Der Verlust des Wintereises verändert das Nahrungsnetz der Großen Seen – hier erfahren Sie, wie Licht das Leben unter Wasser prägt

Die Winter an den Großen Seen sind hart – so sehr, dass sich die dort arbeitenden Wissenschaftler oft auf die Sommermonate konzentrieren winzige Mikroben am unteren Ende der Nahrungskette galten als am produktivsten.

Neue Forschungsergebnisse verändern jedoch unser Verständnis dieser Winterökosysteme und werfen ein Licht auf eine lebendige Welt winterlicher Aktivitäten direkt unter dem Eis.

Wissenschaftler entdeckten Anfang der 2000er Jahre, dass es Gemeinschaften von Kieselalgen – winzigen photosynthetisierenden Algen – gab gedeiht im Licht unter dem windgepeitschten Seeeis.Aber es stellte sich heraus, dass das nur ein Teil der Geschichte war.

Als das Wintereis der Großen Seen verschwindet, traf es zu Rekordtiefstwerte im Winter 2023/24 – Neue Analysen zeigen, dass einige Kieselalgen offenbar auf andere Weise Energie erzeugen und im dunklen, trüben, eisfreien Wasser bis zum Sommer überleben.

Diese Mikroben sind entscheidend für die Gesundheit der Großen Seen.Sie reinigen das Wasser von Schadstoffen und sind der erste Schritt im komplexen Nahrungsnetz, das eine Fischerei unterstützt, die einen Teil der regionalen Wirtschaft antreibt.Änderungen hier können weitreichende Auswirkungen auf die Ökologie der Seen und direkte wirtschaftliche Auswirkungen auf die umliegenden Gemeinden haben.

Aus dem Eis aufsteigend

Das Interesse am Leben unter dem Eis erwachte 2007 zu neuem Leben, als ein internationales Wissenschaftlerteam an Bord eines Eisbrechers der kanadischen Küstenwache etwas Ungewöhnliches bemerkte, als das Schiff sich seinen Weg durch das Eis des Eriesees bahnte.

Als das Eis brach, sickerte dunkelbraunes Wasser aus dem See.Es war voller Kieselalgen.

In der Vergangenheit gab es sporadische Studien zu den Wintermikroben, aber Limnologen – Wissenschaftler, die Seen untersuchen – hatte nicht die Werkzeuge Zu voll und ganz verstehen das Verhalten der Mikroben bis vor kurzem.

Seit fünf Jahren ist die Gemeinsames Genominstitut der USADas Energieministerium hat ein molekularbiologisches Projekt unterstützt, das die RNA aller Mikroorganismen sequenzierte Proben aus dem Eriesee um zu untersuchen, wie diese Organismen die Wintermonate überlebten und sich an zukünftige Klimaszenarien anpassen könnten oder auch nicht.Aus diesen Bemühungen ergeben sich nun neue Beobachtungen darüber, wie Kieselalgen Licht nutzen könnten.

Verwendung von Proteinen, die in Tieraugen vorkommen

Normalerweise stellen wir uns Kieselalgen als Organismen vor, die Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid durch Photosynthese in lebendes Material umzuwandeln.Sie sind im Sommer überall in den Großen Seen verbreitet und tragen dort zur Versorgung der Seen bei. milliardenschwere Sport- und kommerzielle Fischerei.

Im Winter können Kieselalgen Energie aus dem Licht erzeugen, das durch das windgepeitschte Eis dringt.Wenn jedoch im Winter kein Eis vorhanden ist, werden die Kieselalgen in Seewasser eingemischt, das manchmal am besten als Schokoladenmilch beschrieben werden kann.Licht dringt durch dieses trübe Wasser schlecht ein und die Kieselalgen erhalten weniger von den spezifischen Lichtwellenlängen, die die Photosynthese antreiben.

Wir haben im Winter 2019-2020 Proben gesammelt zu vergleichen wie sich Kieselalgengemeinschaften in offenen Gewässern von denen unterscheiden, die unter Eis leben.Wir waren überrascht, dass einige Kieselalgen, wenn kein Eis vorhanden war, eine andere Form der Energiegewinnung nutzten – gesteuert durch ein Pigment namens Rhodopsin.

Rhodopsine sind auf Licht reagierende Proteine, die vielleicht am besten als Schlüsselbestandteil der Augen von Tieren bekannt sind.In Meeressystemen wurde es gezeigt im Jahr 2001 dass diese Proteine ​​an der Energieerzeugung in Bakterienzellen beteiligt sind, nämlich an der Produktion Adenosintriphosphat, oder ATP.ATP ist eine Chemikalie, die Organismen als Energiequelle für viele zelluläre Prozesse nutzen, weshalb sie auch als „molekulare Währung“ lebender Zellen bezeichnet wird.

Es scheint nun, dass einige Kieselalgen im Eriesee vorkommen Nutzen Sie diesen Energieerzeugungsmechanismus um die lichtbegrenzte Photosynthese in eisfreien Wintermonaten zu steigern.

Unterschiede in den beiden Prozessen können wichtig sein:Die Photosynthese hilft Zellen dabei, Kohlenstoff zu binden, um neue Biomasse sowie Zellenergie in Form von ATP zu produzieren.Während bei Rhodopsinen ATP produziert wird, findet keine direkte Kohlenstofffixierung statt.

Das bedeutet, dass Zellen in diesen trüben Gewässern wahrscheinlich bestehen bleiben, aber nicht wachsen können.Aber in der Biologie geht es ums Überleben:Wenn die Konkurrenten eines Organismus die rauen Bedingungen nicht überleben, der Organismus jedoch schon, wird es mehr Nährstoffe geben, wenn sich die Bedingungen verbessern.Zu diesem Zweck scheinen die Rhodopsine in diesen Kieselalgen sowohl ein Überlebensmechanismus als auch eine Möglichkeit zu sein, unter trüben, eisfreien Winterbedingungen zu überleben.

Beobachten Sie, wie sich das Leben im See im Zuge des Klimawandels entwickelt

Als wir in ein wärmeres Klima und eisfreie Ära Für den Eriesee und andere nördliche gemäßigte Seen deuten diese Daten darauf hin, dass die Kieselalgen, die in eisbedeckten Seen gediehen, im Laufe der Zeit in den Wintermonaten durch Kieselalgen mit Rhodopsinen ersetzt werden könnten.

Die Folgen dieser Änderung sind potenziell vielfältig:Kleine Veränderungen an der Basis des Nahrungsnetzes können sich auf die Fischerei auswirken.Darüber hinaus ist bekannt, dass einige Kieselalgen Verbindungen produzieren giftig für Wildtiere und Menschen.

Wir haben derzeit nur Vermutungen darüber, wie sich Veränderungen bei den Algenarten langfristig auf die Fischerei, den Tourismus und die Bewirtschaftung der Küstenressourcen auswirken werden.Wie sich Algengemeinschaften im Laufe der Zeit verändern, hängt von vielen Faktoren ab, und Licht ist nur einer davon.Aber die Möglichkeit, diesen Wandel von Anfang an zu beobachten, bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Auswirkungen eines sich erwärmenden Klimas auf die Großen Seen und ähnliche Seen auf der ganzen Welt zu verstehen.