冬季冰层的消失正在改变五大湖的食物网——以下是光如何塑造水下生命的方式

五大湖的冬天非常严酷，以至于在那里工作的科学家们经常把注意力集中在夏季。 微小微生物 位于食物链底部的生物被认为生产力最高。

然而，新兴的研究正在改变我们对这些冬季生态系统的理解，并揭示冰层下充满活力的冬季活动世界。

科学家在 2000 年代初发现硅藻群落（微小的光合作用藻类） 在光中茁壮成长 在风吹过的湖冰下。但事实证明，这只是故事的一部分。

随着五大湖冬季冰层的消失——它袭击了 2023-24 年冬季创历史新低 – 新的分析表明，一些硅藻似乎有不同的方式来产生能量并在黑暗、浑浊的无冰水中生存到夏天。

这些 微生物至关重要 为了五大湖的健康。它们清除水中的污染物，是复杂食物网的第一步，该食物网支持渔业，为区域经济提供动力。这里的变化会对湖泊生态产生广泛影响，并对周围社区产生直接经济影响。

从冰中渗出

2007 年，当加拿大海岸警卫队破冰船上的一个国际科学家小组在该船穿过伊利湖冰层时发现了一些不寻常的情况时，人们对冰下生命的兴趣爆发了。

当冰块破裂时，深棕色的水从湖中渗出。原来是 长满硅藻.

过去对冬季微生物进行过零星的研究，但湖泊学家——研究湖泊的科学家—— 没有工具 到 完全理解 直到最近微生物的行为。

在过去的五年里， 联合基因组研究所 美国的能源部支持了一个分子生物学项目，该项目对来自美国的所有微生物的 RNA 进行了测序 从伊利湖采集的样本 解决这些生物如何度过冬季以及如何适应或不适应未来的气候情景。关于硅藻如何利用光的新观察结果现在正在从这项努力中出现。

使用动物眼睛中常见的蛋白质

通常我们认为硅藻是利用阳光通过光合作用将二氧化碳转化为生命物质的生物体。夏季，它们遍布五大湖，为湖泊提供水源。 价值数十亿美元的运动和商业渔业.

在冬季，硅藻可以利用透过风吹过的冰层的光线来产生能量。然而，当冬天不结冰时，硅藻就会混入湖水中，有时最好将其描述为巧克力牛奶。光线很难穿过这种浑浊的水，硅藻获得的驱动光合作用的特定波长的光也较少。

我们在2019-2020年冬季采集样本 比较 开放水域中的硅藻群落与生活在冰下的硅藻群落有何不同。我们感到惊讶的是，当冰不存在时，一些硅藻正在使用不同形式的能量获取——由一种叫做视紫红质的色素驱动。

视紫红质 是光响应蛋白，最出名的可能是动物眼睛的关键组成部分。在海洋系统中，表明 2001年 这些蛋白质参与细菌细胞产生能量，特别是产生 三磷酸腺苷, ，或ATP。ATP 是一种化学物质，生物体用作许多细胞过程的电源，因此被称为活细胞的“分子货币”。

现在看来，伊利湖的一些硅藻 利用这种能量产生机制 在无冰的冬季增强光限制的光合作用。

这两个过程的差异可能很重要：光合作用帮助细胞固定碳以产生新的生物质以及 ATP 形式的细胞能量。对于视紫红质，虽然产生 ATP，但没有直接的碳固定。

这意味着细胞很可能在这些浑浊的水域中持续存在但无法生长。但在生物学中，生存就是一切：如果一个生物体的竞争对手无法在恶劣的条件下生存，但该生物体却可以，那么当条件改善时，就会有更多的营养物质。为此，这些硅藻中的视紫红质似乎既是一种生存机制，也是在黑暗、无冰的冬季条件下生存的机会。

观察湖泊生物随着气候变化而演变

当我们搬进一个 气候变暖和无冰时代 对于伊利湖和其他北温带湖泊，这些数据表明，随着时间的推移，在冰雪覆盖的湖泊中繁衍生息的硅藻可能会在冬季被含有视紫红质的硅藻所取代。

这一变化的后果可能是多方面的：食物网底部的微小变化都会影响渔业。此外，已知一些硅藻会产生以下化合物： 对野生动物和人类有毒.

目前我们只能猜测藻类物种的变化从长远来看将如何改变渔业、旅游业和沿海资源管理。藻类群落如何随时间变化是对许多驱动因素的反应，光只是其中之一。但有机会从一开始就观察这一变化，为了解气候变暖对五大湖和世界各地类似湖泊的影响创造了一个独特的机会。