鲜为人知的微生物可以帮助预测气候临界点

研究一组分布广泛但经常被忽视的微生物的研究人员发现了一个可能加速气候变化的气候反馈回路。但这也不全是坏消息：这个消息带有预警信号。

来自杜克大学和加州大学圣塔芭芭拉分校的一组科学家使用计算机模拟表明，世界上大部分海洋浮游生物和湖泊、泥炭地和其他生态系统中的许多其他单细胞生物都可以跨越一个阈值，而不是吸收二氧化碳，他们开始做相反的事情。那是因为变暖如何影响他们的新陈代谢。

因为二氧化碳是一种温室气体，它反过来可能会进一步推高温度——一个可能导致失控变化的正反馈循环，在这种情况下，少量的变暖会产生巨大的影响。

但研究人员在 6 月 1 日发表在《功能生态学》 杂志上的一项研究中报告称，通过仔细监测这些生物的丰度，我们或许能够在临界点到来之前预测到它。

在这项新研究中，研究人员专注于一组称为混养生物的微小生物，之所以这样命名是因为它们混合了两种新陈代谢模式：它们可以像植物一样进行光合作用，或者像动物一样捕食，具体取决于条件。

“它们就像微生物世界的维纳斯捕蝇器，”第一作者、杜克大学博士后助理Daniel Wieczynski说。

在光合作用过程中，它们吸收二氧化碳，这是一种吸热温室气体。当他们吃东西时，他们会释放二氧化碳。杜克大学的资深作者Jean P. Gibert说，大多数全球变暖模型都没有考虑这些多才多艺的生物，但它们在调节气候方面发挥着重要作用。

海洋中的大多数浮游生物——如硅藻、甲藻——都是混合营养生物。它们在湖泊、泥炭地、潮湿的土壤和落叶下也很常见。

“如果你去最近的池塘或湖泊并舀起一杯水并将其放在显微镜下，你可能会发现成千上万甚至数百万的混合营养微生物在游动，”Wieczynski 说。

“因为混合营养生物既可以捕获也可以排放二氧化碳，它们就像‘开关’，可以帮助减少气候变化或使气候变化变得更糟，”共同作者、加州大学圣巴巴拉分校的助理教授Holly Moeller说。

为了了解这些影响可能如何扩大，研究人员开发了一个数学模型来预测随着气候持续变暖，混合营养生物可能如何在不同的新陈代谢模式之间转变。

研究人员使用 4 度的温度范围运行他们的模型，从 19 到 23 摄氏度(66-73 华氏度)。未来五年内，全球气温可能比工业化前水平高出 1.5 摄氏度，并有望在本世纪末前突破 2 至 4摄氏度。

分析表明，天气越暖和，混养生物就越依赖于进食，而不是通过光合作用制造自己的食物。当他们这样做时，他们改变了碳输入和碳输出之间的平衡。

这些模型表明，最终，我们可以看到这些微生物达到一个临界点——超过这个临界点，它们突然从碳汇转变为碳源，产生净变暖效应而不是冷却效应。

这个临界点很难撤销。研究结果表明，一旦它们超过这个阈值，就需要显着降温——超过 1 摄氏度——才能恢复它们的降温效果。

但这也不全是坏消息，研究人员说。他们的结果还表明，如果我们注意混养菌丰度随时间的变化，就有可能提前发现这些变化。

“就在临界点之前，它们的丰度突然开始剧烈波动，”Wieczynski 说。“如果你到大自然中去，看到从相对稳定的丰度突然变化到快速波动，你就会知道它来了。”

然而，能否检测到预警信号，可能取决于研究揭示的另一个关键因素：养分污染。

废水处理设施的排放物以及带有化肥和动物粪便的农场和草坪的径流可以将硝酸盐和磷酸盐等营养物质输送到湖泊、溪流和沿海水域。

当 Wieczynski 和他的同事在他们的模型中加入更多的此类营养素时，他们发现出现信号波动的温度范围开始缩小，直到最终信号消失并且临界点在没有明显警告的情况下到达。

该模型的预测仍然需要用现实世界的观察来验证，但它们“突出了投资早期检测的价值，”莫勒说。

“临界点可能是短暂的，因此很难捕捉到，”吉伯特说。“这篇论文为我们提供了一个搜索图像，一些值得关注的东西，并使那些转折点——尽管它们可能转瞬即逝——更有可能被发现。”

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