Оттаявшие из вечной мерзлоты микробы перестраивают пищевые цепочки по всему миру

Аляска находится на передовой линии изменения климата, испытывая одни из самых высоких темпов потепления среди всех стран мира.

Когда температура повышается во внутренних районах штата — обширном регионе высоких широт площадью 113 миллионов акров, — вечная мерзлота там не только оттаивает, высвобождая значительное количество накопленного углерода обратно в атмосферу, где он еще больше ускоряет рост температуры, но и разлагается. Это разложение способно насытить углеродом надземные и подземные пищевые сети, что может повлиять на энергетические потоки между этими важнейшими экологическими связями и на виды, которые они поддерживают.

Один из таких видов — тундровая полевка, одно из четырех животных арктических или бореальных лесов, которых Филипп Манлик, биолог-исследователь дикой природы из Тихоокеанской северо-западной исследовательской станции Лесной службы США в Джуно, Аляска, изучал в рамках своего нового исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature Climate Change.

Вместе с коллегами из Университета Нью-Мексико и Техасского университета в Остине Манлик использовал новую методику для количественной оценки влияния изменения климата на потоки энергии и углерода между надземными, или зелеными, пищевыми сетями, поддерживаемыми растениями, и подземными, или коричневыми, пищевыми сетями, управляемыми микробами, используя два вида полевок, землероек и пауков в качестве «окон» в эти сложные миры.

Понимание того, как энергия перемещается по пищевым сетям, помогает нам понять, как функционируют экосистемы и как животные могут реагировать на такие стрессовые факторы, как изменение климата, — говорит Манлик.

Хорошо известно, что в арктических и бореальных экосистемах климат потеплел, вечная мерзлота растаяла, а микробы процветают. Но мы очень мало знаем о влиянии этого процесса на наземные пищевые сети и животных, которых они поддерживают.

Новая многообещающая техника

Новая методика, лежащая в основе исследования, предполагает измерение уникальных «отпечатков» изотопов углерода в незаменимых аминокислотах, которые могут производить только растения, бактерии и грибы. Животные могут получать эти молекулы только через свой рацион. Таким образом, незаменимые аминокислоты могут служить биомаркером, который помогает исследователям отслеживать перемещение углерода между зелеными и коричневыми пищевыми сетями, что в конечном итоге помогает обнаружить изменения.

Ученые часто спорят о важности животных для экосистемных процессов, таких как круговорот углерода, но когда они едят ресурсы из разных пищевых сетей, они перемещают углерод между резервуарами, — сказал Манлик.

В будущем мы думаем, что этот инструмент можно будет использовать для отслеживания судьбы углерода в пищевых сетях, чтобы понять функциональную роль животных в экосистемных функциях, таких как круговорот питательных веществ.

В ходе исследования был проанализирован костный коллаген музейных образцов тундровых и красноносых полевок и масковых землероек из Экспериментального леса Бонанза-Крик близ Фэрбенкса (Аляска) в 1990 и 2021 годах — выборка, представляющая животных, подвергшихся долгосрочному потеплению климата. Чтобы изучить влияние краткосрочного потепления климата на животных, исследователи взяли пробы пауков арктического волка в районе озера Тоолик, Аляска. Часть пауков была взята в качестве контроля, а другие подверглись воздействию потепления на 2 °C в открытых изолированных средах обитания, называемых «мезокосмами», в которых ученые могли повышать температуру на микроуровне, чтобы имитировать потепление климата.

Экспериментальный лес Бонанза-Крик площадью чуть более 12 000 акров, включающий внутренние леса и пойменные биотопы, является идеальным местом для изучения влияния изменения климата на бореальные леса и пищевые сети, поскольку он обеспечивает долгосрочный учет изменений во внутренних районах Аляски. Он был создан Лесной службой Министерства сельского хозяйства США 60 лет назад и с 1987 года является объектом долгосрочных экологических исследований Национального научного фонда. Манлик считает, что это место дает возможность изучить, как изменения в бореальном лесу влияют на обитающих там животных и как сами животные влияют на лесные процессы, добывая корм и формируя пищевые сети.

Значительный сдвиг в источнике энергии

Проведя изотопный анализ, Манлик и его коллеги обнаружили значительные изменения в усвоении углерода млекопитающими — в частности, переход от растительных пищевых сетей к грибным. Другими словами, грибы заменили растения в качестве основного источника энергии: мелкие млекопитающие, такие как землеройки, усваивали до 90 процентов всего потребляемого ими углерода из грибов, что более чем на 40 процентов больше, чем у исторических образцов.

То же самое произошло и с арктическими пауками-волками. Они тоже перешли от растительной к грибковой пищевой сети в качестве основного источника энергии, усваивая более 50 процентов бурого углерода в условиях потепления по сравнению с 26 процентами в контрольных точках.

Наше исследование представляет четкие доказательства того, что потепление климата изменяет потоки углерода и динамику пищевых сетей среди надземных потребителей в арктических тундровых и бореальных лесных экосистемах — по всем видам, экосистемам и сценариям долгосрочного и краткосрочного потепления, — сказал Манлик.

И мы показываем, что эти изменения являются следствием перехода от преимущественно зеленых, растительных пищевых сетей к коричневым, основанным на микробах.

Что стоит за этим сдвигом?

Ученые предполагают, что бурый углерод передается надземным потребителям, таким как млекопитающие и пауки, в ходе серии хищнических событий, известных как трофические пути. Потепление приводит к усиленному разложению вечной мерзлоты в тундре и в бореальных лесах; грибы питаются разлагающейся растительной массой и, в свою очередь, потребляются членистоногими, клещами и дождевыми червями, которые переносят грибной углерод вверх по пищевой сети, где его, в свою очередь, потребляют полевки, землеройки и пауки.

Потепление климата значительно изменяет поток энергии в пищевых сетях, так что животные, которые исторически поддерживались растительными пищевыми сетями, теперь поддерживаются грибковыми пищевыми сетями, полученными в результате подземного разложения, — говорит Манлик.

Животные могут изменять круговорот углерода

Работа Манлика и его коллег подчеркивает, что животные служат важнейшим связующим звеном между зелеными и коричневыми пищевыми сетями; она также показывает, что потепление климата изменяет эту связь у разных видов в Арктике и в бореальных лесах. Потенциальные последствия этих климатических сдвигов гораздо серьезнее, чем может показаться из-за небольшого размера этих видов.

Сдвиги в этих взаимодействиях могут иметь косвенные последствия для круговорота питательных веществ и функционирования экосистем, — говорит Манлик.

Например, если полевки получают больше энергии из подземных источников, они могут потреблять меньше растений, что может увеличить накопление углерода в надземных экосистемах.

Большая часть современных работ в высоких широтах посвящена «озеленению Арктики», или идее о том, что потепление климата ведет к росту растений и озеленению экосистем. Мы обнаружили прямо противоположную картину — пищевые паутины „коричневеют“.

В дальнейшем Мэнлик планирует изучить, почему эти закономерности у растений и животных различаются и что это значит для будущего этих быстро меняющихся экосистем.

03.01.2024