Зникнення морського льоду в полярних регіонах через глобальне потепління не лише збільшує кількість світла, що проникає в океан, але й змінює його колір. Ці зміни мають далекосяжні наслідки для фотосинтезуючих організмів, таких як льодові водорості та фітопланктон. Такий висновок зробили дослідники в новому науковому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications під керівництвом морських біологів Моніки Сойа-Возьняк та Єфа Гейсмана з Інституту біорізноманіття та динаміки екосистем (IBED) Амстердамського університету.
До міжнародної дослідницької групи також увійшов фізико-хімік Сандер Воутерсен (HIMS/UvA) та колеги з Нідерландів і Данії. Вони досліджували, як втрата морського льоду змінює підводне світлове середовище. Морський лід і морська вода мають принципові відмінності у здатності пропускати світло. Морський лід сильно розсіює і відбиває світло, пропускаючи лише незначну його кількість.
Втім, навіть ця невелика кількість світла містить майже повний спектр видимих довжин хвиль. Натомість морська вода поглинає червоне і зелене світло, тоді як синє проникає глибоко у водну товщу. Саме це й надає океану його характерного синього кольору.
Молекулярні вібрації води
Ще одна ключова відмінність між льодом і рідкою водою полягає у ролі молекулярних вібрацій. У рідкій воді молекули H₂O вільно рухаються та вібрують, що призводить до формування характерних смуг поглинання на певних довжинах хвиль. Ці смуги вибірково «вирізають» частини світлового спектру, створюючи прогалини у світлі, доступному для фотосинтезу.
У попередніх дослідженнях Маайке Стомп та професора Гейсмана було показано, що ці молекулярні особливості формують так звані «спектральні ніші» — унікальні набори довжин хвиль, якими можуть користуватись фотосинтезуючі організми. Фітопланктон і ціанобактерії еволюціонували з різноманітністю пігментів, налаштованих на ці спектральні ніші, що впливає на їхнє глобальне поширення в океанах, прибережних водах та озерах.
Однак у льоді молекули води замкнені в жорстку кристалічну ґратку. Ця структура пригнічує молекулярні вібрації, що змінює їхню здатність до поглинання. В результаті, у льоді відсутні ті смуги поглинання, які є в рідкій воді, і під морським льодом зберігається ширший спектр світла. Ця фундаментальна відмінність є ключовою в спектральному зсуві, який відбувається під час танення льоду.
Екологічні наслідки
У міру зникнення морського льоду і появи відкритої води підводне світлове середовище змінюється — від широкого спектру кольорів до вузького, з переважанням синього. Такий спектральний зсув має вирішальне значення для фотосинтезу.
«Фотосинтетичні пігменти водоростей, які живуть під морським льодом, адаптовані до ефективного використання широкого спектра кольорів, що проходить крізь лід і сніг», — пояснює перша авторка дослідження Моніка Сойа-Возьняк. «Коли лід тане, ці організми раптово опиняються у середовищі, де переважає синє світло, яке менш ефективно засвоюється їхніми пігментами.»
Використовуючи оптичні моделі та спектральні вимірювання, дослідники продемонстрували, що зміна кольору світла не лише змінює ефективність фотосинтезу, але й може впливати на видовий склад водоростей. Види, що спеціалізуються на засвоєнні синього світла, можуть отримати конкурентну перевагу над льодовими водоростями.
На думку професора Гейсмана, ці зміни можуть мати каскадні екологічні наслідки. «Фотосинтетичні водорості є основою арктичної харчової мережі. Зміни в їх продуктивності або видовому складі можуть вплинути на риб, морських птахів і ссавців. Крім того, фотосинтез відіграє важливу роль у природному поглинанні CO₂ океаном».
Клімат і майбутні моделі
Дослідження підкреслює, що зміна клімату в полярних регіонах не лише призводить до танення льоду — вона викликає фундаментальні зміни в ключових процесах, таких як передача світла та потік енергії в морських екосистемах. Результати дослідження наголошують на необхідності точнішого врахування спектрів світла і фотосинтезу в кліматичних моделях і прогнозах стану океану — особливо в полярних регіонах, де зміни відбуваються з безпрецедентною швидкістю.
