Утрата зимнего льда меняет пищевую сеть Великих озер – вот как свет формирует жизнь под водой

Зимы на Великих озерах настолько суровы, что работающие там учёные часто сосредотачиваются на летних месяцах, когда крошечные микробы считались наиболее продуктивными.

Однако новые исследования меняют наше понимание этих зимних экосистем и проливают свет на яркий мир зимней активности подо льдом.

В начале 2000-х годов ученые обнаружили, что сообщества диатомей – крошечных фотосинтезирующих водорослей – процветающий в свете под продуваемым ветром льдом озера.Но, оказывается, это была только часть истории.

Зимний лед Великих озер исчезает – он ударил рекордные минимумы зимой 2023-2024 гг. – новые исследования показывают, что некоторые диатомовые водоросли, по-видимому, имеют другой способ создания энергии и выживания в темной, мутной, свободной ото льда воде до лета.

Эти микробы имеют решающее значение здоровью Великих озер.Они очищают воду от загрязняющих веществ и являются первым шагом в сложной пищевой сети, поддерживающей рыболовство, которое является частью региональной экономики.Изменения здесь могут иметь широкомасштабные последствия для экологии озер и прямые экономические последствия для окружающих сообществ.

Сочится изо льда

Интерес к жизни подо льдом вспыхнул в 2007 году, когда международная группа ученых на борту ледокола канадской береговой охраны заметила что-то необычное, когда корабль пробирался сквозь лед озера Эри.

Когда лед сломался, из озера потекла темно-коричневая вода.Это было изобилующий диатомовыми водорослями.

В прошлом проводились спорадические исследования зимних микробов, но лимнологи – ученые, изучающие озера – не было инструментов к полностью понимаю поведение микробов до недавнего времени.

За последние пять лет компания Объединенный институт генома СШАМинистерство энергетики поддержало проект молекулярной биологии, который секвенировал РНК всех микроорганизмов из образцы, собранные из озера Эри чтобы выяснить, как эти организмы пережили зимние месяцы и могли адаптироваться или нет к будущим климатическим сценариям.В результате этих усилий появились новые наблюдения о том, как диатомовые водоросли могут использовать свет.

Использование белков, распространенных в глазах животных

Обычно мы думаем о диатомовых водорослях как об организмах, которые используют солнечный свет для преобразования углекислого газа в живой материал посредством фотосинтеза.Летом они широко распространены по Великим озерам, где помогают питать озера. многомиллиардное спортивное и коммерческое рыболовство.

Зимой диатомеи могут создавать энергию из света, который проникает сквозь продуваемый ветром лед.Однако, когда зимой льда нет, диатомовые водоросли смешиваются с озерной водой, которую иногда лучше всего можно описать как шоколадное молоко.Свет плохо проникает через эту мутную воду, и диатомовые водоросли получают меньше световых волн определенной длины, которые стимулируют фотосинтез.

Мы собирали образцы зимой 2019-2020 года. сравнивать чем сообщества диатомей в открытых водах отличаются от тех, что обитают подо льдом.Мы были удивлены тем, что в отсутствие льда некоторые диатомовые водоросли использовали другую форму получения энергии – за счет пигмента под названием родопсин.

Родопсины представляют собой светочувствительные белки, которые, пожалуй, наиболее известны как ключевой компонент глаз животных.В морских системах было показано в 2001 году что эти белки участвуют в выработке энергии в бактериальных клетках, в частности, производя аденозинтрифосфат, или АТФ.АТФ — это химическое вещество, которое организмы используют в качестве источника энергии для многих клеточных процессов, что привело к его прозвищу «молекулярная валюта» живых клеток.

Теперь кажется, что некоторые диатомовые водоросли озера Эри использовать этот механизм генерации энергии для увеличения фотосинтеза при ограниченном освещении в безледные зимние месяцы.

Различия в этих двух процессах могут быть важными:Фотосинтез помогает клеткам фиксировать углерод для производства новой биомассы, а также клеточной энергии в форме АТФ.У родопсинов при образовании АТФ не происходит прямой фиксации углерода.

Это означает, что клетки, вероятно, могут сохраняться, но не расти в этих мутных водах.Но в биологии выживание – это все:Если конкуренты организма не выживают в суровых условиях, а сам организм выживает, то при улучшении условий в нем будет больше питательных веществ.В связи с этим родопсины этих диатомей кажутся одновременно механизмом выживания и возможностью выжить в пасмурных, свободных ото льда зимних условиях.

Наблюдение за развитием озерной жизни по мере изменения климата

Когда мы переходим в более теплый климат и безледная эра для озера Эри и других северных озер умеренного пояса эти данные свидетельствуют о том, что со временем диатомеи, которые процветали в покрытых льдом озерах, могут в зимние месяцы заменяться диатомеями с родопсинами.

Последствия этого изменения потенциально разнообразны:Небольшие изменения в основе пищевой цепи могут повлиять на рыболовство.Кроме того, известно, что некоторые диатомовые водоросли производят соединения, которые токсичен для дикой природы и человека.

На данный момент у нас есть только догадки относительно того, как изменения в видах водорослей изменят рыболовство, туризм и управление прибрежными ресурсами в долгосрочной перспективе.То, как со временем меняются водорослевые сообщества, является реакцией на множество факторов, и свет — лишь один из них.Но возможность наблюдать за этими изменениями с самого начала дает уникальную возможность понять влияние потепления климата на Великие озера и подобные озера по всему миру.