Podwaliny modeli klimatycznych uwzględniających ewolucję darwinowską
Gleba magazynuje więcej węgla niż ziemska atmosfera i biomasa roślinna razem wzięte. Jako największe źródło i pochłaniacz dwutlenku węgla wymienianego z atmosferą, jest głównym czynnikiem determinującym klimat Ziemi. Mikroby glebowe odgrywają kluczową rolę w wymianie poprzez rozkład materii organicznej gleby (SOM). Drobnoustroje dostosowują się i ewoluują poprzez procesy obejmujące mutację i dyspersję (przemieszczanie się i kolonizację w innym miejscu, co może potencjalnie wpływać na przepływ genów w przestrzeni). Obecne globalne modele gleby tego nie uwzględniają. Realizowany przy wsparciu programu działania „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA) projekt GLOBALECOEVO dążył do wypełnienia tej luki, rzucając światło na adaptację drobnoustrojów do zmian w składzie chemicznym ściółki i wpływ tego na emisję dwutlenku węgla z gleby.
Adaptacja drobnoustrojów do składu chemicznego ściółki w mikroskali
SOM to przede wszystkim ściółka roślinna — martwy materiał roślinny, który spadł na ziemię. Jak mówi Elsa Abs, które realizuje stypendium MSCA i pracowało z kierownikiem projektu Philippem Ciais w Laboratorium Nauk o Klimacie i Środowisku prowadzonym przez Uniwersytet Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines: „Na początku projektu moje zainteresowania przeszły od wilgoci w glebie do chemii ściółki, która, jak wykazało kilka badań empirycznych, ma jeszcze większy wpływ na rozkład mikrobiologiczny. Przewiduje się, że skład chemiczny ściółki będzie zmieniać się wraz ze zmianą klimatu, ponieważ w miarę ocieplania się planety gatunki roślin przenoszą się na wyższe szerokości geograficzne w poszukiwaniu temperatur, do których są przyzwyczajone”.
Ewolucja drobnoustrojów glebowych — i badającej je osoby
Stypendium MSCA dało Abs możliwość nie tylko wypełnienia krytycznej luki w modelach klimatycznych, ale także rozwoju zawodowego, rozbudowując znacznie jejo zestaw narzędzi. Abs badało teoretycznie ewolucję drobnoustrojów, wykorzystując do tego model matematyczny. W ramach projektu GLOBALECOEVO opracowało model numeryczny, który umożliwia przewidywanie i uwzględnianie znacznie większej złożoności. W trakcie nauczyło się również języka programowania Python, korzystając z modelu DEMENT, czyli otwartego, opartego na agentach modelu symulacji numerycznej. Model Abs został zaprojektowany, aby odpowiedzieć na dwa kluczowe pytania: czy różne procesy adaptacji (tj. dyspersja i mutacja) do chemii ściółki prowadzą do tej samej adaptacji oraz czy ewolucja drobnoustrojów poprzez mutację może przyczynić się do ich adaptacji do zmian klimatu. Jejo ostatecznym celem było zintegrowanie pionierskiego modelu numerycznego drobnoustrojów uwzględniającego ewolucję z modelem powierzchni ziemi.
Wpływ ewolucji mikroorganizmów na globalne modele gleby
Projekt GLOBALECODEVO z powodzeniem dodał adaptację/ewolucję w wyniku dyspersji i mutacji do modelu DEMENT, który może teraz modelować adaptację społeczności drobnoustrojów do zmian w składzie chemicznym ściółki i wynikających z tego zmian w rozkładzie SOM. Doprowadziło to do odkrycia, że przewidywania dotyczące rozkładu SOM zależą od tego, który proces adaptacji zachodzi. „Wreszcie zaproponowałom sposób na uproszczenie złożonej dynamiki ewolucji drobnoustrojów i zintegrowanie jej z modelami powierzchni ziemi. Obecnie pracuję nad sprawdzeniem, czy ewolucja drobnoustrojów może mieć silny wpływ w skali globalnej” — wyjaśnia Abs. Abs zdaje sobie sprawę, że przekonanie społeczności zajmującej się modelowaniem klimatu o znaczeniu ewolucji drobnoustrojów będzie trudne, ale jejo wybitna praca naprawdę przyciągnęła uwagę tej grupy. W najnowszym artykule badaczko ocenia potencjalny wpływ ewolucji drobnoustrojów na sprzężenia zwrotne klimat-dwutlenek węgla. Badania Abs przybliżają nas do zintegrowania fundamentalnego procesu biologicznego — ewolucji darwinowskiej — z modelami klimatycznymi w celu zwiększenia dokładności i możliwości interwencji.
Słowa kluczowe
GLOBALECOEVO, mikroorganizmy, gleba, ewolucja mikroorganizmów, chemia ściółki, SOM, adaptacja mikroorganizmów, modele klimatyczne, globalny model gleby, mikroorganizmy glebowe, materia organiczna gleby
