Los antiguos microbios del Ártico están despertando y podrían acelerar el calentamiento

Por qué importan ahora los microbios antiguos

En los suelos congelados de todo el Ártico, los microbios que se alimentaron por última vez de plantas y animales antiguos hace decenas de miles de años están volviendo a la vida. Experimentos de laboratorio con muestras de permafrost del interior de Alaska muestran que comunidades inactivas, algunas de hasta 40.000 años de antigüedad, pueden reactivarse en cuestión de meses si las condiciones se mantienen cálidas y húmedas. Una vez activos, descomponen la materia orgánica que llevaba mucho tiempo congelada y liberan dióxido de carbono y metano, dos gases que retienen el calor. Este proceso intensifica el calentamiento del clima y aumenta el riesgo de que el deshielo del permafrost se acelere en un ciclo que se refuerza a sí mismo.

El permafrost es un suelo que permanece congelado durante al menos dos años consecutivos. Puede tener apenas un metro de profundidad o cientos de metros de espesor, y retiene carbono antiguo de ecosistemas de tundra y boreales desaparecidos hace mucho tiempo. La capa superior suele descongelarse en verano, pero las capas más profundas permanecen selladas desde la última glaciación. La nueva investigación indica que, si los veranos se alargan y la temporada de actividad se extiende a la primavera y el otoño, incluso los microbios de las profundidades del permafrost pueden convertirse en participantes temporales del ciclo moderno del carbono.

El momento es crucial. El Ártico se calienta aproximadamente el doble de rápido que el promedio mundial, y la temporada de deshielo se está ampliando. Los científicos han medido un aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero en los paisajes del norte durante el otoño, el invierno y la primavera, una época en la que las plantas están en gran medida inactivas. Al contabilizar estas emisiones fuera de temporada, la región parece ser una fuente neta de carbono a la atmósfera en muchos años recientes. El despertar de los microbios antiguos aumentaría esa carga.

Qué revela el túnel de permafrost de Alaska

Para estudiar el ritmo de reactivación de los microbios, los investigadores recogieron muestras cilíndricas congeladas del túnel de investigación del permafrost, cerca de Fairbanks, Alaska. El túnel está a unos 50 pies bajo la superficie y se extiende más de 350 pies por el suelo congelado, que conserva un registro detallado de los paisajes del Pleistoceno tardío. Es un lugar excepcional donde los científicos pueden tomar muestras de suelos y hielo antiguos intactos que han permanecido congelados durante milenios.

Alaska es una zona ideal para el estudio porque el permafrost cubre una gran parte del estado. Las paredes congeladas del túnel muestran capas de limo, arena y suelo rico en materia orgánica, además de hielo subterráneo que se formó cuando el suelo se congeló. Muchas de esas capas contienen restos enterrados de plantas y animales que los microbios aún no han procesado en gran medida. Cuando el deshielo aporta agua líquida y temperaturas superiores al punto de congelación, esas comunidades inactivas desde hace mucho tiempo cuentan con los elementos necesarios para reanudar su metabolismo.

Cómo reactivaron los científicos los microbios de la Edad de Hielo

En el laboratorio, humedecieron pequeños fragmentos del antiguo permafrost y los incubaron a temperaturas elegidas para representar los veranos actuales y futuros de Alaska. Los investigadores utilizaron agua enriquecida con deuterio, una forma pesada de hidrógeno, para que todo nuevo crecimiento microbiano incorporara una señal atómica detectable. Al cabo de un mes, solo una pequeña proporción de las células mostraba signos de actividad, lo que sugería una reactivación lenta. Tras seis meses a temperaturas más cálidas, la situación cambió drásticamente. Las comunidades microbianas se reorganizaron, aparecieron biopelículas visibles y los microbios reactivados se comportaron de manera muy similar a sus equivalentes actuales.

Una reactivación en frío, seguida átomo por átomo

El método de marcaje con deuterio permite a los científicos seguir el crecimiento sin tener que hacer conjeturas. Cuando los microbios forman nuevas membranas celulares u otras moléculas, incorporan átomos de hidrógeno. Si esos átomos son de deuterio, los instrumentos pueden detectar la señal más pesada y confirmar que el crecimiento provino del experimento y no de una contaminación. Los datos de Alaska muestran que la reactivación no es inmediata. Muchos microbios parecen adaptarse durante semanas y solo después se reorganizan y expanden, tras un período prolongado de calor. Ese retraso subraya por qué una temporada de deshielo más larga puede importar más que un solo episodio de calor intenso.

Qué ocurre tras meses de calor

El hallazgo clave es el tiempo que tarda la reactivación. Los experimentos apuntan a un período de entre uno y seis meses desde el deshielo hasta la actividad plena de algunas comunidades antiguas. Con el clima actual, algunas zonas del Ártico ya pasan cada año ese tiempo por encima del punto de congelación. Las proyecciones climáticas apuntan a temporadas de deshielo más largas en el futuro. Un período cálido más prolongado da a los microbios tiempo suficiente para reconstruir sus membranas, reparar los daños causados por la congelación y activar las enzimas necesarias para digerir carbono complejo. Una vez que esa maquinaria está en funcionamiento, los microbios pueden convertir rápidamente la materia orgánica congelada en gases de carbono.

Este ritmo también ayuda a explicar un patrón más amplio observado en las mediciones de campo. Muchos sitios de tundra absorben dióxido de carbono durante la breve temporada de crecimiento del verano, cuando las plantas están activas. Esas ganancias se ven cada vez más compensadas por las pérdidas durante el resto del año, a medida que los microbios siguen respirando. La incorporación de microbios recién reactivados que actúan sobre el carbono antiguo profundiza las pérdidas fuera de temporada y puede hacer que los paisajes pasen a emitir más carbono del que absorben.

De reserva de carbono congelada a emisiones de gases de efecto invernadero

El permafrost suele describirse como una gigantesca reserva de carbono. Se formó porque las condiciones frías impidieron la descomposición completa de restos de plantas y animales, que luego se acumularon y congelaron. El deshielo abre esa reserva. En suelos ricos en oxígeno, los microbios liberan principalmente dióxido de carbono (CO2). En entornos anegados o pobres en oxígeno, como las turberas, los humedales y el fondo de los lagos de deshielo, unos microbios especializados llamados metanógenos producen metano (CH4).

CO2 frente a metano

El metano atrapa mucho más calor que el dióxido de carbono durante unas décadas, aunque se descompone más rápido en la atmósfera. El dióxido de carbono es menos potente molécula por molécula, pero permanece durante siglos. El equilibrio entre el CO2 y el metano que emite el suelo en deshielo depende de las condiciones locales. Los suelos más secos y con mejor drenaje favorecen las emisiones de CO2. Los suelos saturados de agua y los lagos de deshielo favorecen las emisiones de metano. Investigaciones recientes en Alaska y el oeste de Canadá indican que, durante los períodos de mayor productividad, los bosques pueden absorber un poco más de CO2 del que emiten. Sin embargo, esas ganancias se ven compensadas por el metano de los humedales y los lagos, los incendios y la respiración durante las estaciones frías. El balance combinado de gases de efecto invernadero de la región sigue apuntando a un mayor calentamiento en las próximas décadas.

Qué magnitud podría alcanzar la liberación de carbono

Los suelos de las regiones septentrionales con permafrost almacenan una enorme cantidad de carbono orgánico: entre 1.460 y 1.600 millones de toneladas métricas. Es aproximadamente el doble del carbono que contiene ahora la atmósfera. La mayor parte de esa reserva está en los tres metros superiores del suelo, pero una gran proporción se encuentra a mayor profundidad, atrapada en sedimentos ricos en hielo y antiguos depósitos de loess conocidos como Yedoma. Las estimaciones de carbono en esos depósitos profundos de Yedoma oscilan entre 327.000 y 466.000 millones de toneladas. Los deltas fluviales del Ártico suman unos 96.000 millones de toneladas más. El deshielo gradual desde la superficie hacia abajo irá exponiendo gran parte de las reservas cercanas a la superficie. El deshielo abrupto, que ocurre cuando el suelo rico en hielo se desploma y forma depresiones y lagos termocársticos, puede movilizar capas más profundas en una sola temporada.

Las mediciones de flujos indican que esta enorme reserva ya ha empezado a aumentar el carbono en la atmósfera. Nuevas observaciones regionales y de la temporada invernal indican que los ecosistemas de las regiones con permafrost liberan netamente entre 0,3 y 0,6 millones de toneladas de carbono al año en forma de dióxido de carbono, al incluir las pérdidas de las estaciones frías. Las campañas aéreas sobre Alaska han estimado que la tundra es una fuente constante de carbono, mientras que los bosques boreales varían entre un balance casi neutro y una absorción moderada, según los incendios y las condiciones meteorológicas. En algunos análisis, las emisiones invernales se han revisado al alza entre dos y tres veces, a medida que más sensores captan el largo período frío durante el cual las plantas están inactivas, pero los microbios no. Estos resultados son compatibles con la idea de que ya está en marcha una retroalimentación provocada por el deshielo del permafrost.

¿Pueden las plantas y las estaciones frías compensar estas emisiones?

Cada verano, las plantas de la tundra y los bosques boreales absorben dióxido de carbono mediante la fotosíntesis y almacenan una parte en forma de biomasa y nueva materia orgánica del suelo. En zonas saludables de vegetación y humedales, esa absorción puede ser considerable. El problema es que la estación fría del Ártico es muy larga. La respiración microbiana continúa a un ritmo bajo durante gran parte del año, incluso bajo la nieve. A lo largo de 250 días o más, esas pequeñas pérdidas diarias pueden compensar la mayoría o la totalidad de las ganancias estivales.

La flexibilidad de los microbios añade dificultad. Estudios en Svalbard y otros sitios del Ártico muestran que los microbios de la capa superior, que se descongela de manera estacional, están bien adaptados al frío. Producen enzimas que funcionan con eficiencia a bajas temperaturas y pueden utilizar una amplia variedad de compuestos de carbono. Algunos incluso pueden absorber directamente CO2 en determinadas condiciones, aunque esa vía es pequeña en comparación con la escala de la liberación de carbono por descomposición. Los humedales y las turberas pueden seguir siendo sumideros netos de carbono por peso y acumular turba durante siglos, pero aun así emiten metano, que tiene un fuerte efecto de calentamiento. En conjunto, los datos recientes indican que la absorción de las plantas en toda la región no compensa por completo el aumento de las pérdidas por respiración y las emisiones de metano del suelo en deshielo.

Por qué el momento, y no solo la temperatura, cambia el riesgo

Los nuevos resultados de laboratorio ponen el foco en la duración de las estaciones. Los microbios que permanecieron inactivos durante milenios pueden necesitar semanas o meses para repararse y reorganizarse antes de crecer. Una temporada de deshielo más larga les da ese tiempo. Los días calurosos por sí solos son menos importantes que un deshielo primaveral que llega antes y una congelación otoñal que se retrasa. Los registros climáticos ya muestran que ese cambio está en marcha en muchos lugares del Ártico.

La luz solar también contribuye a acelerar la liberación de carbono una vez que el permafrost se altera. El deshielo puede arrastrar carbono del suelo hasta arroyos y lagos, donde queda expuesto a la luz solar. Las reacciones fotoquímicas debilitan las moléculas orgánicas complejas y facilitan que los microbios las consuman. Los experimentos muestran que las comunidades microbianas modifican su maquinaria metabólica para aprovechar el carbono debilitado por el sol y convertir una mayor cantidad en CO2. La hidrología, la luz y la biología actúan conjuntamente para movilizar el carbono antiguo en el sistema cuando comienza el deshielo.

También influyen otros factores. Los suelos más cálidos suelen ir acompañados de cambios en la humedad y, a veces, de un mayor aporte de nitrógeno procedente de la deposición atmosférica o de fuentes locales. Experimentos en suelos de turberas con permafrost han mostrado que el calentamiento aumenta las emisiones de CO2 y puede impulsar la actividad de los metanógenos y otros grupos microbianos. El nitrógeno añadido puede modificar aún más las comunidades microbianas y los flujos de gases, incluido el óxido nitroso, otro potente gas de efecto invernadero. Estas interacciones muestran que la respuesta del suelo en deshielo no consiste en un solo proceso, sino en un conjunto de procesos vinculados que varían según el paisaje.

Qué desconocen todavía los científicos

Los microbios son los motores que convierten el carbono del permafrost en gases, pero su comportamiento futuro sigue siendo difícil de predecir a gran escala. El permafrost cubre terrenos vastos y diversos: desde tierras altas secas hasta turberas anegadas, y desde suelos minerales hasta gruesas capas orgánicas. Las condiciones pueden variar en unos pocos metros. Una década de estudios moleculares ha revelado una diversidad sorprendente, pero traducir los catálogos de genes en proyecciones fiables de emisiones de gases sigue siendo un desafío. Los investigadores están desarrollando modelos que combinan el flujo de calor, la humedad del suelo, la hidrología y el metabolismo microbiano para representar toda la cadena, desde el deshielo hasta las emisiones. Muchos modelos aún tienen dificultades para simular el deshielo abrupto, el movimiento lateral del agua y el carbono, y los desfases temporales observados en los nuevos experimentos sobre reactivación.

Las mediciones también siguen siendo escasas en estaciones y lugares de difícil acceso. Los métodos ascendentes, que extrapolan los flujos locales medidos por torres a regiones enteras, pueden diferir de las estimaciones descendentes basadas en satélites y aeronaves. Las diferencias suelen deberse a la falta de datos invernales, la incertidumbre sobre los humedales y los lagos, y los efectos cambiantes de los incendios forestales. Una mejor integración de los métodos está ofreciendo una imagen más clara, pero las proyecciones de emisiones aún presentan un amplio margen de variación.

Otra preocupación está fuera del balance climático. La posibilidad de reactivar microbios antiguos plantea naturalmente preguntas sobre la seguridad. Las investigaciones que reactivan microbios utilizan muestras pequeñas y controladas, y aplican las precauciones habituales de laboratorio. La escala del trabajo de laboratorio es minúscula en comparación con la vasta extensión de permafrost que se descongela por sí sola cada verano. El riesgo climático reside en los gases de efecto invernadero que producen esos microbios en la naturaleza, no en las cepas de laboratorio. Esta realidad pone el foco en la vigilancia y en reducir el calentamiento para que una menor cantidad de suelo congelado alcance el umbral del deshielo estacional.

Lo que debe saber

• Los microbios antiguos del Ártico pueden reactivarse tras uno a seis meses de calor y humedad, y después liberar CO2 y metano al digerir materia orgánica congelada durante mucho tiempo.
• Los suelos de las regiones con permafrost almacenan entre 1.460 y 1.600 millones de toneladas de carbono orgánico, aproximadamente el doble de la cantidad presente en la atmósfera.
• El túnel de investigación del permafrost, cerca de Fairbanks, Alaska, proporcionó muestras antiguas que mostraron una reactivación microbiana drástica tras seis meses de incubación en condiciones cálidas.
• El calentamiento del Ártico está alargando la temporada de deshielo, un factor más importante para la reactivación microbiana que los episodios breves de calor intenso.
• Observaciones recientes indican que la región septentrional con permafrost ya es una fuente neta de carbono a la atmósfera cuando se incluyen las pérdidas de las estaciones frías.
• Los lagos y los humedales favorecen las emisiones de metano, mientras que los suelos más secos tienden a emitir más CO2. Ambos gases contribuyen al calentamiento en diferentes escalas de tiempo.
• En estudios recientes, las pérdidas de carbono en invierno se han revisado al alza y compensan gran parte del carbono que absorben las plantas en verano.
• La luz solar facilita que los microbios consuman el carbono del permafrost descongelado y acelera la liberación de CO2 en arroyos y lagos.
• Persisten grandes incertidumbres porque las comunidades microbianas y las condiciones del suelo varían ampliamente, y los modelos aún tienen dificultades para representar el deshielo abrupto y las dinámicas estacionales.
• El principal riesgo para la población es el calentamiento del clima provocado por el aumento de los gases de efecto invernadero, no la manipulación en laboratorios de microbios antiguos, que se realiza bajo controles estrictos y a pequeña escala.