從美國俄克拉荷馬大學出發(fā)，開車半個多小時，就來到一片一望無際的高草草原。2009年，這所大學的周集中教授在這里建了實驗站，每年收集土壤樣本檢測微生物，形成了一個長期的序列研究。

北京時間2021年2月23日，該團隊在《自然—氣候變化》上發(fā)表論文，稱氣候變暖可以讓土壤中的微生物生態(tài)網(wǎng)絡變得更加穩(wěn)定。

這看起來是個好消息——但研究人員表示，問題沒有這么簡單。

天變熱了，“我”也變強了

氣候變化的影響是廣泛而深遠的。關于全球變暖如何影響動植物和人類的生存，已經有了許許多多的研究。但微生物的處境怎么樣?人們的認識還相對匱乏。

“這很大程度上是因為技術的不足。”論文共同第一作者、現(xiàn)為清華大學助理研究員的郭雪對《中國科學報》說，“直到2010年起，宏基因組技術逐步成熟，人們才有了研究微生物群落的有效方法。”

周集中在2009年建立實驗站時，已經意識到這項技術將在未來幾年發(fā)展壯大。他知道，是時候為這里的土壤微生物做一個“編年史”了。

研究人員在樣地上建立了24個人工增溫樣地，以24個常溫樣地作為對照。增溫樣地采用紅外燈不間斷加熱。從2010年到2014的5年間，增溫樣地的土壤溫度持續(xù)增加，他們逐年研究了土壤樣本中的微生物生態(tài)網(wǎng)絡變化。

“生態(tài)網(wǎng)絡是指在一定環(huán)境下，生物之間相互協(xié)作、相互拮抗的復雜關系，包括捕食、寄生、競爭和共生等。”論文共同第一作者、美國加州大學伯克利分校博士后袁夢婷向《中國科學報》解釋，“具體到微生物，我們無法直接觀測到它們在功能上的復雜相互作用，因此創(chuàng)新性地用數(shù)據(jù)模擬構建了微生物物種間的互作網(wǎng)絡。”

那么溫度究竟會怎樣影響微生物生態(tài)網(wǎng)絡的復雜性和穩(wěn)定性呢?在開展研究前，科研人員有兩種假設：一方面，根據(jù)代謝生態(tài)學理論，生物在較高溫度下生長更快、更加活躍，彼此之間的相互作用也會更加密切，由此推測增溫會增加物種組合的復雜性，讓生態(tài)網(wǎng)絡變得更加穩(wěn)定;另一方面，根據(jù)人們對氣候變暖的認識，升溫會對一些物種產生破壞性影響，因此微生物生態(tài)網(wǎng)絡也可能會削弱甚至崩潰。

經過連續(xù)5年的研究分析，他們發(fā)現(xiàn)增溫樣地上的微生物生態(tài)網(wǎng)絡變得比對照組更加復雜和穩(wěn)定。

“根據(jù)我們通常的理解，氣候變暖正在降低生物多樣性、破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和功能。但這項研究顯示，至少這里的土壤微生物展現(xiàn)出了面對環(huán)境變化時強大的緩沖和適應能力，這可能對維持草地生態(tài)系統(tǒng)的功能有一定正面作用。”論文通訊作者周集中說。

定位實驗增溫設置。課題組供圖

看不見的軍團大有可為

從人類的視角看去，微生物似乎是天生的“配角”，我們很少意識到這些數(shù)不清、看不見的小小生命，在發(fā)揮多么巨大的作用。

但近幾年加速發(fā)展的微生物生態(tài)學認為，在應對全球變暖的種種“副作用”時，微生物可能是我們需要倚仗的一支強大軍團。

2020年《科學》雜志發(fā)表的一篇綜述文章指出，在世界上許多地區(qū)，干旱的發(fā)生頻率和持續(xù)時間正在增加，而根系微生物的存在能大大提高植物對干旱的抵抗力，并且能幫助提升農作物產量。文章作者建議：“我們有必要將生態(tài)學與植物、微生物和分子方法相結合，這是使作物生產更能適應未來氣候的關鍵。”

“保護微生物和微生物之間的相互作用，對減輕氣候變暖引起的生物多樣性喪失及生態(tài)系統(tǒng)功能破壞，可能是非常重要的。”周集中說，“其實現(xiàn)在科學家已經有了一些方法，比如通過向土壤中添加有益微生物，提高植物的生長速率和抗性，以抵消氣候變化帶來的減產。”

測定土壤微生物呼吸。課題組供圖

我們對氣候變暖過慮了嗎?

“在更溫暖的世界中，相關的生態(tài)系統(tǒng)功能可能沒有那么脆弱。”論文如此寫道。

這似乎是一個比較樂觀的結論，難道我們沒必要過分擔心全球變暖給地球生物帶來的影響嗎?

研究人員表示，這個問題比想象中復雜。首先要看到，這只是在一個區(qū)域開展的定位實驗，在多大程度上適用于其他生態(tài)系統(tǒng)還需要更多研究。

事實上，前不久一篇發(fā)表在《全球變化生物學》上的論文就指出，在增溫和干旱條件下，青藏高原高寒草地底層土壤微生物變得“又懶又低效”——“分解者”功能和“貢獻者”功能均顯著降低。

“這兩篇論文放在一起讀很有趣。”袁夢婷說，“我們研究的區(qū)域(美國中部平原和青藏高原)、對象(表層土壤微生物和底層土壤微生物)和側重點(微生物生態(tài)網(wǎng)絡和微生物功能)不同，得出的結論——微生物對氣候變暖的響應也存在極大差異。這正說明，這是一個很復雜的研究領域，而我們了解的還很少很少。”

“這項研究中，最令我印象深刻的就是微生物表現(xiàn)出的強大適應能力。”郭雪說，“事實上，地球氣候在一直變遷，總會有一些生物能適應新的環(huán)境，最終也總會形成新的生物群落。”

他們做研究的持續(xù)增溫樣地上，植被在不斷演替，適應高溫的植物變得越來越多，鼴鼠們越來越喜歡在這里打洞筑巢，2018年他們第一次發(fā)現(xiàn)了一棵仙人掌。與此同時，實驗人員的工作卻變得越來越辛苦，中暑的頻率越來越高。

“還是那句話：地球不需要拯救，人類需要拯救的是自己。”郭雪說，“連微生物都在努力適應氣候變化，我們人類更應該采取行動，積極地應對。”