随着永久冻土融化微生物觉醒重建高纬度食物网

阿拉斯加处于气候变化的前线，其变暖速度是世界上最快的。当该州内陆地区(面积达 1.13 亿英亩的广阔高纬度地区)温度升高时，那里的永久冻土不仅会融化，将大量储存的碳释放回大气中，进一步加速气温上升，还会腐烂。这种分解有可能向地上和地下食物网注入碳，这会影响这些关键生态联系之间的能量流动，并影响它们所支持的物种。

其中一个物种是苔原田鼠，它是阿拉斯加 朱诺农业部林业局太平洋西北研究站的野生动物生物学家菲利普·曼利克(Philip Manlick )对四种北极或北方森林动物之一进行了检查，这是他 今天发表在《自然》杂志上的新研究的一部分。 自然气候变化杂志 。曼利克与新墨西哥大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的合作者一起，使用了一种新技术来量化气候变化对植物支持的地上或绿色食物网和微生物驱动之间的能量流和碳通量的影响。地下或棕色的食物网使用两种田鼠、鼩鼱和蜘蛛作为进入复杂世界的窗口。

“了解能量如何通过食物网移动有助于我们了解生态系统如何运作以及动物如何应对气候变化等压力源，”曼利克说。“在北极和北方生态系统中，众所周知，气候正在变暖，永久冻土正在融化，微生物正在繁盛。但我们对这一过程对陆地食物网及其所支持的动物的影响知之甚少。”

一项有希望的新技术

这项研究的核心新技术涉及测量只有植物、细菌和真菌才能产生的必需氨基酸中独特的碳同位素“指纹”。动物只能通过饮食获取这些分子。这使得这些必需氨基酸能够作为生物标志物，帮助研究人员追踪碳如何在绿色和棕色食物网之间移动，最终帮助他们检测变化。

“科学家经常争论动物对碳循环等生态系统过程的重要性，但当它们吃掉不同食物网的资源时，它们会在存储池之间转移碳，”曼利克说。“未来，我们认为该工具可用于通过食物网追踪碳的命运，以了解动物在生态系统功能中的功能作用，例如营养循环。”

该研究分析了 1990 年和 2021 年阿拉斯加费尔班克斯附近博南扎溪实验森林博物馆标本中的苔原、红背田鼠和蒙面鼩鼱标本中的骨胶原， 该样本代表了长期暴露于气候变暖的动物。为了研究短期气候变暖对动物的影响，研究人员对阿拉斯加图利克湖附近的北极狼蛛进行了采样。一些蜘蛛被收集起来作为对照，另一些则被暴露在被称为“中宇宙”的室外分隔栖息地中，温度为 2°C，科学家们可以在其中小范围提高温度来模拟气候变暖。

博南扎溪实验森林占地 12,000 多英亩，涵盖内陆森林和洪泛区栖息地，是研究气候变化对北方森林和食物网影响的理想场所，因为它提供了阿拉斯加内陆变化的长期记录。它由美国农业部林务局于 60 年前建立，自 1987 年以来一直是国家科学基金会长期生态研究站点。对于曼利克来说，该站点提供了一个机会来研究这些北方森林的变化如何影响生活在那里的动物以及如何动物本身通过觅食和食物网动态影响森林过程。

能源来源的重大转变

通过同位素分析，曼利克和他的同事发现哺乳动物碳同化发生了显着变化，特别是从植物性食物网转向真菌性食物网。换句话说，真菌取代了植物，成为主要的能量来源——像鼩鼱这样的小型哺乳动物，从真菌碳中吸收了高达 90% 的总碳摄入量，比历史标本增加了 40% 以上。

北极狼蛛也是如此。它们也从以植物为基础的食物网转向以真菌为基础的食物网作为主要能量来源，在变暖条件下吸收了超过 50% 的棕色碳，而对照地点的这一比例为 26%。

曼利克说：“我们的研究提供了明确的证据，表明气候变暖改变了北极苔原和北方森林生态系统地上消费者的碳流动和食物网动态——跨物种、生态系统以及长期和短期变暖情景。” “我们表明，这些变化是从以绿色植物为主的食物网向以棕色微生物为主的食物网转变的结果。”

转变的背后是什么?

科学家们怀疑，棕色碳正在通过一系列被称为营养途径的捕食事件转移到地上消费者，如哺乳动物和蜘蛛。变暖加剧导致苔原和北方森林的永久冻土加速分解;真菌以这种分解的植物物质为食，反过来又被节肢动物、螨虫和蚯蚓吃掉，这些节肢动物、螨虫和蚯蚓将真菌碳在食物网中向上转移，然后又被田鼠、鼩鼱和蜘蛛吃掉。

曼利克说：“气候变暖显着改变了食物网中的能量流动，使得历史上由植物性食物网支持的动物现在由地下分解产生的基于真菌的食物网支持。”

动物可以改变碳循环

曼利克和他的同事的工作强调，动物是绿色和棕色食物网之间的重要纽带。它还表明，气候变暖改变了北极和北方森林物种之间的这种联系。这些气候引起的变化的潜在影响比这些物种的小体型所暗示的要大。

“这些相互作用的变化可能会对养分循环和生态系统功能产生间接影响，”曼利克说。

例如，如果田鼠从地下来源获取更多能量，它们消耗的植物可能会减少，这可能会增加地上生态系统的碳储存。

“目前高纬度地区的大部分工作都集中在&luo;北极绿化&ruo;上，或者说气候变暖正在导致更多的植物生长和更绿色的生态系统。我们发现了完全相反的模式——食物网正在&luo;褐变&ruo;，”他说。

展望未来，曼利克计划研究植物和动物的这些模式为何不同，以及这对这些快速变化的生态系统的未来意味着什么。

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