يؤدي فقدان الجليد الشتوي إلى تغيير الشبكة الغذائية في البحيرات العظمى - وإليك كيف يشكل الضوء الحياة تحت الماء

يكون الشتاء في منطقة البحيرات العظمى قاسياً - لدرجة أن العلماء الذين يعملون هناك غالباً ما يركزون على أشهر الصيف، ومتى الميكروبات الصغيرة في قاعدة السلسلة الغذائية كان يُعتقد أنها الأكثر إنتاجية.

ومع ذلك، فإن الأبحاث الناشئة تغير فهمنا لهذه النظم البيئية الشتوية وتسلط الضوء على عالم نابض بالحياة من النشاط الشتوي تحت الجليد مباشرة.

اكتشف العلماء في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أن مجتمعات الدياتومات - وهي طحالب صغيرة تقوم بعملية التمثيل الضوئي - كانت موجودة تزدهر في الضوء تحت جليد البحيرة الذي اجتاحته الرياح.لكن اتضح أن ذلك لم يكن سوى جزء من القصة.

مع اختفاء الجليد الشتوي في منطقة البحيرات العظمى، ضرب الأمر أدنى مستوياتها القياسية في شتاء 2023-24 - تظهر التحليلات الجديدة أن بعض الدياتومات يبدو أن لديها طريقة مختلفة لتوليد الطاقة والبقاء على قيد الحياة في المياه المظلمة العكرة الخالية من الجليد حتى الصيف.

هؤلاء الميكروبات حاسمة لصحة منطقة البحيرات الكبرى.إنها تقوم بتنظيف المياه من الملوثات وهي الخطوة الأولى في الشبكة الغذائية المعقدة التي تدعم مصايد الأسماك التي تدعم جزءًا من الاقتصاد الإقليمي.يمكن أن يكون للتغييرات هنا تأثيرات واسعة النطاق على بيئة البحيرات وتأثيرات اقتصادية مباشرة على المجتمعات المحيطة.

ناز من الجليد

اندلع الاهتمام بالحياة تحت الجليد في عام 2007، عندما لاحظ فريق دولي من العلماء على متن كاسحة الجليد التابعة لخفر السواحل الكندي شيئًا غير عادي أثناء شق السفينة طريقها عبر جليد بحيرة إيري.

وعندما انكسر الجليد، نزحت مياه بنية داكنة من البحيرة.لقد كان تعج بالدياتومات.

كانت هناك دراسات متفرقة عن الميكروبات الشتوية في الماضي، لكن علماء الليمون – العلماء الذين يدرسون البحيرات – لم يكن لديك الأدوات ل فهم تماما سلوك الميكروبات حتى وقت قريب.

على مدى السنوات الخمس الماضية، معهد الجينوم المشترك من الولايات المتحدةدعمت وزارة الطاقة مشروع البيولوجيا الجزيئية الذي قام بتسلسل الحمض النووي الريبوزي لجميع الكائنات الحية الدقيقة العينات التي تم جمعها من بحيرة إيري لمعالجة كيفية بقاء هذه الكائنات الحية على قيد الحياة في أشهر الشتاء وقد تتكيف أو لا تتكيف مع سيناريوهات المناخ المستقبلية.تظهر الآن ملاحظات جديدة حول كيفية استخدام الدياتومات للضوء من خلال هذا الجهد.

استخدام البروتينات الشائعة في عيون الحيوانات

عادةً ما نفكر في الدياتومات ككائنات حية تستخدم ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مادة حية عن طريق عملية التمثيل الضوئي.وهي منتشرة في الصيف عبر منطقة البحيرات الكبرى، حيث تساعد في تغذية البحيرات. مصائد الأسماك الرياضية والتجارية بمليارات الدولارات.

خلال فصل الشتاء، يمكن للدياتومات توليد الطاقة من الضوء الذي يرشح عبر الجليد الذي تعصف به الرياح.ومع ذلك، عندما لا يكون الجليد موجودًا في الشتاء، يتم خلط الدياتومات في مياه البحيرة التي يمكن وصفها في بعض الأحيان بأنها حليب الشوكولاتة.يخترق الضوء بشكل سيء خلال هذه المياه العكرة، وتحصل الدياتومات على أطوال موجية أقل من الضوء التي تدفع عملية التمثيل الضوئي.

قمنا بجمع العينات في شتاء 2019-2020 للمقارنة كيف اختلفت مجتمعات الدياتوم في المياه المفتوحة عن تلك التي تعيش تحت الجليد.لقد فوجئنا أنه عندما لم يكن الجليد موجودًا، كانت بعض الدياتومات تستخدم شكلاً مختلفًا لاكتساب الطاقة - مدفوعًا بصبغة تسمى رودوبسين.

رودوبسين هي بروتينات سريعة الاستجابة للضوء والتي ربما تُعرف بأنها مكون رئيسي في عيون الحيوانات.وقد ظهر ذلك في الأنظمة البحرية في عام 2001 أن هذه البروتينات تشارك في توليد الطاقة في الخلايا البكتيرية، وتحديداً إنتاجها أدينوسين ثلاثي الفوسفات, ، أو اعبي التنس المحترفين.ATP عبارة عن مادة كيميائية تستخدمها الكائنات الحية كمصدر للطاقة للعديد من العمليات الخلوية، مما يؤدي إلى لقبها باسم "العملة الجزيئية" للخلايا الحية.

ويبدو الآن أن بعض الدياتومات في بحيرة إيري استخدام آلية توليد الطاقة هذه لزيادة التمثيل الضوئي المحدود في أشهر الشتاء الخالية من الجليد.

قد تكون الاختلافات في العمليتين مهمة:يساعد التمثيل الضوئي الخلايا على تثبيت الكربون لإنتاج كتلة حيوية جديدة بالإضافة إلى طاقة خلوية على شكل ATP.مع الرودوبسين، بينما يتم إنتاج ATP، لا يوجد تثبيت مباشر للكربون.

وهذا يعني أن الخلايا من المحتمل أن تستمر ولكنها لا تنمو في هذه المياه العكرة.لكن في علم الأحياء، البقاء هو كل شيء:إذا لم يتمكن منافسو الكائن الحي من النجاة من الظروف القاسية ولكن الكائن الحي استطاع ذلك، فسيكون هناك المزيد من العناصر الغذائية عندما تتحسن الظروف.ولتحقيق هذه الغاية، يبدو أن الرودوبسين الموجود في هذه الدياتومات يمثل آلية للبقاء وفرصة للاستمرار في ظروف الشتاء الغامضة الخالية من الجليد.

مشاهدة حياة البحيرة تتطور مع تغير المناخ

بينما ننتقل إلى أ مناخ أكثر دفئًا وعصرًا خاليًا من الجليد بالنسبة لبحيرة إيري والبحيرات المعتدلة الشمالية الأخرى، تشير هذه البيانات إلى أنه مع مرور الوقت، يمكن استبدال الدياتومات التي ازدهرت في البحيرات المغطاة بالجليد بالدياتومات مع الرودوبسين في أشهر الشتاء.

من المحتمل أن تكون عواقب هذا التغيير متعددة:يمكن للتغيرات الصغيرة في قاعدة الشبكة الغذائية أن تؤثر على مصايد الأسماك.علاوة على ذلك، من المعروف أن بعض الدياتومات تنتج مركبات تكون سامة للحياة البرية والبشر.

ليس لدينا سوى تخمينات في هذه المرحلة حول كيفية تأثير التغيرات في أنواع الطحالب على مصايد الأسماك والسياحة وإدارة الموارد الساحلية على المدى الطويل.إن كيفية تغير مجتمعات الطحالب بمرور الوقت هي استجابة للعديد من الدوافع، والضوء هو أحدها فقط.ولكن الحصول على فرصة مشاهدة هذا التغيير من البداية يخلق فرصة فريدة لفهم تأثير ارتفاع درجة حرارة المناخ على البحيرات الكبرى والبحيرات المماثلة في جميع أنحاء العالم.