古老微生物為何與當下息息相關
在北極各地的凍土中，數萬年前以古老動植物為食、長期休眠的微生物，正逐漸甦醒。研究人員利用阿拉斯加內陸的永久凍土樣本進行實驗，發現休眠的微生物群落有些已有4萬年之久，只要環境持續溫暖潮濕，幾個月內就能重新活躍。一旦甦醒，這些微生物便會分解長期冰封的有機物，釋出二氧化碳和甲烷這兩種會滯留熱量的氣體。這個過程會進一步推升氣候暖化，也增加永久凍土融化加速、形成自我強化循環的風險。
目錄
永久凍土是指連續至少兩年保持冰凍的地層，厚度可能只有一公尺，也可能達數百公尺，封存著來自早已消失的苔原與北方森林生態系的古老碳。表層通常會在夏季融化，但較深層的地層自上一次冰河時期以來一直封存於地下。這項新研究顯示，若夏季變長、活動季延伸至春季和秋季，即使深層永久凍土中的微生物，也可能成為現代碳循環中的「兼職居民」。
這種時間變化至關重要。北極暖化速度約為全球平均的兩倍，融凍季也正逐漸延長。科學家已測得北方地區在秋季、冬季和春季的溫室氣體排放量增加；這些時節植物大多處於休眠狀態。將淡季排放納入計算後，近年許多時候，該地區似乎是大氣碳的淨來源。古老微生物甦醒將使這項負擔更加沉重。
阿拉斯加永久凍土隧道揭示了什麼
為了研究微生物甦醒的速度，研究人員從阿拉斯加費爾班克斯附近的永久凍土研究隧道採集冰凍岩芯。隧道位於地表下約50英尺，深入冰凍地層超過350英尺，保存著更新世晚期地貌的詳細紀錄。這裡是少數能讓科學家採集完整古老土壤與冰層的地點之一，這些土壤與冰層已冰封數千年。
阿拉斯加是理想的研究地點，因為該州有大片土地下方分布著永久凍土。隧道的冰凍壁面呈現出淤泥、沙土和富含有機物的地層，以及土壤凍結時形成的地冰。許多地層含有埋藏的動植物遺骸，仍大致未經微生物分解。一旦融凍帶來液態水，且溫度升至冰點以上，這些長期休眠的微生物群落便具備恢復代謝所需的條件。
科學家如何讓冰河時期的微生物甦醒
研究人員在實驗室將少量古老永久凍土弄濕，並在設定溫度下培養，以模擬阿拉斯加當前及未來的夏季。研究團隊使用富含氘的水；氘是氫的一種較重形態，因此新生的微生物只要吸收氘，就會留下可偵測的原子標記。培養一個月後，只有少數細胞顯示活動跡象，代表微生物甦醒的過程緩慢。若在較溫暖的環境下培養六個月，情況則大不相同：微生物群落重新組成，出現肉眼可見的生物膜，甦醒後的微生物也表現得與現代微生物相似。
追蹤原子，觀察微生物如何在低溫下重啟
氘標記法讓科學家得以追蹤微生物生長，不必靠猜測。微生物製造新的細胞膜或其他分子時，會加入氫原子。若這些原子是氘，儀器便能辨認較重的原子標記，確認生長來自實驗，而非污染。阿拉斯加的研究數據顯示，微生物不會立即甦醒。許多微生物似乎需要數週時間適應，之後才會重新組成並擴增，而且只有在持續溫暖一段時間後才會發生。這段延遲凸顯，融凍季延長的重要性可能勝過短暫的高溫。
持續溫暖數月後會發生什麼
這項研究的關鍵發現是微生物甦醒所需的時間。實驗顯示，部分古老微生物群落從融化到完全活躍，約有一至六個月的延遲期。如今，北極部分地區每年氣溫高於冰點的時間已達這麼長。氣候預測則顯示，未來融凍季還會延長。較長的溫暖時期能讓微生物有足夠時間重建細胞膜、修復冰凍造成的損傷，並啟動消化複雜碳所需的酵素。一旦這套機制就緒，微生物便能迅速將冰封的有機物轉化為碳氣體。
這種時間變化也有助於解釋實地測量呈現的普遍模式。許多苔原地點在短暫的夏季生長季會吸收二氧化碳，此時植物正活躍生長。但隨著微生物持續呼吸，其餘時節的碳損失日益抵銷夏季吸收的碳。新甦醒的微生物開始分解深層古老碳，會加劇淡季碳損失，甚至可能使地景轉為淨排放。
從冰封碳庫到溫室氣體排放
永久凍土常被形容為一座巨大的碳庫。寒冷環境阻止動植物遺骸完全分解，使其逐漸累積並冰封。融化會打開這座碳庫。在富含氧氣的土壤中，微生物主要會釋出二氧化碳（CO2）。在泥炭地、濕地和融化湖泊湖底等積水或缺氧環境中，一種稱為產甲烷菌的專門微生物會產生甲烷（CH4）。
二氧化碳與甲烷的差異
在數十年的時間尺度內，甲烷捕捉的熱量遠多於二氧化碳，但它在大氣中分解得較快。二氧化碳單個分子的增溫效力較弱，卻能在大氣中留存數百年。融凍地層釋出的二氧化碳與甲烷比例，取決於當地環境。較乾燥、排水較好的土壤會使排放偏向二氧化碳；飽水土壤和融化湖泊則會使排放偏向甲烷。近期針對阿拉斯加和加拿大西部的研究指出，森林在生產力旺盛時期吸收的二氧化碳可能略多於排放量，但這些吸收量會被濕地和湖泊的甲烷排放、野火及寒季呼吸作用所抵銷。整體而言，該地區的溫室氣體收支仍顯示，未來數十年將加劇暖化。
碳釋放量可能有多大
北方永久凍土區的土壤儲存了龐大的有機碳，約1兆4,600億至1兆6,000億公噸，相當於目前大氣含碳量的兩倍左右。這些碳大多位於地表下三公尺內，但也有很大一部分深埋在富含冰的沉積物和稱為耶多馬（Yedoma）的古老黃土堆積中。深層耶多馬沉積物所含的碳估計約為3,270億至4,660億公噸。北極河流三角洲另儲存約960億公噸碳。隨著融化逐漸由地表向下推進，許多近地表碳儲量將隨時間暴露。突發融凍則會發生在富冰地層崩塌、形成熱融窪地和湖泊之處，可能在單一季節內動員更深層的碳。
通量測量顯示，這座龐大碳庫已開始向大氣釋碳。納入寒季損失後，新的區域與冬季觀測指出，永久凍土區生態系統每年淨釋出約3億至6億公噸碳，形成二氧化碳排放。阿拉斯加的飛航觀測估計，苔原持續是碳源；北方森林則會因野火和天候，在接近碳中和與小幅碳匯之間變動。由於更多感測器記錄到漫長寒冷時期的數據，而此時植物休眠、微生物卻仍然活躍，部分分析對冬季排放量的估計已上修至原來的兩至三倍。這些結果符合一種推論：永久凍土融化帶來的回饋效應已經開始。
植物和寒季能抵銷這些排放嗎
每年夏季，苔原和北方森林的植物透過光合作用吸收二氧化碳，並將部分碳儲存在生物量和新形成的土壤有機物中。在健康的林地和濕地，吸收量可能很可觀。問題在於，北極寒季非常漫長。即使在積雪之下，微生物仍會在一年中的大部分時間以低速呼吸。歷時250天以上的寒季中，這些日積月累的小幅碳損失，可能抵銷大部分、甚至全部的夏季碳吸收量。
微生物的適應能力也使情況更加棘手。斯瓦爾巴群島和其他北極地區的研究顯示，季節性融凍表層的微生物已適應寒冷環境。它們能產生在低溫下仍有效運作的酵素，並利用多種碳化合物。在某些條件下，有些微生物甚至能直接吸收二氧化碳，但與分解作用釋碳的規模相比，這種途徑影響很小。濕地和泥炭地可能仍是淨碳匯，數百年來持續累積泥炭，但同時也會排放具有強烈增溫效應的甲烷。整體而言，近期數據顯示，該地區植物的碳吸收量，無法完全抵銷日益增加的呼吸作用碳損失，以及融凍地層釋出的甲烷。
為何融凍時程和溫度同樣攸關風險
這項新的實驗室研究凸顯季節長短的重要性。休眠數千年的微生物可能需要數週至數月修復並重新組成，才能生長。延長的融凍季能提供這段時間。比起短暫的高溫，春季融化提早、秋季結冰延後更為重要。許多北極地區的氣候紀錄已顯示這種變化正在發生。
永久凍土受擾後，陽光也會加速碳釋出。融凍可能將土壤中的碳沖入溪流和湖泊，使其暴露於陽光下。光化學反應會分解複雜的有機分子，使微生物更容易利用。實驗顯示，微生物群落會調整代謝機制，利用陽光削弱的碳，將更多碳轉化為二氧化碳。融凍開始後，水文、光照和生物作用會彼此交互影響，使古老碳在系統中移動。
其他因素也很重要。土壤變暖往往伴隨水分變化，有時還會增加來自大氣沉降或當地來源的氮。永久凍土泥炭地土壤的實驗顯示，暖化會增加二氧化碳排放，也可能提升產甲烷菌和其他微生物群的活性。氮增加還會進一步改變微生物群落和氣體通量，包括另一種強效溫室氣體氧化亞氮。這些交互作用顯示，融凍地層的反應不是單一過程，而是一系列彼此關聯、且因地景而異的過程。
科學家仍有哪些未知
微生物是將永久凍土中的碳轉化為氣體的引擎，但要大規模預測它們未來的活動仍十分困難。永久凍土涵蓋廣闊而多樣的地形，從乾燥高地到積水泥炭地、從礦物土壤到厚層有機土，環境條件甚至每隔數公尺就可能不同。過去十年的分子研究揭露了驚人的多樣性，但如何將基因清單轉化為可靠的氣體排放預測，仍是一項待突破的難題。研究人員正在建立整合熱流、土壤水分、水文和微生物代謝的模型，以掌握從融凍到排放的完整過程。許多模型仍難以模擬突發融凍、水和碳的橫向移動，以及這項新研究所揭示的時間延遲。
在難以抵達的季節和地點，觀測數據也仍然不足。將當地通量塔數據推估至區域尺度的自下而上方法，可能與利用衛星和飛機進行的自上而下估算不一致。差異往往來自冬季數據不足、濕地與湖泊狀況的不確定性，以及野火影響不斷變化。不同方法的整合正逐漸改善整體理解，但排放量預測仍有很大落差。
還有一項憂慮不在氣候收支之內。讓古老微生物甦醒的想法，自然會引發安全疑慮。相關研究使用少量且受到控制的樣本，並採取標準實驗室防護措施。與每年夏季自行融化的廣大永久凍土相比，實驗室研究的規模微不足道。氣候風險來自野外微生物產生的溫室氣體，而非實驗室菌株。這個現實凸顯監測工作的重要性，也說明必須減緩暖化，才能降低更多冰凍地層跨過季節性融凍臨界點的機率。
重點整理
- 北極古老微生物經過一至六個月的溫暖潮濕環境後可能甦醒，接著分解長期冰封的有機物，釋出二氧化碳和甲烷。
- 永久凍土區土壤儲存約1兆4,600億至1兆6,000億公噸有機碳，大約是大氣含碳量的兩倍。
- 阿拉斯加費爾班克斯附近的永久凍土研究隧道提供古老樣本；樣本在溫暖環境培養六個月後，微生物活性大幅恢復。
- 北極暖化正延長融凍季；對微生物甦醒而言，這比短暫的高溫更重要。
- 近期觀測顯示，計入寒季損失後，北方永久凍土區已是大氣碳的淨來源。
- 湖泊和濕地較容易排放甲烷，較乾燥的土壤則傾向排放較多二氧化碳；兩種氣體都會以不同時間尺度加劇暖化。
- 新研究上修了冬季碳損失估計，抵銷植物在夏季吸收的大部分碳。
- 陽光會使融化的永久凍土碳更容易被微生物利用，加速溪流和湖泊中的二氧化碳釋放。
- 由於微生物群落和土壤狀況差異很大，且模型仍難以模擬突發融凍和季節變化，相關預測仍有高度不確定性。
- 主要的公共風險是溫室氣體增加造成氣候暖化，而非受嚴格管控、規模有限的古老微生物實驗室操作。
