho thấy những quần xã ngủ đông, một số có niên đại tới 40.000 năm, có thể thức tỉnh chỉ trong vài tháng nếu môi trường duy trì ấm và ẩm. Khi hoạt động trở lại, chúng phân hủy vật chất hữu cơ bị đóng băng lâu ngày, giải phóng carbon dioxide và methane, hai loại khí giữ nhiệt. Quá trình này làm gia tăng sức ép lên khí hậu đang ấm lên và tăng nguy cơ băng vĩnh cửu tan nhanh hơn theo một vòng phản hồi tự củng cố.

Băng vĩnh cửu là lớp đất duy trì trạng thái đóng băng ít nhất hai năm liên tiếp. Lớp đất này có thể chỉ dày một mét hoặc dày hàng trăm mét, giữ lại lượng carbon cổ đại từ các hệ sinh thái lãnh nguyên và rừng phương bắc đã biến mất từ lâu. Lớp trên cùng thường tan vào mùa hè, nhưng các lớp sâu hơn vẫn được phong kín kể từ kỷ băng hà gần nhất. Nghiên cứu mới cho thấy nếu mùa hè kéo dài và mùa hoạt động mở rộng sang mùa xuân, mùa thu, ngay cả vi sinh vật nằm sâu trong băng vĩnh cửu cũng có thể trở thành những thành phần hoạt động theo mùa trong chu trình carbon hiện đại.

Thời điểm này có ý nghĩa then chốt. Bắc Cực đang ấm lên nhanh gấp khoảng hai lần mức trung bình toàn cầu, còn mùa tan băng ngày càng kéo dài. Các nhà khoa học đã đo được lượng phát thải khí nhà kính tăng tại những vùng đất phương Bắc vào mùa thu, mùa đông và mùa xuân, khi thực vật phần lớn đang ngủ đông. Khi tính cả lượng phát thải ngoài mùa sinh trưởng này, khu vực này có vẻ là nguồn phát thải carbon ròng vào khí quyển trong nhiều năm gần đây. Việc vi sinh vật cổ đại thức tỉnh sẽ làm tăng thêm gánh nặng đó.

Đường hầm băng vĩnh cửu ở Alaska hé lộ điều gì

Để nghiên cứu tốc độ vi sinh vật hồi sinh, các nhà nghiên cứu thu thập lõi đất đóng băng từ Đường hầm Nghiên cứu Băng vĩnh cửu gần Fairbanks, Alaska. Đường hầm nằm sâu khoảng 50 feet dưới mặt đất và kéo dài hơn 350 feet xuyên qua lớp đất đóng băng, nơi lưu giữ hồ sơ chi tiết về cảnh quan cuối kỷ Pleistocene. Đây là địa điểm hiếm có, cho phép các nhà khoa học lấy mẫu đất cổ và băng còn nguyên vẹn đã đóng băng suốt hàng thiên niên kỷ.

Alaska là khu vực nghiên cứu lý tưởng vì băng vĩnh cửu bao phủ phần lớn tiểu bang. Các vách băng trong đường hầm để lộ những lớp bùn, cát và đất giàu hữu cơ, cùng băng ngầm hình thành khi đất đóng băng. Nhiều lớp đất chứa vật chất thực vật và động vật bị chôn vùi, phần lớn vẫn chưa bị vi sinh vật phân hủy. Khi băng tan cung cấp nước ở thể lỏng và nhiệt độ vượt ngưỡng đóng băng, các quần xã đã ngừng hoạt động lâu ngày có đủ điều kiện để khởi động lại quá trình trao đổi chất.

Các nhà khoa học đánh thức vi sinh vật từ kỷ băng hà như thế nào

Trong phòng thí nghiệm, những mảnh nhỏ của lớp băng vĩnh cửu cổ đại được làm ẩm và ủ ở các mức nhiệt được chọn để đại diện cho mùa hè hiện tại và tương lai ở Alaska. Các nhà nghiên cứu dùng nước được làm giàu deuteri, một dạng hydro nặng, để mọi vi sinh vật phát triển mới đều hấp thụ dấu hiệu nguyên tử có thể phát hiện được. Sau một tháng, chỉ một phần nhỏ tế bào có dấu hiệu hoạt động, cho thấy quá trình khởi động lại diễn ra chậm. Sau sáu tháng ở nhiệt độ ấm hơn, tình hình thay đổi rõ rệt. Các quần xã vi sinh vật tái cấu trúc, màng sinh học có thể quan sát được xuất hiện, và vi sinh vật hồi sinh hoạt động khá giống những loài hiện đại.

Quá trình khởi động lại trong giá lạnh, được theo dõi từng nguyên tử

Phương pháp đánh dấu bằng deuteri giúp các nhà khoa học theo dõi sự phát triển mà không cần phỏng đoán. Khi vi sinh vật tạo màng tế bào mới hoặc các phân tử khác, chúng bổ sung các nguyên tử hydro. Nếu những nguyên tử đó là deuteri, thiết bị có thể nhận diện dấu hiệu nặng hơn và xác nhận sự phát triển bắt nguồn từ thí nghiệm, chứ không phải do nhiễm tạp. Dữ liệu từ Alaska cho thấy quá trình hồi sinh không diễn ra tức thì. Nhiều vi sinh vật dường như cần vài tuần để thích nghi, rồi mới tái tổ chức và sinh sôi sau một thời gian dài được giữ ấm. Độ trễ này cho thấy mùa tan băng kéo dài có thể quan trọng hơn một đợt nóng ngắn.

Điều gì xảy ra sau nhiều tháng ấm áp

Phát hiện then chốt là khoảng thời gian cần thiết để thức tỉnh. Các thí nghiệm cho thấy một số quần xã cổ đại cần khoảng một đến sáu tháng kể từ khi băng tan mới hoạt động đầy đủ. Trong điều kiện khí hậu hiện nay, một số nơi ở Bắc Cực đã có từng ấy thời gian mỗi năm với nhiệt độ trên mức đóng băng. Các dự báo khí hậu cho thấy mùa tan băng sẽ còn kéo dài hơn. Khoảng thời gian ấm dài hơn giúp vi sinh vật có đủ thời gian tái tạo màng tế bào, sửa chữa tổn thương do đóng băng và kích hoạt các enzyme cần thiết để tiêu hóa carbon phức tạp. Khi bộ máy này sẵn sàng, vi sinh vật có thể nhanh chóng chuyển hóa vật chất hữu cơ bị đóng băng thành các khí carbon.

Thời điểm này cũng giúp lý giải một quy luật rộng hơn được ghi nhận qua các phép đo thực địa. Nhiều địa điểm ở vùng lãnh nguyên hấp thụ carbon dioxide trong mùa sinh trưởng ngắn vào mùa hè, khi thực vật hoạt động. Lượng carbon hấp thụ ngày càng bị bù trừ bởi lượng thất thoát trong phần còn lại của năm, khi vi sinh vật tiếp tục hô hấp. Việc các vi sinh vật mới thức tỉnh phân hủy carbon cổ đại càng làm tăng lượng thất thoát ngoài mùa sinh trưởng và có thể khiến cảnh quan chuyển sang phát thải ròng.

Từ kho carbon đóng băng đến phát thải khí nhà kính

Băng vĩnh cửu thường được ví như một kho carbon khổng lồ. Lớp băng này hình thành khi điều kiện lạnh ngăn cản thực vật và động vật phân hủy hoàn toàn, khiến phần còn lại tích tụ rồi đóng băng. Băng tan sẽ mở kho đó. Trong đất giàu oxy, vi sinh vật chủ yếu giải phóng carbon dưới dạng carbon dioxide (CO2). Ở những môi trường ngập nước hoặc thiếu oxy như đầm than bùn, vùng đất ngập nước và đáy các hồ hình thành do băng tan, các vi sinh vật chuyên biệt gọi là vi khuẩn sinh methane tạo ra methane (CH4).

CO2 so với methane

Methane giữ nhiệt mạnh hơn carbon dioxide rất nhiều trong khoảng thời gian vài thập kỷ, dù phân hủy nhanh hơn trong khí quyển. Carbon dioxide yếu hơn nếu xét trên từng phân tử, nhưng tồn tại trong khí quyển suốt nhiều thế kỷ. Tỷ lệ CO2 và methane phát thải từ đất tan băng phụ thuộc vào điều kiện tại chỗ. Đất khô, thoát nước tốt có xu hướng phát thải nhiều CO2 hơn. Đất bão hòa nước và các hồ hình thành do băng tan có xu hướng phát thải nhiều methane hơn. Các nghiên cứu gần đây trên khắp Alaska và miền tây Canada cho thấy rừng có thể hấp thụ lượng CO2 nhỉnh hơn lượng phát thải trong những giai đoạn sinh trưởng mạnh, nhưng phần hấp thụ này bị bù trừ bởi methane từ vùng đất ngập nước và hồ, cháy rừng, cùng hoạt động hô hấp trong mùa lạnh. Tổng cân bằng khí nhà kính của khu vực vẫn cho thấy tình trạng ấm lên sẽ gia tăng trong những thập kỷ tới.

Lượng carbon giải phóng có thể lớn đến đâu

Đất ở các vùng có băng vĩnh cửu phía Bắc lưu trữ lượng carbon hữu cơ khổng lồ, khoảng 1.460 đến 1.600 tỷ tấn. Con số này xấp xỉ gấp đôi lượng carbon hiện có trong khí quyển. Phần lớn lượng carbon đó nằm trong ba mét đất trên cùng, nhưng một phần lớn hơn nằm sâu hơn, bị giữ trong trầm tích giàu băng và các lớp trầm tích hoàng thổ cổ đại gọi là Yedoma. Lượng carbon trong các trầm tích Yedoma sâu này được ước tính vào khoảng 327 đến 466 tỷ tấn. Các đồng bằng châu thổ sông ở Bắc Cực chứa thêm khoảng 96 tỷ tấn. Băng tan dần từ bề mặt xuống sẽ làm lộ ra phần lớn lượng carbon ở gần bề mặt theo thời gian. Băng tan đột ngột, xảy ra khi đất giàu băng sụt lở tạo thành các hố và hồ thermokarst, có thể làm các lớp đất sâu bị xáo trộn chỉ trong một mùa.

Các phép đo dòng phát thải cho thấy kho carbon khổng lồ này đã bắt đầu làm tăng lượng carbon trong khí quyển. Những quan trắc mới ở cấp khu vực và vào mùa đông cho thấy các hệ sinh thái vùng băng vĩnh cửu đang phát thải ròng 0,3 đến 0,6 tỷ tấn carbon mỗi năm dưới dạng carbon dioxide, khi tính cả lượng thất thoát trong mùa lạnh. Các chiến dịch khảo sát bằng máy bay ở Alaska ước tính lãnh nguyên là nguồn phát thải carbon ổn định, trong khi rừng phương Bắc dao động từ gần cân bằng đến hấp thụ ròng ở mức vừa phải, tùy thuộc vào cháy rừng và thời tiết. Trong một số phân tích, ước tính phát thải mùa đông đã được điều chỉnh tăng gấp hai đến ba lần khi có thêm cảm biến ghi nhận giai đoạn lạnh kéo dài, lúc thực vật ngừng hoạt động nhưng vi sinh vật thì không. Những kết quả này phù hợp với nhận định rằng vòng phản hồi do băng vĩnh cửu tan đã bắt đầu diễn ra.

Thực vật và mùa lạnh có thể bù trừ lượng phát thải này không

Mỗi mùa hè, thực vật ở lãnh nguyên và rừng phương Bắc hấp thụ carbon dioxide qua quá trình quang hợp, lưu trữ một phần dưới dạng sinh khối và vật chất hữu cơ mới trong đất. Ở những khu rừng khỏe mạnh và vùng đất ngập nước, lượng hấp thụ này có thể đáng kể. Vấn đề là mùa lạnh ở Bắc Cực kéo dài. Vi sinh vật vẫn hô hấp ở mức thấp trong phần lớn thời gian của năm, ngay cả dưới lớp tuyết. Trong hơn 250 ngày, lượng thất thoát nhỏ mỗi ngày có thể bù trừ phần lớn hoặc toàn bộ lượng hấp thụ vào mùa hè.

Khả năng thích nghi của vi sinh vật càng làm vấn đề thêm phức tạp. Các nghiên cứu tại Svalbard và những địa điểm khác ở Bắc Cực cho thấy vi sinh vật trong lớp đất trên cùng, tan theo mùa, thích nghi tốt với điều kiện lạnh. Chúng tạo ra các enzyme hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp và có thể sử dụng nhiều loại hợp chất carbon. Trong một số điều kiện, một số loài thậm chí có thể hấp thụ trực tiếp CO2, dù con đường này nhỏ so với quy mô carbon được giải phóng từ quá trình phân hủy. Đầm lầy và vùng đất than bùn có thể vẫn là bể hấp thụ carbon ròng nếu tính theo khối lượng, tích tụ than bùn suốt nhiều thế kỷ, nhưng chúng vẫn phát thải methane gây hiệu ứng làm ấm mạnh. Nhìn chung, dữ liệu gần đây cho thấy thực vật trong khu vực không hấp thụ đủ để bù lại lượng thất thoát do hô hấp ngày càng tăng và methane từ đất tan băng.

Vì sao thời gian, chứ không chỉ nhiệt độ, làm thay đổi mức độ rủi ro

Những phát hiện mới từ phòng thí nghiệm làm nổi bật tầm quan trọng của độ dài mùa. Vi sinh vật ngủ yên suốt hàng thiên niên kỷ có thể cần vài tuần đến vài tháng để sửa chữa và tái tổ chức trước khi sinh trưởng. Mùa tan băng dài hơn đem lại cho chúng khoảng thời gian đó. Những ngày nóng riêng lẻ kém quan trọng hơn một mùa xuân tan băng đến sớm và một mùa thu đóng băng đến muộn. Hồ sơ khí hậu đã cho thấy sự thay đổi này đang diễn ra ở nhiều nơi thuộc Bắc Cực.

Ánh nắng cũng góp phần đẩy nhanh quá trình giải phóng carbon khi băng vĩnh cửu bị xáo trộn. Băng tan có thể cuốn carbon trong đất vào các dòng suối và hồ, nơi chúng tiếp xúc với ánh nắng. Các phản ứng quang hóa làm suy yếu những phân tử hữu cơ phức tạp, khiến vi sinh vật dễ tiêu thụ chúng hơn. Thí nghiệm cho thấy các quần xã vi sinh vật điều chỉnh bộ máy trao đổi chất để tận dụng carbon bị ánh nắng làm suy yếu, chuyển hóa nhiều carbon hơn thành CO2. Khi băng bắt đầu tan, thủy văn, ánh sáng và sinh vật cùng phối hợp đưa carbon cổ đại đi qua hệ thống.

Các yếu tố khác cũng có vai trò. Đất ấm hơn thường đi kèm những thay đổi về độ ẩm, đôi khi cả lượng nitơ bổ sung từ lắng đọng trong khí quyển hoặc các nguồn tại chỗ. Các thí nghiệm trên đất than bùn có băng vĩnh cửu cho thấy nhiệt độ tăng làm tăng phát thải CO2 và có thể thúc đẩy hoạt động của vi khuẩn sinh methane cùng các nhóm vi sinh vật khác. Nitơ bổ sung có thể tiếp tục làm thay đổi quần xã vi sinh vật và dòng phát thải khí, trong đó có nitrous oxide, một loại khí nhà kính mạnh khác. Những tương tác này cho thấy phản ứng của đất tan băng không phải một quá trình đơn lẻ, mà là một tập hợp các quá trình liên kết, thay đổi tùy theo cảnh quan.

Những điều các nhà khoa học vẫn chưa biết

Vi sinh vật là động lực chuyển hóa carbon trong băng vĩnh cửu thành khí, nhưng hành vi của chúng trong tương lai vẫn khó dự báo ở quy mô lớn. Băng vĩnh cửu bao phủ địa hình rộng lớn và đa dạng, từ vùng đất cao khô ráo đến đầm lầy ngập nước, từ đất khoáng đến các lớp hữu cơ dày, với điều kiện thay đổi chỉ trong vài mét. Một thập kỷ nghiên cứu phân tử đã hé lộ sự đa dạng đáng kinh ngạc, nhưng việc chuyển các danh mục gene thành dự báo đáng tin cậy về phát thải khí vẫn là thách thức mới. Các nhà nghiên cứu đang xây dựng mô hình kết hợp dòng nhiệt, độ ẩm đất, thủy văn và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật để mô phỏng toàn bộ chuỗi từ băng tan đến phát thải. Nhiều mô hình vẫn khó mô phỏng hiện tượng tan băng đột ngột, sự dịch chuyển ngang của nước và carbon, cùng độ trễ được ghi nhận trong các thí nghiệm thức tỉnh mới.

Việc đo đạc cũng còn thưa thớt vào những mùa và tại những nơi khó tiếp cận. Các phương pháp ước tính từ dưới lên, mở rộng số liệu tháp đo dòng phát thải tại chỗ ra toàn khu vực, có thể không khớp với ước tính từ trên xuống dựa trên vệ tinh và máy bay. Sự khác biệt thường bắt nguồn từ thiếu dữ liệu mùa đông, những bất định về vùng đất ngập nước và hồ, cùng tác động thay đổi của cháy rừng. Việc kết hợp các phương pháp đang giúp bức tranh rõ hơn, nhưng phạm vi dự báo phát thải vẫn còn rộng.

Còn một mối lo khác nằm ngoài bài toán khí hậu. Ý tưởng làm vi sinh vật cổ đại sống lại đương nhiên đặt ra các câu hỏi về an toàn. Nghiên cứu đánh thức vi sinh vật sử dụng những mẫu nhỏ được kiểm soát và tuân thủ các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm. Quy mô nghiên cứu trong phòng thí nghiệm rất nhỏ so với vùng băng vĩnh cửu rộng lớn đang tự tan mỗi mùa hè. Rủi ro khí hậu nằm ở lượng khí nhà kính do những vi sinh vật đó tạo ra trong tự nhiên, chứ không phải các chủng vi sinh vật trong phòng thí nghiệm. Thực tế này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc giám sát và giảm tình trạng ấm lên, để ít đất đóng băng hơn vượt ngưỡng tan theo mùa.

Những điểm cần biết

• Vi sinh vật cổ đại ở Bắc Cực có thể thức tỉnh sau một đến sáu tháng ấm và ẩm, rồi giải phóng CO2 và methane khi tiêu hóa vật chất hữu cơ bị đóng băng lâu ngày.
• Đất ở các vùng có băng vĩnh cửu lưu trữ khoảng 1.460 đến 1.600 tỷ tấn carbon hữu cơ, xấp xỉ gấp đôi lượng carbon trong khí quyển.
• Đường hầm Nghiên cứu Băng vĩnh cửu gần Fairbanks, Alaska, cung cấp các mẫu cổ đại cho thấy vi sinh vật hồi sinh mạnh mẽ sau sáu tháng được ủ ấm.
• Bắc Cực ấm lên khiến mùa tan băng kéo dài, yếu tố quan trọng hơn đối với sự hồi sinh của vi sinh vật so với những đợt nóng ngắn.
• Các quan trắc gần đây cho thấy vùng băng vĩnh cửu phía Bắc đã là nguồn phát thải carbon ròng vào khí quyển khi tính cả lượng thất thoát trong mùa lạnh.
• Hồ và vùng đất ngập nước thuận lợi cho phát thải methane, trong khi đất khô thường phát thải nhiều CO2 hơn; cả hai loại khí đều làm Trái Đất ấm lên theo những thang thời gian khác nhau.
• Các nghiên cứu mới đã điều chỉnh tăng ước tính thất thoát carbon mùa đông, cho thấy lượng này bù trừ phần lớn carbon thực vật hấp thụ vào mùa hè.
• Ánh nắng khiến carbon từ băng vĩnh cửu đã tan dễ được vi sinh vật tiêu thụ hơn, đẩy nhanh việc giải phóng CO2 ở các dòng suối và hồ.
• Bất định vẫn còn lớn vì quần xã vi sinh vật và điều kiện đất thay đổi đáng kể, còn các mô hình vẫn khó mô phỏng hiện tượng tan băng đột ngột và biến động theo mùa.
• Rủi ro chính đối với công chúng là tình trạng khí hậu ấm lên do lượng khí nhà kính gia tăng, chứ không phải việc xử lý vi sinh vật cổ đại trong phòng thí nghiệm vốn được kiểm soát chặt chẽ và có quy mô nhỏ.