Снежни и ледени водорасли: биология, пигменти и роля в полярните екосистеми

Открийте биологията, пигментите и ключовата роля на снежните и ледени водорасли в полярните екосистеми и Антарктида — от оцветените ледници до хранителната мрежа.

Ледените и снежните водорасли са водорасли и цианобактерии, които растат върху дълготрайни снежни и ледени полета като ледниците. Когато между кристалите на снега и леда има течна вода, през летните месеци те могат да оцветят повърхността в зелено, жълто или червено. Червеният пигмент на някои видове е вътреклетъчна защита срещу прекомерната видима светлина и ултравиолетовата радиация на слънцето, които в противен случай могат да причинят фотоинхибиране на фотосинтезата или мутации. Без него водораслите на повърхността биха претърпели хромозомни разкъсвания и мутации на ДНК.

Биология и местообитания

Снежните и ледени микроводорасли включват различни групи: микроскопични зелени водорасли (напр. родове, близки до Chlamydomonas), разнообразни диатомеи), както и цианобактерии. Те колонизират повърхностния сняг, подповърхностни слоеве и граници лед–вода, включително каналите със солена вода в морския лед. В зависимост от средата могат да живеят свободно между ледените кристали, прикрепени към тях или в микроканалите (brine channels), където солеността и температурата позволяват наличието на течна вода.

Пигменти и адаптации

Основните фотосинтетични пигменти са хлорофили и различни каротеноиди. Често срещан защитен пигмент при червените и розовите форми е астаксантин, мощен каротеноид, който защитава клетките от интензивна светлина и УВ-радиация, като поглъща и разсейва излишната енергия и действа като антиоксидант. Други каротеноиди и ксантофили (напр. бета-каротин) също допринасят за цветовете. Цианобактериите могат да притежават фицианобилини и други фикови пигменти (фикоеритрин, фикоцианин), които им дават жълто-кафяви нюанси.

Адаптациите включват способност да преживяват в условия на ниски температури и силни светлинни стресове, механизми за възстановяване на ДНК, синтез на защитни вътрешноклетъчни вещества (сахариди, екзополимери) и смяна на физиологичното състояние (спорови или покойни форми), които им позволяват да устоят на периоди с отрицателни температури и силно изпарение.

Роля в полярните екосистеми

Върху морския лед също има съобщества от ледени водорасли. Тези водорасли (главно диатомеи) са важни за полярните екосистеми (особено за Антарктида), тъй като осигуряват храна за крила. Крилът остъргва водораслите от долната страна на леда, която е оцветена в кафяво от водораслите. Водораслите могат да се намират между ледените кристали или прикрепени към тях, във водата или в каналите със солена вода между ледените кристали.

По-широко, снежните и ледени микроводорасли са първични производители в тези екосистеми, стартират хранителни вериги и подпомагат микробните консорциуми в кредитирането на органични вещества и поддържането на биоразнообразието. Те участват в циклирането на въглерода и хранителните елементи и могат да формират локални „блумове“, които влияят на достъпността на храната за по-големи организми (зоопланктон, мекотели, риби).

Ефекти върху албедото и топене на ледниковете

Пигментираните алги потъмняват повърхността на снега и леда, което намалява отражателната способност (албедото) и увеличава абсорбцията на слънчевата енергия. Това може да ускори локалното топене на сняг и лед и да създаде обратна връзка, която допринася за по-нататъшно разширяване на микроводораслените популации. Този процес е особено важен при анализи на ледниково стопяване и промени в масата на ледниците.

Методи за изследване

• Микроскопия и морфологична таксономия за идентификация на видове.
• Химичен анализ и HPLC за определяне на състава на пигментите (хлорофили, каротеноиди, астаксантин и др.).
• Молекулярни методи (DNA/RNA секвениране) за оценки на биоразнообразието и функционалния потенциал на общностите.
• Отдалечено наблюдение (спътникови изображения) за картографиране на „цветни“ снегове и оценка на разпространението им и ефектите върху албедото.

Заплахи и бъдещи промени

Климатичните промени променят сезонните модели на топене и наличието на течна вода, което може да промени разпространението и интензитета на снежните и ледени водорасли. Разширяващо се и по-интензивно топене може да увеличи биомасата на някои видове, но също така да доведе до загуба на специализирани местообитания. Промени в типовете общности могат да имат последици за хранителните вериги и за динамиката на ледниковото топене.

Значение за науката и практиката

Проучването на тези организми помага да се разберат процесите на фотозащита, метаболни адаптации към стрес и влиянието на микроводораслите върху глобалните и локалните климaтични процеси. Информацията е важна за моделиране на бъдещото поведение на ледниците, за управление на полярните екосистеми и за оценка на възможните екосистемни услуги или рискове, свързани с промяната на биологичното покритие на снега и леда.

Chlamydomonas nivalis

Chlamydomonas nivalis е зелено микроводорасло, което освен други близки видове причинява и динен сняг.

Снегът от диня е сняг с червеникав или розов цвят, който може да има мирис, подобен на този на прясна диня. Този вид сняг е често срещан през лятото в алпийските и крайбрежните полярни райони, като например Сиера Невада в Калифорния. Тук, на височина от 10 000 до 12 000 фута (3 000-3 600 м), температурата е ниска през цялата година и затова снегът се задържа от зимните бури. Когато някой стъпи върху сняг с водорасли, следите от стъпки изглеждат червени.

Chlamydomonas nivalis е зелено водорасло, което дължи червения си цвят на яркочервен каротеноиден пигмент (астаксантин). Той предпазва хлоропласта и клетъчното ядро от силната видима и ултравиолетова радиация. Зелените и червените пигменти абсорбират светлината и топлината, благодарение на което водораслото получава течна вода, докато снегът около него се топи. Цъфтежът на водораслите може да достигне дълбочина от 25 см (10 инча). Тъй като всяка клетка е с диаметър от 20 до 30 микрометра, една чаена лъжичка разтопен сняг съдържа милион или повече клетки. Водораслите се натрупват в "слънчеви чаши", които представляват плитки вдлъбнатини в снега. Каротеноидният пигмент поглъща топлина, която задълбочава слънчевите чаши и кара ледниците и снежните преспи да се топят по-бързо.

През зимните месеци, когато ги покрие бял сняг, водораслите са в покой. През пролетта хранителните вещества, повишеното ниво на светлина и разтопената вода стимулират покълването. След като покълнат, клетките в покой освобождават по-малки зелени камшичета, които се придвижват към повърхността на снега. След като се приближат до повърхността, те могат да загубят флагелите си и да образуват дебелостенни клетки на покой или да функционират като гамети, сливайки се по двойки, за да образуват зиготи.

Някои специализирани видове се хранят с C. nivalis, включително протозои като цилиати, ротифери, нематоди, ледени червеи и пружинни опашки.

История

Първите сведения за динен сняг са в трудовете на Аристотел. Снегът от диня озадачава алпинисти, изследователи и естествоизпитатели от хиляди години.

През май 1818 г. четири кораба отплават от Англия, за да търсят Северозападния проход и да картографират арктическото крайбрежие на Северна Америка. Лошото време ги принуждава накрая да обърнат корабите обратно, но експедицията има важен принос за науката. Когато заобикалят нос Йорк на северозападния бряг на Гренландия, капитан Джон Рос забелязва пурпурен сняг, който прорязва белите скали като потоци кръв. Десантната група спира и връща проби в Англия. Вестник "Таймс" пише за това откритие на 4 декември 1818 г:

“

Капитан сър Джон Рос е донесъл от Бафиновия залив количество червен сняг или по-скоро снежна вода, която е била подложена на химичен анализ в тази страна, за да се открие естеството на нейния оцветител. Нашата доверчивост е подложена на изключително изпитание в този случай, но не можем да разберем, че има някаква причина да се съмняваме в посочения факт. Сър Джон Рос не е видял да пада червен сняг, но е видял големи площи, покрити с него. Цветът на снежните полета не е бил равномерен, а напротив - имало е петна или ивици, повече или по-малко червени и с различна дълбочина на оттенъка. Течността или разтвореният сняг е толкова тъмночервена, че наподобява червено портвайн. Посочва се, че ликьорът отлага утайка и че не е отговорено на въпроса дали тази утайка е от животински или растителен характер. Предполага се, че цветът се получава от почвата, върху която пада снегът: в този случай върху леда не може да се види червен сняг.

”

Когато Рос публикува разказа си за пътуването през 1818 г., към него има приложение с растения от Робърт Браун. В него Браун сравнява червения сняг с водорасло.

Снежни ивици от диня.


Необичайни снежни ями от диня, насложени с оранжево-синя следа от обувка.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват ледените и снежните водорасли?

В: Какво причинява оцветяването на леда и снега през летните месеци?

В: Каква е целта на червения пигмент в някои ледени и снежни водорасли?

Въпрос: Къде освен върху ледниците се срещат и съобщества от ледени водорасли?

В: Защо съобществата от ледени водорасли са важни за полярните екосистеми?

В: Как крилът получава храна от съобществата от ледени водорасли върху морския лед?

В: Къде могат да се открият ледените водорасли по отношение на ледените кристали?

Търсене по буква