Торфяные болота, в основном состоящие из мха под названием сфагнум, представляют собой особые среды, которые играют ключевую роль в регулировании климата Земли, накапливая большие объёмы углерода. Эти болота также известны сохранением древних человеческих останков, известных как болотные тела, благодаря холодным, кислым и бедным кислородом условиям.
Тем не менее учёные долгое время были озадачены двумя странными особенностями этих экосистем: необычно высоким количеством углекислого газа по сравнению с метаном, который выделяется, и очень медленным разложением мёртвого растительного материала. Интересно, что обе эти загадочные особенности фактически помогают замедлить изменение климата, либо улавливая углерод, либо сокращая выбросы более сильных парниковых газов.
Группа исследователей, включая Александру Б. Кори, Рэйчел М. Уилсон, Элизабет Холмс, Уильяма Дж. Райли, Юэ-Фэнь Ли, Малак М. Тфайли, Сару К. Бэгби, Патрика М. Крил, Джессику Г. Эрнакович, Вирджинию И. Рич и Джеффри П. Чантона из ряда университетов и лабораторий в США и Европе, поставила перед собой задачу лучше понять это.
Их выводы, опубликованные в уважаемом журнале Scientific Reports, предполагают, что химический процесс, известный как реакция Майяра, тип неживого химического взаимодействия между сахарами и белками, наиболее известный созданием коричневой ароматной корочки на жареной или приготовленной на гриле пище, такой как тосты и прожаренное мясо, может помочь объяснить обе загадки. Эта реакция обычно происходит, когда определённые сахара и белки взаимодействуют, и, в отличие от процессов ферментативного потемнения, зависящих от микробов, эта конкретная реакция может протекать без участия живых организмов.
Результаты показывают, что естественные химические реакции, не связанные с живыми организмами, внутри торфа могут производить значительные количества углекислого газа. Чтобы проверить это, учёные провели эксперименты, используя как естественный торф, так и лабораторные смеси. Даже торф, который был стерилизован — то есть все живые микробы были удалены — всё равно выделял углекислый газ, показывая, что этот газ может быть произведён химическими реакциями самостоятельно.
Эти реакции также создавали сложные соединения, богатые азотом, что, вероятно, затрудняло доступ микробов к необходимому им азоту. Азот является важным питательным веществом, от которого зависят микробы для разложения, и снижает конкуренцию со мхом сфагнумом в болоте, поскольку он адаптирован к условиям с низким содержанием азота.
При меньшем количестве доступного азота микробы в торфе становятся менее активными, замедляя скорость разложения растительного материала. В то же время химические реакции увеличивали количество выделяемого углекислого газа, не производя аналогичного количества метана, что противоречит обычным моделям, ожидающим, что оба газа будут выделяться в равных количествах.
«Наши результаты показывают, что небиологические реакции Майяра, вызванные соединениями из мха сфагнума, такими как галактуроновая кислота — разновидность природной сахарной кислоты, содержащейся в клеточных стенках растений — значительно влияют на круговорот углерода в торфяных болотах», — сказала доктор Кори, ведущий исследователь исследования. «Эти реакции не только самостоятельно производят углекислый газ, но и удерживают азот в формах, которые микробы не могут использовать, что замедляет разложение».
Исследователи подтвердили, что галактуроновая кислота, которая содержится в больших количествах в мхе сфагнуме, может вступать в реакцию с обычными белками даже при низких температурах, характерных для болот. Эти реакции наблюдались как в лабораторных смесях, так и в образцах природного торфа, а химические доказательства соответствовали этапам, известным из более ранних исследований реакции Майяра.
Профессор Чантон добавил: «Этот небиологический процесс меняет наше представление об углероде в торфяниках. Большинство климатических моделей — инструментов, используемых учёными для моделирования и прогнозирования будущего поведения климата — фокусируются только на микробной активности. Если мы также учтём углекислый газ, выделяемый в результате этих химических реакций, мы сможем улучшить наши прогнозы о выбросах парниковых газов из водно-болотных угодий».
Включение этих данных в глобальные климатические модели особенно важно, поскольку реакции Майяра имеют тенденцию ускоряться при повышении температуры. По мере того как планета продолжает нагреваться, эти реакции могут привести к высвобождению ещё большего количества углерода из торфяных болот.
Это исследование бросает вызов устоявшимся представлениям о том, как ведёт себя углерод в водно-болотных угодьях, и побуждает к дальнейшим исследованиям того, как химия, а не только биология, формирует эти экосистемы.
Ссылка на журнал
Cory A.B., Wilson R.M., Holmes M.E., Riley W.J., Li Y.F., Tfaily M.M., Bagby S.C., Crill P.M., Ernakovich J.G., Rich V.I., Chanton J.P. «A climatically significant abiotic mechanism driving carbon loss and nitrogen limitation in peat bogs». Scientific Reports, 2025; 15:2560. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85928-w
Об авторах
Александра Кори получила докторскую степень в 2022 году во Флоридском государственном университете, где она изучала биогеохимические механизмы, которые позволяют торфяным болотам действовать как смягчители климата — за счёт исключительно эффективного удержания органического углерода и выделения сравнительно меньшего количества метана, чем другие системы водно-болотных угодий. Её исследования охватывали разнообразные системы, включая геологические образования, горячие источники, торфяники и океаны. В центре её внимания был углеродный цикл — отслеживание потоков и хранилищ, которые формируют будущее климата Земли.
Джефф Чантон получил докторскую степень в 1985 году в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл, где он работал в прибрежной зоне. Он и его советник Крис Мартенс были сильно вдохновлены лекцией легендарного Ральфа Цицерона, в которой основное внимание уделялось быстрому увеличению содержания атмосферного метана, мощного парникового газа, о котором учёные только что узнали. Чантон начал работать над транспортом и производством метана в водно-болотных угодьях, торфяниках, свалках и других средах.
Рэйчел Уилсон — биогеохимик, чьи исследования сосредоточены на производстве метана в природных средах, от торфяников на севере Швеции до глубоководных метановых источников в Мексиканском заливе. Она имеет докторскую степень в области химической океанографии из Флоридского государственного университета и была награждена стипендией Национального исследовательского совета в 2010 году для изучения ограничений стабильности газовых гидратов метана, потенциально крупного морского резервуара метана.
Бет Холмс увлеклась использованием стабильных изотопов для понимания биогеохимических процессов, когда изучала кораллы и эстуарные системы в лаборатории Билла Сакетта в Университете Южной Флориды. Она получила докторскую степень в 1996 году в Бременском университете в Германии, используя углеродные и азотные изотопы в глубоководных отложениях для реконструкции прошлой утилизации питательных веществ в толще воды. Недавно исследования Бет сосредоточены на путях производства метана и углекислого газа в водно-болотных угодьях в Эверглейдс, Панаме и субарктической Швеции.